PELTIEROVY ČLÁNKY PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIE

Podobné dokumenty
Zdroje napětí - usměrňovače

15. Elektrický proud v kovech, obvody stejnosměrného elektrického proudu

Solární systémy. Termomechanický a termoelektrický princip

PELTIERŮV ČLÁNEK PRO CHLAZENÍ MALÝCH VÝKONŮ MICRO COOLING WITH PELTIER CELL

PELTIERŮV ČLÁNEK. Materiály pro elektrotechniku. Univerzita Pardubice Fakulta elektrotechniky a informatiky. Laboratorní cvičení č.

ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ ÚŘEDNÍKŮ PRO VÝKON STÁTNÍ SPRÁVY OCHRANY OVZDUŠÍ V ČESKÉ REPUBLICE. Spalování paliv - Kotle Ing. Jan Andreovský Ph.D.

Efektivní využití kogeneračních jednotek v sítích SMART HEATING AND COOLING NETWORKS

PELTIERŮV ČLÁNEK. Materiály pro elektrotechniku. Univerzita Pardubice Fakulta elektrotechniky a informatiky. Laboratorní cvičení č.

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ TEPLOTY

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

Základy elektrotechniky

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Stručný návod pro návrh přístrojového napájecího zdroje

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Fotovoltaické systémy pro výrobu elektrické energie

Revize elektrických zařízení (EZ) Měření při revizích elektrických zařízení. Měření izolačního odporu

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

SPALOVÁNÍ PLYNU ZE ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov Situace v ČR 55% uhelné 42% jádro 3% vodní 0,1 % ostatní (vítr, fotovoltaická)

ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

5. POLOVODIČOVÉ MĚNIČE

Stabilizátory napětí a proudu

Chlazení polovodičových součástek

Energetika v ČR XVIII. Solární energie

d p o r o v t e p l o m ě r, t e r m o č l á n k

Elektroenergetika 1. Jaderné elektrárny

Nezávislost na dodavatelích tepla možnosti, příklady. Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí Fakulta strojní, ČVUT v Praze

NA FOSILNÍ PALIVA: pevná, plynná, kapalná NA FYTOMASU: dřevo, rostliny, brikety, peletky. SPALOVÁNÍ: chemická reakce k získání tepla

Elektroenergetika 1. Jaderné elektrárny

Zesilovače. Ing. M. Bešta

Laboratorní úloha č. 2 - Vnitřní odpor zdroje

EKODESIGN ROSTOUCÍ POŽADAVKY NA ÚČINNOST ZDROJŮ TEPLA

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov. Vytápění prostorů. Základní pojmy

TEPELNÁ ČERPADLA VZUCH - VODA

TERMOHYDRAULICKÉ TESTOVÁNÍ PALIVA TVSA-T PRO JE TEMELÍN

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

TECHNICKÉ PARAMETRY TERRA NEO

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Základní technický popis kogenerační jednotky EG-50

Základní pojmy z oboru výkonová elektronika

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_16_ZT_E

Základy elektrotechniky

MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA

THERM PRO 14 KX.A, XZ.A

Obsah. KVET _Mikrokogenerace. Technologie pro KVET. Vývoj pro zlepšení parametrů KVET. Využití KVET _ Mikrokogenerace

Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna Rozvod páry do místa spotřeby páry Využívání páry v místě spotřeby Vracení kondenzátu do místa výroby páry

TECHNICKÉ PARAMETRY TERRA NEO

Polovodičové usměrňovače a zdroje

ČÍSLO PROJEKTU: OPVK 1.4

Stavba hmoty. Název školy. Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm

HAKA 63/51W, 63/51WI A + Technická data

obnovitelné zdroje ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov

Hodnocení energetické náročnosti z pohledu primární energie - souvislosti s KVET

Alternativní zdroje energie

Vanadové redoxní baterie

ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ ÚŘEDNÍKŮ PRO VÝKON STÁTNÍ SPRÁVY OCHRANY OVZDUŠÍ V ČESKÉ REPUBLICE. Spalování paliv - Kotle Ing. Jan Andreovský Ph.D.

Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní RP2 Energetické systémy budov, UCEEB ČVUT v Praze 1/39

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov. Vytápění místností. Princip

F O T O V O L T A I C K Ý O H Ř E V T U V S A K T I V N Í M P Ř I Z P Ů S O B E N Í M T Y P O V É Ř E Š E N Í 7,5 kwp / 7,5 kw / 0,75 m 3

Kogenerační jednotky o výkonu 20, 50, 100 kwh.

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

HAKA 78/57Wh, 78/57WIh A + Technická data

Technické informace Teplotní derating pro střídače Sunny Boy a Sunny Tripower

- Stabilizátory se Zenerovou diodou - Integrované stabilizátory

Analýza provozu obecní výtopny na biomasu v Hostětíně v období

MS - polovodičové měniče POLOVODIČOVÉ MĚNIČE

Polohová a pohybová energie

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Základy elektrotechniky

TECHNICKÁ DOKUMENTACE

Zvyšování kvality výuky technických oborů

TOSHIBA ESTIA TEPELNÁ ČERPADLA VZDUCH-VODA

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického napětí

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_356

TECHNICKÁ DOKUMENTACE

Expert na zelenou energii

TOSHIBA ESTIA UNIKÁTNÍ KVALITA TEPELNÝCH ČERPADEL VZDUCH-VODA

Obnovitelné zdroje energie

Úvod. Rozdělení podle toku energie: Rozdělení podle počtu fází: Rozdělení podle konstrukce rotoru: Rozdělení podle pohybu motoru:

Elektromagnetismus. - elektrizace třením (elektron = jantar) - Magnetismus magnetovec přitahuje železo zřejmě první záznamy o používání kompasu

Energie,výkon, příkon účinnost, práce. V trojfázové soustavě

1. Kondenzátory s pevnou hodnotou kapacity Pevné kondenzátory se vyrábí jak pro vývodovou montáž, tak i miniatrurizované pro povrchovou montáž SMD.

Rozvod elektrické energie v průmyslových a administrativních budovách. Sítě se zálohovaným a nepřetržitým napájením. A 5 M 14 RPI Min.

Stejnosměrné generátory dynama. 1. Princip činnosti

ELEKTRICKÉ STROJE - POHONY

Zvyšování kvality výuky technických oborů

VÝSLEDKY OVĚŘOVÁNÍ ZEMNÍHO MASIVU JAKO ZDROJE ENERGIE PRO TEPELNÁ ČERPADLA. Technická fakulta České zemědělské univerzity v Praze

kompaktní akumulační kamna

Syntéza obvodu teplotní kompenzace krystalového oscilátoru

Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE VZDUCHOTECHNIKA

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hustopeče, Masarykovo nám. 1

Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Univerzální středotlaké parní kotle KU

TECHNICKÝ LIST. - s vodním chlazením - se vzduchovým chlazením

VY_32_INOVACE_6/15_ČLOVĚK A PŘÍRODA. Předmět: Fyzika Ročník: 6. Poznámka: Vodiče a izolanty Vypracoval: Pták

I = Q t. Elektrický proud a napětí ELEKTRICKÝ PROUD A NAPĚTÍ. April 16, VY_32_INOVACE_47.notebook. Elektrický proud

Transkript:

PELTIEROVY ČLÁNKY PRO VÝROBU ELEKTRICKÉ ENERGIE Marian Brázdil VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Technická 2896/2, 616 69 Brno email: brazdil@fme.vutbr.cz V posledních letech dochází k vzestupu zájmu o termoelektrické aplikace a výrobu elektřiny na základě termoelektrických jevů. Předkládaný text se zabývá popisem termoelektrických článků, nazývaných někdy jako Peltierovy články, principy na kterých je přímá přeměna energie postavena a problémy které za provozu nastávají. V závěru práce je nastíněna konstrukce termoelektrického generátoru, vyvíjeného na Energetickém ústavu FSI VUT v Brně. Klíčová slova: Pelierovy články, termoelektrické moduly, termoelektrický generátor, odpadní teplo ÚVOD Peltierovy články umožňují přeměnu tepla v elektřinu a naopak. Články nebo zařízení využívající těchto článků pro výrobu elektrické energie se označují jako termoelektrické generátory. Výhodou těchto zařízení je provoz bez chemických látek a pohyblivých částí, jejich jednoduchost, spolehlivost a dlouhá životnost. Vzhledem k nízké účinnosti termoelektrické přeměny (resp. termoelektrických materiálů) jsou možnosti využití těchto systémů omezené. Samostatně pracují jako zdroje elektrické energie a spotřebovávají pro provoz ušlechtilá primární paliva ve specifických případech: v odlehlých, těžko přístupných nebo nebezpečných oblastech. V souvislosti se vzrůstajícími cenami paliv a požadavky minimalizace následků průmyslové výroby na životní prostředí se však objevily snahy využívat termoelektřiny vyrobené z odpadního tepla jako zdroje elektrické energie [1]. Bude-li termoelektrický systém pro svůj provoz využívat odpadní energie, jeho nízká účinnost nemusí být kritická. V mnoha případech je to způsob jak získat vysoce jakostní elektrickou energii, jejíž získání by s konvenčními způsoby přeměny bylo jen obtížně realizovatelné nebo zcela nerealizovatelné. TERMOELEKTRICKÉ JEVY Termoelektrické jevy jsou jedny z nejstarších jevů pozorovaných v pevných látkách. Seebeckův jev Seebeckův jev, který umožňuje přeměnu tepla v elektřinu, bývá často objasňován na dvojici vodičů nebo polovodičů (Obr.1). Budou-li dva různé elektricky vodivé materiály (a,b) spojeny a mezi jejich spoji (A,B) bude udržován gradient teploty, bude v obvodu generováno malé elektrické napětí. Toto napětí, označované jako Seebeckovo napětí, je přímo úměrné rozdílu teplot. Jev je možné sledovat i na osamoceném vodiči. Konstantou úměrnosti je tzv. Seebeckův koeficient α, který je materiálovou vlastností daných vodičů. Pro dosažení většího termoelektrického napětí se ve dvojicích kombinují materiály s pokud možno co největším kladným a záporným Seebeckovým koeficientem. Tohoto jevu je využíváno při výrobě elektrické energie [1]. Obr. 1 Vzniklá termoelektrická dvojice [1]. / 23 /

Peltierův jev Opačným jevem k Seebeckovu jevu je Peltierův jev, který nastává při průchodu elektrického proudu takto složeným obvodem. V závislosti na směru průchodu proudu se teplo na spojích vodičů uvolňuje nebo pohlcuje. Jev je výsledkem změny entropie nosičů náboje při průchodu spojem. Využití nachází převážně v chladící technice [1]. Konstrukce termoelektrických článků PELTIEROVY ČLÁNKY Termoelektrické články se skládají z množství dvojic, které jsou tvořeny polovodičovými elementy (sloupky) typu p a n. Dvojice jsou spojeny elektricky do série, z hlediska tepelného toku paralelně a umístěny mezi dvěma keramickými deskami (Obr. 2). Desky zajišťují elektrickou izolaci od okolí a poskytují článku potřebnou pevnost. Sloupky mají charakteristickou geometrii, která zajištuje vysoký Seebeckův koeficient [1]. Obr. 2 Konstrukce termoelektrického modulu [2]. Podle způsobu využití je možné rozdělit termoelektrické články na články chladící (Obr. 3) a články generátorové (Obr.4). Chladící články využívají Peltierova jevu. Uplatnění nachází v přenosných chladících zařízeních, v avionice, používají se při teplotní stabilizaci polovodičových součástek apod. Články pro výrobu elektrické energie využívají Seebeckova jevu. Přestože jsou jevy Seebeckův a Peltierův jevy komplementární, jsou mezi články rozdíly a není žádoucí je zaměňovat. Výrobci optimalizují články pro konkrétní aplikace. Obr. 3 Vícestupňový chladící (Peltierův) článek [3]. Obr. 4 Generátorový termoelektrický článek [4].. Plocha a délka polovodičových sloupků má vliv na výsledné výkonové parametry. Obr. 5 ukazuje velikost proudu vztaženého na plochu termoelektrického materiálu a velikost napětí vzhledem k počtu termoelektrických dvojic pro různé délky termoelementů a teplotní rozdíly. Zatímco pro generátorové moduly jsou typické krátké sloupky, pro chladící moduly sloupky dlouhé. / 24 /

Obr. 5 Závislost výkonových parametrů článků na jeho geometrii [1]. V ČR se běžně mezi články nerozlišuje a všechny bývají souhrnně označovány jako Peltierovy články. Korektní by bylo takto označovat pouze články chladicí, tedy ty které bývají založené na teluridu bismutitém a pracují v rozsahu teplot přibližně -70 C až 230 C. Výkon a účinnost generátorových článků Průchodem tepelného toku článkem vzniká na jeho vodičích napětí a je-li článek připojen k zátěži, může generovat malý elektrický výkon. Výkon produkovaný jedním článkem je závislý na počtu termoelektrických dvojic, jejich provedení, vlastnostech použitého polovodičového materiálu, na přechodových odporech a dosaženém teplotním rozdílu mezi tzv. studenou a teplou stranou článku. Účinnost je závislá na teplotním rozdílu, na průměrné teplotě při které zařízení pracuje a na výkonnosti použitého materiálu. Se vzrůstající teplotou teplé strany účinnost narůstá (Obr.6) [1]. Největšího výkonu a účinnosti termoelektrické přeměny je v současnosti dosaženo při použití silně dopovaných polovodičových materiálů [5]. Obecně platí, že pro termoelektricky dobré materiály je charakteristický velký Seebeckův koeficient α, malá tepelná vodivost λ a vysoká elektrická vodivost σ. Malá tepelná vodivost pomáhá udržet teplo v oblasti přechodu a vysoká elektrická vodivost minimalizuje Joulovy ztráty. Tyto požadavky na vlastnosti materiálů byly vtěleny do veličiny nazývané koeficient termoelektrické účinnosti Z [6], [7]. U běžně dostupných termoelektrických materiálů se účinnost pohybuje v řádu jednotek procent. V budoucnu je očekáváno nalezení lepších termoelektrických materiálů a následné zvýšení účinnosti. Obr. 6 Účinnost přeměny v závislosti na použitém termoelektrickém materiálu a pracovní teplotě [1]. / 25 /

Závislost napětí a výkonu článků na teplotě je nevýhodná z hlediska škálování výkonu. V rozsáhlých termoelektrických celcích znesnadňuje propojování článků a vytváří nezanedbatelné ztráty výstupního výkonu. TERMOELEKTRICKÉ GENERÁTORY Nejmenší mikrogenerátory tvořené miniaturními termoelektrickými poli integrovanými do polovodičových čipů mohou mít výkon v řádu µw. S výkony v řádu desítek kw a více se mezi největší termoelektrické generátory řadí generátory poháněné jaderným reaktorem zkonstruované v projektu SP-100 [6]. Konstrukce termoelektrických generátorů Termoelektrické generátory se skládají z jednoho nebo více termoelektrických článků, výměníků zajišťujících přívod a odvod tepla a měničů elektrické energie (Obr. 7). Zdrojem energie pro generátor může být například teplo spalin vzniklých spalováním fosilních paliv nebo odpadů, odpadní teplo chladících vod v technologických zařízeních, teplo vznikající při radioaktivní přeměně (radioizotopové termoelektrické generátory používané u vesmírných sond) nebo jakékoliv jiné zdroje tepla o potřebných parametrech. Obr. 7 Součásti termoelektrického systému [1]. Transformace elektrické energie Termoelektrické články lze charakterizovat jako zdroje napětí s vnitřním odporem. Vnitřní odpor článku souvisí s termoelektrickými vlastnostmi použitého polovodičového materiálu a mění se s teplotou. Protože odpor článků je nezanedbatelný, se vzrůstajícím odběrem proudu bude i větší část dostupného výkonu ztracena v článku. Největšího výkonu bude dosaženo v případě, kdy odpor zátěže se bude rovnat vnitřnímu odporu článku [8]. Při připojení zátěže s jiným vnitřním odporem bude docházet ke ztrátám. Přímé spojení generátorového článku, resp. generátoru k zátěži by tedy nebylo účelné. Pro napájení spotřebičů navíc požadujeme stálé napětí. U menších generátorů jsou používány stejnosměrné měniče (DC/DC), rozsáhlé termoelektrické generátory mohou pracovat se střídači (DC/AC). Účelem měničů je transformovat vstupní stejnosměrné napětí na jiné výstupní napětí a přitom získávat z generátoru maximální výkon. V případě, kdy se generátor skládá z jednoho termoelektrického článku a stabilního tepelného zdroje a zátěže, je návrh systému snadný. Většina tepelných zdrojů ovšem stabilních není, dochází ke kolísání teploty [9], [10]. Protože výkon článků je úměrný teplotě, její kolísání a prostorové rozložení má nežádoucí vliv a je potřeba ho potlačit. Aby nedocházelo ke ztrátám výkonu vlivem spojení se zátěží o jiném vnitřním odporu nebo vlivem teplotních diferencí mezi jednotlivými články, používá se měničů řízených pomocí algoritmů MPPT (Maximum Power Point Tracking sledování bodu maximálního výkonu) [9], [10]. / 26 /

ZKUŠEBNÍ TERMOELEKTRICKÝ GENERÁTOR Zdrojem tepla pro pokusný termoelektrický generátor vyvíjený na Energetickém ústavu FSI VUT v Brně je teplo spalin odcházejících z automatického teplovodního kotle Verner A251.1 o výkonu 25 kw spalující dřevní peletky. Spojením kotle s termoelektrickým generátorem se z kotle v principu stane kogenerační jednotka. Výstupní elektrický výkon generátoru bude v porovnání s tepelným výkonem kotle velmi malý (nominální elektrický výkon přibližně 100 W). Z pohledu účinnosti kotle by mělo dojít ke zmenšení ztráty fyzickým teplem spalin. Spaliny odcházející výstupním hrdlem kotle do spalinovodu předávají teplo termoelektrickému generátoru a postupují k ústí komínu. Chlazení generátoru zajišťuje vodní okruh s čerpadlem. Ten přes deskový výměník předává teplo vodě v otopné soustavě (Obr. 8). Na obrázcích 9 a 10 se nachází náhledy navrženého generátoru. Vlastní měření provozních charakteristik bude realizováno v průběhu roku 2012. Obr. 8 Schéma zapojení zkušebního termoelektrického generátoru. Obr. 9 Segment termoelektrického generátoru pro teplovodní kotel Verner A251.1. Obr. 10 Sestava termoelektrického generátoru. / 27 /

ZÁVĚR Označení všech termoelektrických článků jako Peltierových článků je do jisté míry zavádějící. Generátorové články používané v termoelektrických systémech jsou schopné využívat tepla odpadních látek. Výkon a účinnost těchto článků jsou závislé na jejich konstrukci, použitých termoelektrických materiálech a pracovních teplotách. Účinnost běžně dostupných článků se pohybuje v řádu procent. Bude-li zdrojem tepla odpadní energie, nemusí být nízká účinnost přeměny kritická. Získání elektrické energie by bylo v mnoha případech ideální, protože je vysoce jakostní a její využití je mnohem větší. Teplotní závislost článků značně komplikuje jejich využití. Pro zajištění maximální výkonnosti je potřeba použit stejnosměrných měničů a vhodných algoritmů pro jejich řízení. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za finanční podpory VUT v Brně v rámci interního grantu BD13101004. POUŽITÁ LITERATURA [1] ROWE, D. M. (ed.). Thermoelectrics handbook : macro to nano. 1st ed. [Boca Raton] : CRC Press, 2006. 1014 s. ISBN 978-0849322648. [2] Thermoelectric handbook [online]. Melcor, [cit. 2009-02-26]. Dostupný z WWW: <http://www.melcor.com/handbook.html> [3] Thermoelectric Modules Two Stage Peltier Coolers [online]. FerroTec, [cit. 2011-11-01]. Dostupný z WWW: < http://thermal.ferrotec.com/products/thermal/modules/multistage/> [4] Marlow Industries, inc. Standard generators [online]. c2008 [cit. 2011-11-01]. Dostupný z WWW: <http://www.marlow.com/power-generators/standard-generators/tg12-8-01l.html> [5] JING-FENG, L., WEI-SHU, L., LI-DONG, Z., MIN, Z. High-performance nanostructured thermoelectric materials. NPG Asia Mater [online]. 2010, roč. 2. č. 4, s. 152 158. Dostupný z WWW: < http://www.natureasia.com/asia-materials/review.php?id=800>. ISSN 1884-4057 [6] ROWE, D. M. CRC handbook of thermoelectrics. 1st ed. CRC Press, 1995. 701 s. ISBN 978-0849301469. [7] KARAMAZOV, S. Interakce bodových poruch ve vybraných krystalech tetradymitové struktury. 1. vyd. Pardubice: Univerzita Pardubice, Ústav elektrotechniky a informatiky, 2007. 56 s. ISBN 978-80-7395-012-5. [8] Tellurex - Seebeck FAQ [online]. c 2010 Tellurex [cit. 2011-03-05]. Frequently asked questions about our power generation technology. Dostupné z WWW: <http://www.tellurex.com/technology/seebeck-faq.php>. [9] NAGAYOSHI, H., et al. High efficiency maximum power point tracking power conditioner for TEG systems. In 6th European conference on thermoelectrics :July 2-4, 2008, Paris, France [online]. 2008 [cit. 2011-02- 21]. Dostupné z WWW: <http://ect2008.icmpe.cnrs.fr/contributions/p2-23-nagayoshi.pdf>. [10] NAGAYOSHI, H.; TOKUMISU, K.; KAJIKAWA, T. Novel maximum power point tracking control system for thermoelectric generator and evaluation of mismatch power loss reduction. In 5th European conference on thermoelectrics : September 10-12, 2007 - Odessa (Ukraine) [online]. 2007 [cit. 2011-02-21]. Dostupné z WWW: <http://ect2007.its.org/system/files/u1/pdf/19.pdf>. / 28 /