Conversia Energiei Termoelectrice Numele Autorului Giurete Angelica

RezumatConversia termoelectrica este o metoda de conversie directa a energiei termice in energie electrica pe baza efectelor termoelectrice: Seebeck (1822), Peltier (1934) si Thomson (1856).\Fenomenul de generare a unei tensiuni electromotoare la capetele libere a doua materiale sudate la un capat, aflate la temperaturi diferite a fost utilizat mai intai pentru masurarea temperaturilor cu ajutorul termocuplelor.

Thermoelectric Energy ConversionAuthor Name : Giurete Angelica

Abstract

Thermoelectric conversion is a method of direct conversion of thermal energy into electrical energy based on thermoelectric effects : Seebeck ( 1822 ) , Peltier (1934 ) and Thomson ( 1856 ) The phenomenon of generating an electric voltage at the free ends of the two materials welded at one end , at the different temperatures was first used to measure temperatures by means of thermocouplesT

1. Introducere1.1 Ce este energia ?

Energia este unul dintre cele mai profunde si utile concepte descoperite de om. Intelegerea sa corecta prezinta o importanta esentiala nu numai pentru energeticieni, dar si pentru intreaga societate umana in calitate de beneficiar al ei.

Din punct de vedere etimologic termenul de energie provine din cuvantul grec “energhia”, respectiv din cel latin “energia”, care aveau intelesul de “activitate”.

Totalitatea experimentelor acumulate in decursul secolelor de catre omenire au condus la concluzia ca formele de miscare ale materiei, caracterizate de interactiunile care se maifesta permanent in univers, se transforma reciproc unele in altele, in raporturi cantitative strict determinate. Acest fapt a permis pe de o parte introducerea notiunii de energie ca o masura comuna si generala a miscarii materiei, iar pe de alta parte enuntarea uneia dintre cele mai generale legi din natura cunoscuta sub numele de “legea conservarii si transformarii energiei”.

Istoria evolutiei conceptului de energie este lunga si incepe cu Leibnitz (1646-1716) care a introdus notiunea de “forta vie” pentru a desemna cantitatea mv2 ce aparea in calculele sale mecanice. Termenul de energie este folosit pentru prima data de Kepler (1571-1630) insa in sensul de putere care emana din corpuri.. In sensul actual este utilizat mai intai de Yuong (1773-1829), care inlocuieste expresia de “forta vie” prin energie. Ulterior Thomson (lord Kelvin)

(1824-1907) introduce termenul de energie cinetica, iar inginerul scotian Rankine (1820-1872) pe cel de energie potentiala si cel de energie interna, ultimul termen a fost numit de Clausius (1822-1888) continut de caldura. Poncelet (1788-1867) defineste notiunea de lucru mecanic pentru produsul scalar dintre vectorii forta si deplasare, contribuind astfel la premizele descoperirii legii conservarii energiei (principiul I al termodinamicii)

Clarificarea finala a conceptului de energie îi apartine lui Planck (1858-1947), care in cartea sa “lectii de termodinamica”, aparuta in 1897 da urmatoarea definitie pentru energie: sub numele de energia unui corp sau a unui sistem de corpuri se intelege o marime care depinde de starea fizica instantanee in care se gaseste sistemul. Pentru a putea exprima energia sistemului intr-o stare data printr-un numar determinat, trebuie fixata o anume “stare normala” (de exemplu 0ºC, presiune normala) a sistemului, fixare de altfel absolut arbitrara. Dupa aceasta, energia sistemului in stare data, raportata la starea arbitrara fixata este egala cu suma echivalentilor mecanici ai tuturor actiunilor produse in afara sistemului cand aceste trece intr-un mod oarecare de la starea data la starea normala.

1.2. Energia termoelectricaConversia termoelectrica este o metoda de conversie directa a energiei termice in energie electrica pe baza efectelor termoelectrice: Seebeck (1822), Peltier (1934) si Thomson (1856).

Fenomenul de generare a unei tensiuni electromotoare la capetele libere a doua materiale sudate la un capat, aflate la temperaturi diferite a fost utilizat mai

intai pentru masurarea temperaturilor cu ajutorul termocuplelor.

Fata de convertoarele clasice, generatoarele termoelectrice prezinta o serie de avantaje:

•  nu contine parti mobile, lucru care conduce la sporirea fiabilitatii;

• au structura modulara permitand realizarea de puteri de la W la kW;

• functioneaza la temperaturii ridicate a sursei calde la peste 600°C (temperatura limita a ciclurilor clasice) ceea ce duce la cresterea randamentului de conversie.

Principalul dezavantaj il reprezinta randamentul global de conversie scazut si generarea de tensiune continua, deci necesita convertoare cc/ca.

Coblentz a realizat in 1922, termocuple din cromel-constantan, care aveau insa un randament de conversie a energiei termice in energie electrica de 0,008%. Ulterior au fost realizate convertoare din ZnSb, BiSb cu randamente de 0,59%.

Dupa 1950 o data cu aparitia si perfectionarea materialelor semiconductoare, efectele termoelectrice au fost utilizate pentru generarea energiei electrice, dar si pentru producerea de frig sau caldura.

Generatoarele termoelectrice s-au dezvoltat pe baza compusilor de tipul Bi2Te3 (telura de bismut) cunoscand un randament de conversie scazut (maxim 5%), din cauza domeniului de temperatura scazut.

Descoperirea telurii de plumb ca material termoelectric a permis extinderea

domeniului de lucru pana la temperaturi de 500°C, ajungandu-se la un randament de pana la 8 %.

Utilizarea aliajelor Si-Ge a ridicat temperatura de lucru a sursei calde la aproximativ 1000°C, determinand sporirea randamentului de conversie la 10%. Realizarea unor sisteme multietajate a permis obtinerea unor randamente globale de 16%.

La baza functionarii unui convertizor stau efectele Seebeck, respectiv Peltier. Pentru a tratarea completa a functionarii acestor convertizoare este necesara considerarea celorlalte efecte termice care le insotesc: efectele Thomson, Joule si conductia caldurii

2.1.Efectele termoelectrice

Efectul Seebeck consta in generarea unei tensiuni electromotoare (t.e.m.) intr-un circuit realizat din doua metale sau semiconductoare diferite, atunci cand intre cele doua puncte de imbinare (jonctiuni) se stabileste (aplica) o diferenta de temperatura DT=Tc-Tr(figura 1) [9].

Aceasta diferenta de temperatura este mentinuta cu ajutorul unor surse calde (SC) respectiv surse reci (SR).

Expresia tensiunii electromotoare care apare este data de relatia:

(1)

aAB= -aBA - coeficientul Seebeck (sau putere termoelectrica) valoarea lui depinzand de cele doua materiale A si B, precum side temperatura..

Daca diferenta Tc si Tr nu este prea mare, expresia tensiunii electromotoare devine:

(2)-

Daca circuitul de mai sus este inchis pe o rezistenta de sarcina R, tensiunea UeAB va determina aparitia unui curent:

(3)

r = rA+rB+rj– rezistenta interna a sursei astfel formate, [W];

U – tensiunea la bornele sursei, [V]

2.2. Convertoare termoelectrice

Un convertizor termoelectric este format din doua bare semiconductoare A si B, una de tip n si cealalta de tip p, unite intr-o parte printr-o jonctiune metalica calda, aflata la temperatura Tc, si pe cealalta parte de doua jonctiuni reci, mentinute la Tr < Tc de o sursa rece, care poate fi de exemplu mediul ambiant [13].

Fig. 1. Convertor termoelectric

a – schema constructiva; b – schema echivalenta

In aceste conditii se observa ca atunci

cand se incalzeste jonctiunea calda care leaga intre ele cele doua elemente semiconductoare, caldura cedata sarcinii electrice duce la cresterea agitatiei termice, deci implicit la cresterea vitezei de deplasare a electronilor si a golurilor.Astfel in bara n concentratia si viteza medie a electronilor (purtatorilor majoritari) este mai mare la extremitatea calda decat la extremitatea rece; rezulta o difuzie de electroni din regiunea calda catre regiunea rece, deci apare curentul in, acelasi rationament se aplica la difuzia golurilor (purtatorilor majoritari) din bara p, caruia ii corespunde un curent ip.

Daca este depasit pragul care corespunde energiei de conductie, si care sa asigure o anumita acceleratie, electroni din conductorul n se vor deplasa spre capatul rece al elementului semiconductor. Datorita aglomerarii care se va crea in zona rece a semiconductorului n, va apare un proces de difuzie a acestor electroni prin jonctiune, in conductorul exterior, electronii trecand prin rezistenta de sarcina, si ajungand la jonctiunea rece a semiconductorului de tip p.

Aici se vor combina cu golurile in exces aparand o circulatie de sarcina din aproape in aproape, circuitul inchizandu-se prin jonctiunea calda. Se remarca faptul ca, atunci cand sarcinile electrice primesc sau cedeaza energie termica, apare o racire, respectiv o incalzire a jonctiunii respective.

Daca se are in vedere ca aAB=anp=aA-aB=an-ap, aA, aB fiind coeficientii Seebeck ai celor doua materiale se obtine:

\(4)

Daca materialele din care sunt facute elementele semiconductoare sunt alese astfel incat unul din coeficienti sa aiba valoarea negativa (de exemplu an < 0), iar celalalt coeficient valoare pozitiva (ap > 0) se observa ca se poate obtine un coeficient Seebeck de valoare mai mare, deci o tensiune electromotoare generata mai mare.

Efectul Peltier sta la baza constructiei refrigeratoarelor termoelectrice si consta in absorbtia sau generarea unei cantitati de caldura, atunci cand jonctiunea celor doua materiale diferite este parcursa de un curent electric. Se observa ca efectul Peltier apare in prezenta efectului Seebeck [9].

Deci in cazul prezentat anterior, pentru ca purtatorii de sarcina electrica sa treaca din materialul A in materialul B, este necesar sa absoarba de la sursa calda o cantitate de caldura pe care sa o cedeze la sursa rece (regim de generator termoelectric).

Fenomenul este reversibil, absorbtia si cedarea de caldura depinzand de sensul curentului electric. Astfel in regim de refrigerator, caldura este preluata de la sursa rece si cedata sursei calde.

Cantitatea de caldura absorbita sau generata, prin efectul Peltier, in unitatea de timp este proportionala cu intensitatea curentului si depinde de sensul curentului:

(5)

pAB - coeficientul Peltier – depinde de natura materialelor si de temperatura la care sunt supuse acestea.

Se observa ca daca cele doua elemente sunt construite din acelasi material, fenomenul poate fi reversibil prin schimbarea sensului curentului, situatie in care se poate scrie:

pAB = -pBA

3. Pile termoelectriceObtinerea energiei electrice prin conversia directa a energiei termice cu ajutorul pilelor termoelectrice (fig. 10.2) se bazeaza pe efectul termoelectric ( efectul Seebeck).

. .

E

Contact metalic

x

x

x

- +

.

.

Fig.1. 1 Producerea tensiunii electromotoare la o pila termoelectrica

Fenomenul de aparitie a unei tensiuni electromotoare intr-un circuit format din doua metale sau semiconductoare, in cazul in care intre cele doua puncte de imbinare ale lor (jonctiuni) se stabileste o diferenta de temperatura ΔT, se numeste efect Seebeck.

ΔU=αΔT

Diferenta de potential care apare intre cele doua extremitati este proportionala cu diferenta de temperatura. Coeficinetul

de proportionalitate poarta numele de coeficient Seebeck, iar valoarea sa depinde de temperatura si caracterizeaza materialul respectiv.

Coeficientii Seebeck ai metalelor sunt foarte mici spre deosebire de ce ai semiconductoarelor care au valori mai mari, de exemplu pentru siliciu α = 415,6μV/grad.

Daca la un semiconductor de tip p, cu coeficientul Seebeck αsem, se mentine extremitatea din stanga la o temperatura T1 , iar cea din dreapta la temperatura T2 mai mica , atasand doua contacte din acelasi metal cu coeficient Seebeck αmet si intercaland un voltmetru in circuit, la acesta se va putea citi valoarea tensiunii electromotoare produse :

E = (αsem - αmet ) ΔT so deoarece αsem >> αmet rezulta:

E = αsem . ΔT

O pila termoelectrica cu semiconductoare are structura schematizata in fig. 3, fiind formata din doua corpuri semiconductoare, unul de tip n si altul de tip p in legatura termica si electrica prin intermediul unor electrozi metalici. Unul dintre electrozi constituie jonctiunea calda mentinuta la temperatura T1 = Tc cu o sursa de caldura (gaze, radioizotopi, combustibili nuclear, energie solara). Celalalt electrod este jonctiunea rece, mentinuta la temperatura T2 = Tr < Tc cu un dispozitiv de racire.

Efectul Seebeck conduce la aparitia unei t.e.m. proportionala cu diferenta de temperatura ΔT = Tc – Tr = T1 – T2 .

p n

Tc

Tr

+ -

Q1

Q2

x

x

I

Generator Sarcina

.

.

E

rR

Fig. 10.3 Pila termoelectrica cu semicoductoare

Pila termoelectrica este echivalenta unui generator E, de rezistenta interna r, ce poate furniza o putere electrica P = U.I unei rezisente de sarcina R., daca se mentine diferenta de temperatura ΔT. Pentru aceasta jonctiunea calda primeste flxul termic Q1 , iar jonctiunea rece cedeaza fluxul termic Q2. Puterea maxima se obtine la adaptarea generatorului cu sarcina (r = R). si atunci :

Pmax = E2 /4r.

Randamentul maxim al temocuplului este:

η max = P max /Q1 .

Se poate arata ca :

η max =( T1 –T2)/ T2 f(Z. Tm ) in care

Tm = (T1 +T2)/2

Randamentul este deci proportional cu cel al ciclului Carnot corespunzator temperaturilor T1 si T2 si cu o functie f de produsul (Z. Tm ) al temperaturii medii cu asa numitul factor de calitate al semiconductorului Z. Acest factor depinde numai de proprietatile semiconductorului ( Z= α2 /ρλ, unde α este coeficientul Seebeck, ρ este rezistivitatea si λ este conductivitatea termica a semiconductorului).

Un semiconductor este cu atat mai bun pentru conversia termoelectrica cu cat are un Z mai mare si rezista la temperaturi mai ridicate. In ce priveste semiconductoarele utilizate pentru pile termoelectrice ele sunt fie cu siliciu sau cu germaniu, care pot functiona la temperaturi ridicate, au rezistenta mecanica mare si coeficient de dilatare mic.

Mai pot fi folosite si alte materiale semiconductoare cum ar fi antimoniura de iridiu (Ir Sb), arseniura de iridiu (Ir As) , arseniura de galiu ( GaAs).

Pentru materialele obtinute pana in prezent s-au obtinut factori de calitate de Z = 10-3 grd-1 si se tinde ca prin cercetari in domeniul tehnologiei materialelor semiconductoare sa se obtina materiale cu factori de caliate Z= 10-2 grd-1 in care caz performantele pilelor termoelectrice ar deveni competitive cu cele ale generatoarelor clasice.

Din punctul de vedere al realizarilor constructive ale instalatiilor termoelectrice, se urmareste marirea tensiunii de functionare pana la valori uzuale si micsorarea pe cat posibila a pierdrilor de caldura, deci o cresterea a randamentului.

Instalatiile termoelectrice au in general un cost ridicat din cauza materialelor termoelectricve dificil de realizat.

Pilele termoelectrice au un domeniu larg de aplicare in echipamente care trebuie sa functioneze timp indelungat fara aport continuu de energie primara (instalatii spatiale, instalatii in regiuni greu accesibile). In domeniul puterilor mici (intre 1 si 1000W) pilele termoelectrice folosind gazul drept combustibil sunt mai economice decat instalatiile clasice. Randamentul generatoarelor termoelectrice a ajuns la 14% si este in continua crestere prin imbunatatirea calitatii materialelor termoizolante.

Se urmareste in continuare marirea puterii generatoarelor termoelectrice datorita avantajelor lor deosebite privind autonomia de functionare si fiabiltatea.

4. ConcluzieGeneratorul termoelectric are o serie de avantaje: silentios si lipsit de vibratii, cheltuielile de intretinere reduse si sistemul de comanda nu prea complicat.In ultima perioada s-a constatat o diversificare foarte mare a aplicatiilor acestor tipuri de generatoare; in domenii de puteri de la cativa microwati in cazul aplicatiilor in medicina umana pana la propuneri de instalatii de ordinul zecilor sau chiar sutelor de kilowati in cazul generatoarelor termoelectrice nucleare.Dintre domeniile de aplicatie ale generatoarelor termoelectrice amintim [38]:1 in aviatie: pentru alimentarea cu energie a echipamentelor de control permanent a stabilitatii radioului de inalta frecventa si a microundelor care servesc la orientare;1 sisteme de emisie si comunicatii, pentru alimentarea cu energie electrica a echipamentelor de emisie - receptie, precum si a statiilor releu de transmisie;1 alimentarea cu energie electrica a echipamentelor de la statiile de masurare a apei in centrale economice in hidrometalurgie, metrologie, geologie.In cazul misiunilor spatiale s-au folosit convertizoare cu izotopi radioactivi, caracterizate prin durata mare de viata si capacitati mari de stocaj. Se mentioneaza seriile de fabricatie americana (SNAP) cu T=814K, ruseasca cu T=1270K folosite

la alimentarea statiilor meteorologice, a radio releelor, a balizelor marine, semnalizari faruri

5. Bibliografie

1.Mircea Guşă. Energetică generala. Editura Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi.Iaşi. 1993

2. George Darie, Paul Ulmeanu , Producerea Energiei Electrice si Termice

3.http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/energetica/energetica-si-conversia-energiei-202363.html?s=energet%20produc%20energ

4.http://www.rasfoiesc.com/educatie/fizica/Conversia-termoelectrica-conve41.php

Coordonatele fiecărui autor:Prenumele şi NUMELE Giurete AngelicaTitlul ştiinţific Conversia energiei termoelectriceSocietatea /Instituţia /Univ.Depart.Secţie/Fac./Cat.

Universitatea Politehnica Bucuresti „Facultatea deEnergetica „ Îngineria Mediului Grupa 2214 C

Adresa poştală completă (profesională)Telefon fixTelefon mobil 0760090616e-mail giurete.angelica23@gmail.com