Mi az a Peltier hőelem?

Ez olyan félvezetőkből álló eszköz, mely elektromos egyenáram hatására hőt szállít az egyik oldaláról a másikra. Egyre elterjedtebben alkalmazzák különböző hűtési célokra, pl. a mikroprocesszorok felesleges hőjének az elvezetésére.

1. ábra. Különböző méretű Peltier hőelemek

 

A nagyobb teljesítmény elérésére több N és P típusú félvezetőt kapcsolnak sorba.

2. ábra. Peltier elemek sorba kapcsolva

 

Kicsit közelebbről az építőelemek így néznek ki:

3. ábra. A Peltier hőelem építőelemei (félvezető darabkák)

 

Bővebben pl. itt találsz információkat a Peltier hőelemekről.

 

Mi azonban pont ellenkező célra akarjuk használni ezeket a hőelemeket, azaz a két oldalán megjelenő hőmérsékletkülönbségből adódó elektromos áramot szeretnénk hasznosítani.

A működési elve nagyon hasonlít a napelemekéhez, itt is egy külső energiaforrás, jelen esetben hő (nem pedig napfény) hozza mozgásba a félvezető elemek kristályszerkezetében a szabad elektronokat. Hogy ez tényleg működőképes, arról itt láthatsz egy kísérletet.

 

A Peltier modulok hatásfoka

Ha a modulokat az eredeti rendeltetés szerint használjuk, akkor a hatásfoka a hőmérsékletkülönbség függvényében 40-70 %, de speciális módszerekkel akár 100 % fölé is vihetjük! (Erről itt olvashatsz.) Ez eddig nem is meglepő, hiszen itt hőszivattyúként üzemel.

Amikor viszont fordított módon, azaz termoelemes generátorként használjuk, akkor ez a hatásfok lezuhan 3-5 %-ra.

Egy Peltier elemekből álló hőgenerátor tervezésénél elsőként azt kell kiszámítanunk, hogy hány elemes modulra van szükségünk adott feszültség előállításához. Az építőelemek (félvezetők) száma:

N = (5000 * U) / DT

ahol:

Ebből kifejezhetjük U-t:

U = (N * DT) / 5000

Az is fontos paraméter, hogy mekkora áramot vehetünk le a modulról. Ez magának a modulnak a geometriai kialakításától függ, amit geometriai faktornak hívunk:

G = (10 * I) / DT

ahol:

A geometriai faktor kiszámításához ismernünk kell a modulban lévő építőelemek, azaz félvezetők fizikai méreteit. Ezt, akárcsak az építőelemek számát (N) a hőelem elnevezéséből tudhatjuk meg. Az elnevezés dekódolásához a következő táblázat nyújt segítséget, ahol példának a PE-127-14-11 jelű modult használtuk.

P E 127 14 11
 

E: Standard
F: magas hőmérsékletű

 építőelemek száma (N) építőelemek szélessége (Sz) és hosszúsága (H) 0,14 cm építőelemek magassága (M) 0,11 cm

1. táblázat. A hőelemek jelölésének magyarázata

 

A geometriai tényező másik képlettel kifejezve:

G = (Sz * H) / M

ahol:

Összevonva az előbbi két képletet a következő egyenlethez jutunk:

(Sz * H) / M = 10 * I / DT

Ebből könnyen kifejezhetjük a modulról levehető áramot:

I = (Sz * H * DT) / (10 * M )

A modul hatásfokát a következő képlettel számíthatjuk ki:

h = (U * I) / (0,03 * N * DT * G)

ahol:

Van egy másik, kevésbé pontos képlet, de jó közelítéssel használható gyors számításokhoz.

h = DT / 1500

 

Vegyünk egy példát, melyben a fentebb említett PE-127-14-11 jelű modult használjuk. A hőmérsékletkülönbség előállítására ugyanazt a hőszivattyút vegyük, amit az előző oldalon már ismertettünk. A hőszivattyú kimenetén megjelenő 55 °C-os vizet vezessük a hőelem egyik oldalára, a másikat pedig hűtsük a kútban lévő kb. +5 °C-os vízzel. Ekkor a hőmérsékletkülönbség DT = 55 °C - 5 °C = 50 °C. A valóságban azonban nem tökéletes a hőátadás, ezért mind a két oldalon számolhatunk 5 °C-os veszteséggel, emiatt a Peltier elemre jutó hőmérséklet különbség DT = 50 °C - 5 °C - 5 °C = 40 °C.

A modul kapcsain mérhető feszültség:

U = (N * DT) / 5000

U = (127 * 40) / 5000 = 1,016 V

 

A modulból levehető áram:

I = (Sz * H * DT) / (10 * M )

I = (0,14 * 0,14 * 40) / (10 * 0,11 ) = 0,71 A

 

A modul geometriai tényezője:

G = (Sz * H) / M

G = (0,14 * 0,14) / 0,11 = 0,178

 

A modul hatásfoka ezek szerint:

h = (U * I) / (0,03 * N * DT * G)

h = (1,016 * 0,71) / (0,03 * 127 * 40 * 0,178)

h = 0,0265 = 2,65 %

A közelítő képletet alkalmazva:

h = DT / 1500 = 40 / 1500 = 0,0266 = 2,66 %

Hogyan lehetne ezt a hatásfokot javítani? Az egyből kínálkozó lehetőség a DT hőmérsékletkülönbség megnövelése. Ez azonban csak bizonyos hőmérsékleti határokig érhető el. A modulok meleg oldali maximális hőmérséklete a standard modulnál 65 °C, míg a magas hőmérsékletű modulnál 120 °C. Az azonos méretű standard és magas hőmérsékletű modulok között az árdifferencia csak 15 %, míg a kivehető teljesítmény a duplájára nőhet.

Ha el tudjuk érni azt, hogy a hőmérsékletkülönbség a duplája lesz, azaz a mi esetünkben DT = 2 * 40 °C = 80 °C, akkor a hatásfok h = 80 / 1500 = 0,053 = 5,3 %-ra növekszik.

A fenti számítási módszert innét vettem.

A hőmérsékletkülönbség növelésére persze nem csak az a módszer áll a rendelkezésünkre, hogy növeljük a meleg oldali hőmérsékletet, hanem az is, hogy csökkentjük a hideg oldalit vagy akár kombináltan, azaz a hideg oldalon csökkentjük, a meleg oldalon pedig növeljük a hőmérsékletet. Az is fontos szempont, hogy hogyan csatlakozik a Peltier hőelem a környezethez. Megfelelően jó illesztés esetén a közeg és a hőelem közötti hőátadási tényező javítható, ami végső soron a hatásfok növekedését eredményezi.

 

A maximálisan elérhető 225 °C-os hőmérsékletkülönbség emeletes megoldásban is csak maximum 225 / 1500 = 0,15 = 15 %-os hatásfokot eredményez. Ehhez képest a hőszivattyúk átlagos hatásfoka 400 %. Ha tehát kombináljuk a hőszivattyút és a hőelemeket, akkor a rendszer teljes hatásfoka 0,15 * 4 = 0,6 = 60 %. Elméletileg ez azt jelentené, hogy a rendszer fenntartásához még 40 %-nyi energiát kellene kívülről befektetnünk.

Ez a módszer tehát nem a legmegfelelőbb áramtermelésre.

 

 

Utolsó frissítés dátuma: 2005. április 08.