Главная страница
Навигация по странице:

  • Эволюция способов охлаждения. Сравнительный анализ.

  • Физические основы выбора термоэлектрических материалов. Термоэлектрические генераторы, классификация термоэлектрических генераторов.

  • Термоэлектрические генераторы.

  • Конструкция термоэлемента и термоэлектрического модуля Пельтье.

  • Термоэлектрическая добротность материалов. Температурная зависимость термоэлектрической добротности.

  • Термоэлектрический способ охлаждения. Применение, преимущества и недостатки.

  • Среднетемпературные термоэлектрические материалы.

  • Теплофизические свойства термоэлектрических материалов. Классификация термоэлектрических материалов.

  • Список вопросов по билетам. Эффект Пельтье


    Скачать 144.64 Kb.
    НазваниеЭффект Пельтье
    АнкорСписок вопросов по билетам.docx
    Дата28.05.2018
    Размер144.64 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаСписок вопросов по билетам.docx
    ТипДокументы
    #17836

    1. Эффект Пельтье.

    Термоэлектрическое охлаждение основано на использовании эффекта Пельтье, который заключается в том, что при прохождении постоянного электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в местах контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло. Разнородность проводников определяется различием величин равновесной энергии носителей заряда в этих проводниках. Чем больше разность этих величин, тем сильнее проявляется эффект Пельтье, т.е. тем больше выделяется или поглощается тепла.

    Коэффициент, отражающий указанное качество проводников, называется коэффициентом Пельтье и определяется свойствами материалов проводников. Тепло, выделяемое или поглощаемое в единицу времени, определяется формулой

    = I,

    где QП - тепло Пельтье; П - коэффициент Пельтье; I - сила тока.

    Между коэффициентами Пельтье и Зеебека существует соотношение, определенное Томсоном следующим образом:

    П = T.

    На рис.1.3 представлена цепь, состоящая из двух разнородных проводников а и b, образующих термоэлемент. Проводники а и b называются ветвями термоэлемента.




    Рис.1.3 - Схема термоэлемента Пельтье


    Эффект Пельтье достигает максимального значения при использовании в качестве материала ветвей термоэлемента полупроводниковых соединений различных типов проводимости. На рис.1.4 показана схема полупроводникового термоэлемента Пельтье. Если через этот термоэлемент пропустить ток в указанном направлении, то на спае 1 (холодном) будет поглощаться тепло Пельтье , а на спае 2 (горячем) - выделяться тепло Пельтье . Температуры холодного и горячего спаев обозначены соответственно Тх и Тг.



    Рис.1.4 - Схема полупроводникового термоэлемента


    Причина возникновения эффекта Пельтье состоит в следующем. Внешнее электрическое поле переносит носители заряда из одного проводника в другой, а так как равновесная энергия носителей заряда в обоих материалах этих проводников различна, то носители заряда, пришедшие из другого материала через спай, имеют избыток или недостаток энергии по сравнению с остальными носителями в данном материале. В результате этот избыток (или недостаток) энергии отдается решетке (или пополняется за счет решетки), из-за чего температура спая соответственно растет или падает.

    Выделение или поглощение тепла происходит непосредственно вблизи контактов двух проводников, так как тепловое равновесие наступает в результате небольшого числа соударений носителей тока с атомами решетки.


    1. Эффект Томсона.


    Если вдоль однородного проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, то в объеме проводника, кроме тепла Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, тепло Томсона Q (рис.1.5):

    Q = TIT,

    где T - коэффициент Томсона, причем T > 0, если направления градиента температуры и тока совпадают, T < 0, если не совпадают.




    Рис.1.5 - Эффект Томсона


    Коэффициент Томсона связан с коэффициентом Зеебека следующим соотношением:

    T = T(d/dT) .

    Необходимо отметить, что все три рассмотренных термоэлектрических эффекта являются обратимыми, так как они меняют знак при изменении направления градиента температуры или при изменении направления тока.

    В термоэлектрической цепи одновременно возникают и необратимые явления теплопроводности и выделения джоулевой теплоты.


    1. Эффект Зеебека.

    Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников (рис.1.1), возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) Еab, если места их контактов находятся при различной температуре Т1Т2.

    Возникающая термоЭДС пропорциональна разнице температур:

    Е = T.

    Коэффициент  называется удельной термоЭДС, т.е. отнесенной к единичной разности температуры. Коэффициент  определяется природой материала.

    При последовательном соединении двух разнородных проводников суммарная термоЭДС определяется соотношением

    Е = T,

    где и - коэффициенты термоЭДС проводников.

    Коэффициент термоЭДС (коэффициент Зеебека) может быть как отрицательным, так и положительным в зависимости от знака основных носителей заряда. Величины коэффициентов термоЭДС материалов часто приводятся по отношению к свинцу высокой очистки, так как при нормальных условиях его термоЭДС практически равна нулю.

    Максимальный термоэлектрический эффект наблюдается при использовании полупроводниковых материалов для изготовления ветвей термоэлементов. Схема полупроводникового термоэлемента Зеебека представлена на рис.1.2.



    Рис.1.2 - Схема полупроводникового термоэлемента Зеебека



    1. Эволюция способов охлаждения. Сравнительный анализ.


    С тех пор, как полвека назад А.Ф. Иоффе разработал теорию энергетических применений полупроводниковых термоэлементов и обосновал возможность практического применения эффекта Пельтье, термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) нашли применение в различных областях жизнедеятельности человека. В ряде случаев в военной технике, медицине, электронной технике и других сферах термоэлектрический способ охлаждения является единственно приемлемым. Это, в частности, связано с тем, что в последние годы значительно увеличился удельный вес полупроводниковых приборов и интегральных схем, для охлаждения и стабилизации температуры которых используются ТОУ. Применение термоэлектрических охлаждающих устройств существенно улучшает характеристики изделий электронной техники, делает их работу надежной и стабильной, повышает быстродействие, помехоустойчивость и т.п.Термоэлектрические устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения, а именно: практически неограниченным ресурсом работы, отсутствием хладагентов, надежностью, малыми габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью локального охлаждения, плавного и точного регулирования и статирования температуры путем изменения напряжения питания ТОУ, высокой экологичностью. Предельную актуальность термоэлектрический способ охлаждения приобретает в настоящее время в связи с подписанием всеми ведущими странами Монреальского протокола 1987 г., обязывающего снижать использование опасных для озонового слоя земной атмосферы фреоносодержащих газовых смесей. Основная область применения подобных газов - холодильная компрессионная техника. Единственная альтернатива на сегодня, и это признано всем мировым научным сообществом, - твердотельные тепловые насосы на полупроводниковых термоэлементах, работающие на эффекте Пельтье. Основным ограничивающим фактором, сдерживающим массовое применение эффекта Пельтье в системах охлаждения, является недостаточная эффективность этого способа, которая определяется в основном невысокой термоэлектрической добротностью полупроводниковых материалов на основе теллурида висмута. К сожалению, в настоящее время пока еще не найдена альтернатива этим материалам. В то же время необходимо отметить, что те преимущества, которые дает термоэлектрический способ охлаждения, использованы далеко еще не полностью. Об этом свидетельствует тот факт, что с каждым годом расширяются области применения эффекта Пельтье и увеличивается число новых термоэлектрических приборов.


    1. Физические основы выбора термоэлектрических материалов.



    1. Термоэлектрические генераторы, классификация термоэлектрических генераторов.


    Термоэлектрические генераторы. К приборам, работающим на эффекте Зеебека, относятся термоэлектрические генераторы и термоэлектрические датчики температуры - термопары.

    В настоящее время основным видом потребляемой энергии является электрическая энергия. Наряду с традиционной для энергетики проблемой поиска новых источников энергии существует проблема создания перспективных способов преобразования различных видов энергии в электрическую. Причем предпочтение, естественно, имеют прямые способы преобразования энергии, не использующие сложного оборудования, - фотоэлектрический и термоэлектрический - основные способы получения электрической энергии в так называемой "малой энергетике" (от нескольких ватт до сотен киловатт).

    Преимущества термоэлектрического способа получения электрической энергии с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ) заключаются в следующем. ТЭГ являются автономными компактными надежными, не имеющими движущихся частей, бесшумными источниками энергии. Кроме того, они просты в эксплуатации и долговечны.

    Под термином "термоэлектрический генератор" следует понимать автономный источник постоянного напряжения, в состав которого входят: источник тепловой энергии, термоэлектрический блок, система сброса отработанного тепла (теплообменник), токоподводящие цепи.
    Если классифицировать ТЭГ по применяемым источникам тепловой энергии, то можно выделить следующие их варианты:

    1) использующие природные источники тепловой энергии (газ, нефть, уголь); области применения: энергоснабжение отдельных потребителей, питание электронных приборов и сигнальных устройств, коррозионная (катодная) защита трубопроводов, управление системами отопления;

    2) использующие ядерные источники тепловой энергии; области применения: бортовое электроснабжение межпланетных космических аппаратов;

    3) использующие солнечное излучение в космосе; области применения: электроснабжение искусственных спутников Земли и космических станций;

    4) использующие солнечную энергию на поверхности Земли; области применения: энергоснабжение оросительных систем, производство водорода;

    5) биологические, использующие тепло человеческого тела; области применения: кардиостимуляторы, сенсоры индивидуального пользования.



    1. Конструкция термоэлемента и термоэлектрического модуля Пельтье.






    Рис.4.1 - Конструкция Ge - Si термоэлемента

    Использование металлических контактов при таких температурах нецелесообразно, так как они окисляются, к тому же металл активно диффундирует в материал термоэлемента, отрицательно влияя на его свойства. В этом случае в качестве материала для коммутационных шин на горячем спае применяют сильнолегированный кремний. В качестве "припоя" могут быть использованы легированные твердые растворы Ge0,7Si0,3, температура ликвидуса которых ниже температуры солидуса материала ветви. Шины на холодном спае изготавливаются из металла, например серебра. Контакт с ветвями термоэлемента осуществляется через антидиффузионный слой легированного вольфрама, имеющего термический коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР Ge - Si. Такие термоэлементы имеют коэффициент полезного действия порядка 7% и работают при температурах до 1000 С десятки лет.

    Как показывают исследования, изменения электрофизических свойств твердых растворов Ge - Si во времени незначительно снижают эффективность термоэлементов. В связи с этим они представляют несомненный интерес для длительного использования в межпланетных космических аппаратах. Для увеличения мощности в ТЭГ используют термоэлектрические модули, образованные электрически последовательным соединением термоэлементов. С целью увеличения перепада рабочих температур и соответственно КПД в ТЭГ используют каскадные термобатареи. Такая термобатарея представляет собой набор сопряженных термоэлектрических модулей, расположенных таким образом, что горячие спаи модулей верхнего каскада термобатареи крепятся к холодным спаям модулей нижнего ее каскада.
    На рис.1.4 показана схема полупроводникового термоэлемента Пельтье. Если через этот термоэлемент пропустить ток в указанном направлении, то на спае 1 (холодном) будет поглощаться тепло Пельтье , а на спае 2 (горячем) - выделяться тепло Пельтье . Температуры холодного и горячего спаев обозначены соответственно Тх и Тг.



    Рис.1.4 - Схема полупроводникового термоэлемента



    1. Термоэлектрическая добротность материалов. Температурная зависимость термоэлектрической добротности.


    Эффективность термоэлектрических преобразователей энергии определяется в основном эффективностью материала, используемого для изготовления ветвей термоэлементов. Поэтому история развития термоэлектричества - это прежде всего история прогресса термоэлектрического материаловедения.

    Хороший термоэлектрический материал должен обладать, на первый взгляд, противоположными свойствами. Наряду с высокими значениями коэффициента термоЭДС, а следовательно, и коэффициента Пельтье, и электропроводности для уменьшения джоулева тепла, материал должен иметь низкую теплопроводность, что способствует снижению теплопереноса от горячего спая термоэлемента к холодному. Параметр, определяющий качество термоэлектрического материала, называется термоэлектрической эффективностью (добротностью) и определяется следующим образом:

    Z = 2/æ, (2.1)

    где  - коэффициент термоЭДС;  - электропроводность; æ - коэффициент теплопроводности материала.


    1. Термоэлектрический способ охлаждения. Применение, преимущества и недостатки.


    С тех пор, как полвека назад А.Ф. Иоффе разработал теорию энергетических применений полупроводниковых термоэлементов и обосновал возможность практического применения эффекта Пельтье, термоэлектрические охлаждающие устройства (ТОУ) нашли применение в различных областях жизнедеятельности человека. В ряде случаев в военной технике, медицине, электронной технике и других сферах термоэлектрический способ охлаждения является единственно приемлемым. Это, в частности, связано с тем, что в последние годы значительно увеличился удельный вес полупроводниковых приборов и интегральных схем, для охлаждения и стабилизации температуры которых используются ТОУ. Применение термоэлектрических охлаждающих устройств существенно улучшает характеристики изделий электронной техники, делает их работу надежной и стабильной, повышает быстродействие, помехоустойчивость и т.п.

    Термоэлектрические устройства обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами охлаждения, а именно: практически неограниченным ресурсом работы, отсутствием хладагентов, надежностью, малыми габаритами и весом, малой инерционностью, бесшумностью, независимостью от ориентации в пространстве, возможностью локального охлаждения, плавного и точного регулирования и статирования температуры путем изменения напряжения питания ТОУ, высокой экологичностью.

    Предельную актуальность термоэлектрический способ охлаждения приобретает в настоящее время в связи с подписанием всеми ведущими странами Монреальского протокола 1987 г., обязывающего снижать использование опасных для озонового слоя земной атмосферы фреоносодержащих газовых смесей. Основная область применения подобных газов - холодильная компрессионная техника. Единственная альтернатива на сегодня, и это признано всем мировым научным сообществом, - твердотельные тепловые насосы на полупроводниковых термоэлементах, работающие на эффекте Пельтье.

    Основным ограничивающим фактором, сдерживающим массовое применение эффекта Пельтье в системах охлаждения, является недостаточная эффективность этого способа, которая определяется в основном невысокой термоэлектрической добротностью полупроводниковых материалов на основе теллурида висмута. К сожалению, в настоящее время пока еще не найдена альтернатива этим материалам.

    В то же время необходимо отметить, что те преимущества, которые дает термоэлектрический способ охлаждения, использованы далеко еще не полностью. Об этом свидетельствует тот факт, что с каждым годом расширяются области применения эффекта Пельтье и увеличивается число новых термоэлектрических приборов.



    1. Среднетемпературные термоэлектрические материалы.


    Среднетемпературные термоэлектрические материалы используют в интервале 500  950 К. Это основная область температур, в которой работают термоэлектрические генераторы.

    Оптимальная ширина запрещенной зоны для этих материалов должна быть порядка 0,6 эВ. Однако на практике используют материалы и с меньшей шириной запрещенной зоны. Большинство материалов среднетемпературного диапазона - халькогениды. Для получения оптимальных концентраций носителей в этом температурном диапазоне требуется более высокая степень легирования по сравнению с легированием низкотемпературных материалов. По этой причине возникают технологические проблемы, связанные с тем, что предел растворимости примеси в основном материале не всегда позволяет создать оптимальную концентрацию носителей заряда.

    Рассмотрим основные среднетемпературные материалы. До температур 900 К возможно использование теллурида свинца (PbTe). Это соединение имеет решетку типа поваренной соли NaCl. Подобная структура может быть описана с помощью плотнейшей упаковки (гранецентрированной кубической), образованной анионами (в данном случае ионы теллура), во всех октаэдрических пустотах которой находятся катионы (ионы свинца) (рис.2.3).



    Рис.2.3 - Элементарная ячейка PbTe. Условные обозначения:  - Pb+; - Te


    Теллурид свинца относится к интерметаллическим соединениям с температурой плавления 922 С и плотностью при комнатной температуре 8,25 г/см3. Ширина запрещенной зоны составляет 0,3 эВ при 300 К и, в отличие от многих материалов, имеет положительный температурный коэффициент 210–4 эВ/К, что способствует расширению интервала рабочих температур для PbTe.

    В стехиометрическом составе PbTe могут растворяться как избыточные атомы свинца, так и избыточные атомы Te. В первом случае образуется материал n-типа проводимости, во втором - p-типа. Максимальная избыточная растворимость Pb и Te в теллуриде свинца порядка 1 вес.%. При легировании PbTe избытком свинца или теллура удается получить концентрацию носителей не более 31017 см–3, что недостаточно для обеспечения хороших термоэлектрических свойств. В связи с этим используются акцепторные (Ag, K, Na, Li) и донорные (Bi, Mn, Cl, Br, I) легирующие добавки. Существенно увеличить концентрацию носителей возможно введением одновременно двух примесей, например, брома и избытка свинца. С этой целью часто используют двойные добавки в виде солей, например PbBr2, PbI2. Таким образом получают концентрацию носителей заряда до 1020 см–3.

    На основе теллурида свинца возможно изготавливать эффективные термоэлектрические материалы в широком интервале температур - от 300 до 900 К. Теоретически возможное максимальное значение КПД термоэлектрических генераторов с активным материалом на основе PbTe составляет порядка 14%.

    Селенид свинца PbSe - соединение, во многом похожее на PbTe, также имеющее решетку типа NaCl. Температура его плавления составляет 1088 С, плотность - 8,1 г/см3, ширина запрещенной зоны - 0,29 эВ. С ростом температуры E так же, как и у PbTe, увеличивается, т.е. он имеет положительный температурный коэффициент, равный 10–4 эВ/К, что является благоприятным фактором для применения селенида свинца в термоэлектрических генераторах.

    Тип проводимости селенида свинца зависит от отклонения от стехиометрического состава следующим образом: при избытке свинца - n-тип проводимости, при избытке селена - p-тип проводимости. Концентрация носителей заряда, образуемая за счет отклонения от стехиометрического состава, недостаточна для того, чтобы иметь оптимальные термоэлектрические свойства при температурах порядка 900 К. В связи с этим для получения электронной проводимости используют избыток свинца с одновременным легированием PbCl2. В качестве акцепторных примесей используют мышьяк, теллур и избыток селена. Оптимальная концентрация носителей заряда увеличивается с ростом температуры. Максимальную термоэлектрическую эффективность, равную 1,2510–3 К–1, селенид свинца n-типа имеет в диапазоне температур 300  650 К. Этому значению Z при Т = 300 К соответствует термоЭДС  170 мкВ/К и электропроводность 900 Ом1см–1.

    Сравнивая термоэлектрические материалы с электронной проводимостью PbSe и Bi2Te3 - Bi2Se3, можно отметить, что применение селенида свинца целесообразно при температурах, начиная с 550 К.

    PbSe и PbTe имеют низкую механическую прочность, являются довольно хрупкими материалами, что необходимо иметь в виду при конструировании термоэлектрических генераторов.

    В отличие от рассмотренных выше халькогенидов GeTe имеет две модификации: низкотемпературную с ромбоэдрической решеткой и высокотемпературную с решеткой типа NaCl. Температура фазового перехода равна 350 С, температура плавления теллурида германия - 725 С, плотность - 6,22 г/см3.

    Соединение GeTe кристаллизуется всегда с избытком теллура (2,5 ат.% Te) и является "самолегирующимся" полупроводником. При этом избыток теллура обусловливает большую концентрацию дырок (до 91020 см–3). Данная величина значительно превышает оптимальную концентрацию носителей тока для рассматриваемого интервала температур. В связи с этим максимальная термоэлектрическая эффективность GeTe не превышает 110–3 К–1 при 850 К.

    Снижение концентрации носителей заряда до оптимальной величины в интервале температур 700  900 К достигается введением в теллурид германия атомов висмута, который обладает хорошей растворимостью в GeTe. Максимальная термоэлектрическая эффективность получается в случае, если концентрация висмута соответствует составу 95 мол.% GeTe - 5 мол.% Bi2Te3. Этот состав используется как эффективный термоэлектрический материал p-типа в области температур 600  900 К.

    Основной материал среднетемпературного диапазона - теллурид свинца - образует непрерывный ряд твердых растворов с теллуридом олова. Эти твердые растворы имеют решетку типа NaCl. Наилучшие термоэлектрические свойства рассматриваемой системы получаются для твердых растворов с электронной проводимостью, содержащих 25  30 мол.% SnTe и 75  70 мол.% PbTe. Термоэлектрическая эффективность этого материала увеличивается при его легировании PbCl2 и избытком Pb. Необходимо отметить, что твердые растворы теллуридов свинца и олова имеют лучшие механические свойства по сравнению с PbTe.


    1. Теплофизические свойства термоэлектрических материалов.



    1. Классификация термоэлектрических материалов.
    написать администратору сайта