Дослідження питання узгодження електричного навантаження з елементом Пельтьє

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Високий
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне та експериментальне дослідження питання узгодження електричного навантаження з елементом Пельтьє.

Мета роботи: визначити оптимальне електричне навантаження для елемента Пельтьє.

Завдання роботи: визначити ККД елемента Пельтьє за різних навантажень та його оптимальне значення.

Блок 2. Попередня інформація

Елемент Пельтьє – це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого базується на ефекті Пельтьє – виникненні різниці температур при протіканні електричного струму. В англомовній літературі елементи Пельтьє позначаються TEC (від англ. Thermoelectric Cooler – Термоелектричний охолоджувач).

Ефект, зворотний ефекту Пельтьє, називається ефектом Зеєбека.

У кожній речовині електрони мають властивий для неї розподіл за енергіями, який характеризується рівнем хімічного потенціалу. При контакті двох струмопровідних речовин їхні хімічні потенціали вирівнюються за рахунок перетікання частини електронів з однієї речовини в іншу. Якщо два контакти між провідниками мають однакову температуру, то перетікання електронів на одному контакті балансується аналогічним на іншому контакті й виникає термодинамічна рівновага. За неоднакової температури контактів кількість електронів, які перетікають із одного провідника в інший і навпаки, різна, тож один із провідників стає зарядженим, що призводить до протікання електричного струму.

При контакті металів ефекти Зеєбека та Пельтьє настільки малі, що  ледь помітні на тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні використовують контакт двох напівпровідників.

Елемент Пельтьє (рис. 1) складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів – одного n-типу і одного р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіда кремнію), які попарно з’єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно є термічними контактами та ізольовані непровідною плівкою або керамічною платівкою. Пари паралелепіпедів з’єднуються так, що утворюється послідовне з’єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності з’єднань (n – р), а знизу – протилежні (p – n). Електричний струм і тепло протікають послідовно крізь усі паралелепіпеди. Залежно від напрямку теплового потоку верхні контакти мають позитивний електричний потенціал, а нижні – від’ємний, або навпаки. У такий спосіб потік теплової енергії крізь елемент Пельтьє створює різницю потенціалів на його виводах.


Рис. 1. Загальний вигляд і схема елемента Пельтьє

У роботі пропонується дослідити ефект Зеєбека за допомогою елемента Пельтьє та визначити ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну. Джерелом тепла буде нагріте металеве циліндричне тіло (елемент набірного вантажу), а для охолодження пропонується використовувати теплоізольовану ємність з водою. Тоді теплову  енергію, яка проходить крізь елемент Пельтьє, можна визначити за формулою:

Q = cm⋅(t2 – t1), (1)

де с – теплоємність води, с = 4200 Дж/кг∙К;

m – маса води, кг;

t2 і t1 – відповідно кінцева та початкова температури води.

Електричну енергію EЕ, вироблену елементом Пельтьє, пропонується визначити як інтеграл добутку напруги та електричного струму – електричної потужності за час досліду за допомогою інструментів MultiLab 4.

ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елементу Пельтьє визначається за формулою:

η = (EE/Q)⋅100 %. (2)

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: елемент Пельтьє, ефект Зеєбека, електрична енергія, електричне навантаження, коефіцієнт корисної дії.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

 

Блок 3. Обладнання

комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії»; елемент набірного вантажу; магнітна мішалка; теплоізольована хімічна склянка; ПК з програмою «MultiLab 4»; аналогово-цифровий перетворювач «Einstein»; датчик напруги; датчик струму; датчик температури; з’єднувальні кабелі.

Рис. 2. Обладнання для дослідження

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Складіть дослідницьку установку за рисунками в методиці “Дослідження перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елемента Пельтьє”, але замість резистора з постійним опором 250 Ом як навантаження встановіть змінний резистор опором 1 кОм.
  2. Проведіть вимірювання за зазначеною методикою за різних положень ручки резистора (не менше 5, зокрема двох крайніх положень).

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
t1, °С t2, °С Q, Дж EЕ, Дж η, %
1
2
3
4
5
  1. За формулою (1) визначте кількість теплоти.
  2. За формулою (2) визначте ККД елемента Пельтьє.
  3. Побудуйте графік залежності струму елемента Пельтьє від напруги (його ВАХ) та графік залежності ККД елементу від напруги.
  4. Користуючись отриманими графіками та рівнянням закону Ома, визначте, який опір навантаження за цих умов відповідатиме максимальній ефективності елемента Пельтьє.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Визначте співвідношення напруги та струму елемента Пельтьє, що відповідають максимальній ефективності з напругою холостого ходу та струмом короткого замикання.
  2. Опишіть можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.