Дослідження перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елемента Пельтьє

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
2. Дослідити процес перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елемента Пельтьє.
3. Визначити ККД перетворення.
4. Зробити висновки за результатами досліджень.

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.

Основні терміни та поняття

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ. КОНТАКТНА РІЗНИЦЯ ПОТЕНЦІАЛІВ. ЯВИЩЕ ПЕЛЬТЬЄ Енергія, робота і теплота Потужність електричного струму РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Коефіцієнт корисної дії

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для дослідження перетворення теплової енергії на електричну

Рис. 2. Схема електричного навантаження елемента Пельтьє

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 абревіатурою 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 із 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 з 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 на практиці використовують контакт двох напівпровідників.

Елемент Пельтьє (рис. 3) складається з однієї або більше пар невеликих напівпровідникових паралелепіпедів – одного n-типу і одного р-типу в парі (зазвичай телуриду вісмуту Bi₂Te₃ та германіду кремнію), які попарно з’єднані за допомогою металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами та ізольовані непровідною плівкою або керамічною платівкою. Пари паралелепіпедів з’єднуються так, що утворюють послідовне з’єднання багатьох пар напівпровідників з різним типом провідності; при цьому вгорі розташовані одні послідовності з’єднань (n – р), а внизу – 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. Отже, потік теплової енергії крізь елемент Пельтьє створює різницю потенціалів на його виводах.

Рис. 3. Загальний вигляд та 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 = c⋅m⋅(t₂ – t₁), (1)

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

m – маса води, кг;

t₂ та t₁ – відповідно кінцева та початкова температури води.

Електричну енергію E_Е, вироблену елементом Пельтьє, пропонується визначити як інтеграл добутку напруги та електричного струму за допомогою інструментів MultiLab 4.

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

η = (E_E/Q)⋅100 %. (2)

Хід роботи

1. З комплекту PHYWE «Відновлювані джерела енергії» зберіть схему відповідно до рис. 2 та підключіть до неї елемент Пельтьє.
2. До зібраної схеми підключіть датчики напруги – паралельно та струму – послідовно.
3. Візьміть теплоізольовану склянку, залийте до неї 100 мл (0,1 кг) води, встановіть у її кришку датчик температури та закрийте.
4. Підключіть аналогово-цифровий перетворювач «Einstein» до ПК.
5. З’єднайте датчики з аналогово-цифровим перетворювачем.
6. Запустіть програму «MultiLab 4» та впевніться, що датчики сили струму, напруги та температури автоматично розпізнані. Вимкніть решту датчиків, прибравши галочки з відповідних клітинок.
7. Здійсніть налаштування реєстратора:

          – зайдіть у меню «Повні налаштування»;

          – оберіть частоту вимірів – кожну секунду та кількість вимірів – 200.

8. Покладіть на магнітну мішалку елемент набірного вантажу масою 100 г та увімкніть її на нагрівання.
9. Здійсніть нагрівання вантажу протягом 3–5 хв.
10. Вимкніть нагрівання мішалки, покладіть елемент Пельтьє на вантаж написом донизу, а на елемент Пельтьє поставте теплоізольовану ємність з водою (рис. 4) та встановленим датчиком температури.

Рис. 4. Розміщення елементу Пельтьє і теплоізольованої склянки з водою

11. Натисніть у вікні програми кнопку «Пуск», переконайтеся в початку запису даних та дочекайтеся закінчення запису.
12. Відкрийте нове вікно, для чого зайдіть у меню «Вид» та оберіть команду «График».
13. За допомогою курсору перенесіть графік зміни температури в часі (зі списку наборів даних у нижньому лівому куті) до нового вікна.
14. У новому вікні за допомогою курсору зчитайте початкову та кінцеву температури води у склянці; закрийте вікно.
15. У початковому вікні зайдіть у меню «Функции» – «Мастер анализа» та оберіть функцію добутку.
16. Установіть перший множник – «Набор данных – напряжение» та другий множник – «Набор данных – сила тока», натисніть «Ok».
17. Відкрийте нове вікно, для чого зайдіть у меню «Вид» та оберіть команду «График».
18. За допомогою курсору перенесіть графік зміни добутку напруги та сили струму в часі (зі списку наборів даних у нижньому лівому куті) до нового вікна.
19. У новому вікні зайдіть у меню «Функции» – «Мастер анализа» та оберіть функцію інтегрування.
20. Встановіть підінтегральну функцію – «Набор данных – произведение напряжения и силы тока», натисніть «Ok». Ви маєте отримати другий графік у новому вікні.
21. Зчитайте з останнього графіку результат інтегрування, помістивши курсор до найвищої його частини. Результатом інтегрування буде електроенергія у мДж, вироблена елементом Пельтьє протягом досліду.

Аналіз даних

1. Розрахуйте за формулою (1) теплову енергію, яку отримала вода у склянці через елемент Пельтьє.
2. Переведіть електроенергію, вироблену елементом Пельтьє, з мДж у Дж та за формулою (2) обчисліть ККД перетворення.
3. Дійдіть висновків щодо ефективності процесу перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елементів Пельтьє.

Таблиця результатів

m = 0,1 кг