UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

Efecte Termoelectrice

Studenta: Moldoveanu Cristina

Facultatea de Inginerie Electrică

Anul II, Grupa 123A

1. Notiuni teoretice:Efectele termoelectrice sunt efecte care apar în conductoarele strabatute de curent

electric în prezenta unui gradient de temperaturã, sunt rezultatul interdependentei între curentul electric si curentul caloric.Acest efect poate fi folosit pentru a genera electricitate, pentru a masura temperatura si a pentru a raci obiectele. Din cauza directiilor de racire sau incalzire determinate de sensul tensiunii aplicate, efectul termoelectric controleaza foarte bine temparatura.

Existã trei efecte termoelectrice: - efectul Seebeck,

- efectul Thomson

- efectul Peltier.Efectul Seebeck este conversia directa a diferentei de temperatura in electricitate. La

curent electric nul apare o tensiune (forta) electromotoare daca gradientul termic este nenul. Efectul Seebeck constã în aparitia unei tensiuni electromotoare într-un circuit format din douã materiale diferite, ale cãror contacte (suduri) sunt mentinute la temperaturi diferite. Un calcul exact ale acestei tensiuni electromotoare se face în cadrul teoriei fenomenelor de transport. Tensiunea termoelectromotoare (Seebeck) depinde de natura conductoarelor si de diferenta de temperaturã între cele douã suduri.

E   unde α reprezintã coeficientul Seeback 

Coeficientul Seebeck este definit ca tensiunea de mers in gol produsa intre doua puncte pe un conductor in lugul caruia exista o distributie monotona, uniforma de temperatura - intre cele doua puncte caderea de temperature este 1K.

In circuitul:

,

unde:

- SA, SB sunt coeficientii Seebeck ai metalelor A si B;- T1,T2 temperaturile celor doua parti ale jonctiunii.

Daca luam coeficinetii Seebeck constanti pentru a masura gradul temperaturii,tensiunea devine:

Tensiunea Seebeck depinde de natura conductoarelor si de gradientul de temperatura.Fluxurile de caldura (Jq) si de sarcina electrica (Je) ce pot aparea intr-un sistem

termodinamic sunt independente, fiecare fiind functie liniara de fortele termodinamice determinate de gradientii de temperatura (T) si potentialul electric (V= -E) din sistem:

Unde Lij (cu I, j = 1,2 ) sunt coeficienþi fenomenologici si, conform principiului de

reciprocitate Onsager,L21 =L12 . De asemenea, s-a admis existenta fortelor termodinamice:

Efectul Seebeck are aplicatii la confectionarea termocuplelor, dispozitive care sunt

folosite la mãsurarea temperaturilor. Materialele din care sunt confectionate termocuplele sealeg în functie de intervalul de temperatura, de precizia necesarã, de cost, durata de viatã etc.

Aceste materiale sunt metale pure sau aliaje si dau denumirea termocuplului respectiv: platina: rhodiu-platina, nichel: crom-nichel, fier-constantan, cupru constantan, cromel-alumel, cromelcopel etc (vezi tabelul 2 de mai sus - Tabele cu valori ale coeficientului Seebeck si ale tensiunii Seebeck).

Termocuplele realizate din semiconductori se utilizeazã numai în anumite domenii detemperatura si, de asemenea, pot fi folosite pentru constructia asa numitelor termoelemente,dispozitive care transformã energia termicã în energie electricã prin efect Seebeck.

Dacã temperatura sudurii reci este mentinutã constantã (de obicei prin introducerea eiîntr-un amestec de apã cu gheatã, astfel încât T1=273 K), tensiunea Seebeck va fi functienumai de temperatura sudurii calde T2 :

Daca in aceste conditii se masoarã experimental valorile tensiunii Seebeck UAB la

diferite temperaturi ale sudurii calde T2 si se reprezintã grafic dependenþã într-un sistemcoordonate ( U AB ,ΔT) se obtine o curbã numitã curba de etalonare a termocuplului.

Efectul Peltier consta in conversia energiei termice in tensiune electica si viceversa. Are loc când curent trece prin doua metalele sau semiconductoarele (unul tip n si unul de tip p) care sunteti conecteti unul cu altul intr-o jonctiune ( jonctiunile Peltier). Curente conduce un transfer de caldurã de la una din jonctiune la cealta si astfel are loc transferul de caldura de la o jonctiune la cealalta.Acest efect a fost observat în 1834 de Jean Peltier, 13 ani dupa descoperirea lui Seebeck..Acesta este opusului efectului Seebeck.

Coeficientul Peltier P al jonctiunii e definit ca energie termica cedata sau absorbita reversibil la jonctiunea dintre cele doua metale cand aceasta e traversata de cantitatea de electricitate unitate([P]SI = J/C = V).

,

unde:

- Π AB este coeficinetul Peltier a intregului termocuplu;- ΠA, ΠB sunt coeficientii Peltier pentru fiecare material in parte.Coeficintii Peltier reprezinta cantitatea de caldura ,creata de curent, care este cedata materialului.

O consecinta interesanta a acstui fenomen este faptul ca transferul de caldura este controlat de sensul de curgere al curentului (de polaritate).Una din apictiile practice ala efectului Peltier este coolerul Peltier. Efectul Peltier este folosit la realizarea minifrigiderelor.

) descopera ca intr-un conductor omogen ale carui capete se afla la temperaturi diferite se produce sau se absoarbe in mod reversibil caldura proportionala cu cantitatea de electricitate deplasata "q” efectul Thomson .

Coeficientul Thomson "h" al unui material reprezinta cantitatea de caldura absorbita sau generata reversibil cand sarcina electrica unitate traverseaza doua puncte din material a caror temperatura difera cu un grad Celsius sau Kelvin ([h]SI = J/(C·K) = V/K, util µ V/ oC).

h = cv/(n·e) = (2/2)·(T/TF)·kB/e        

Trebuie precizat clar ca efectul Thomson este altceva decat efectul Joule. In efectul Joule materialul se incalzeste sub actiunea curentului electric, se genereaza caldura in mod ireversibil,

indiferent de sensul curentului electric si proportional cu patratul intensitatii lui, iar in efectul Thomson se poate genera sau absorbi caldura in mod reversibil, depinzand de sensul curentului electric si proportional cu intensitatea lui.

William Thomson a explicat (1854) efectele Seebeck si Peltier si relatia dintre ele.

Efectul Seebeck este o combinatie intre efectele Peltier si Thomson: .

Efectul Peltier este deasemenea cunoscut si ca efect Peltier-Joule deoarece au la baza acelasi principiu, adica la trecerea unui curent electric nenul print-un conductor apare un flux de caldura. Incalzirea este generata de aplicarea unei tensiuni unui material rezistiv, dar asta nu inseamna ca intotdeauna determina un efect termoelectric. Aici se face diferenta intre cele doua efecte: Peltier si Joule. Efectele Peltier-Seebeck si Thomson sunt reversibile, in schimb efectul Joule este reversibil doar in mod teoretic prin apliarea principiilor termodinamici.

2. Scopul lucrarii:Aceasta lucrare are drept obiectiv modelarea numerica a efectelor termoelectrice Seebeck si 

Peltier, care au loc intr-un termoelement.

Fig.1

a) celula subtire b) celula groasa

In Fig.1 sunt reprezentate celulele termoelectrice, acestea au o grosime neglijabila astfel incat analiza plan-paralela a proceselor termice si electrice care au loc la nivelul loreste acceptabila: Materialul semiconductor (InSb) din care sunt construite celulele este omogen, izotrop, iar paramentrii sai depind doar de temperatura.

In lucare se vor determina caracteristicile de mers in gol (Rs→∞) si scurtcircuit (Rs→0) pentru ce aceste structure care functioneaza in regim de generator termoelectric: fluxul termic asociat gradientului termic stabilit de sursele calda si rece produce o tensiune electromotoare Seebeck (un camp electric Seebeck). Aceasta, la randul ei, poate genera un curent electric intr-un

circuit extern, Rs. In acest context, efectul Peltier contribuie la reducerea eficientei conversiei termoelectrice.

1. Modelul fizic

Modelul fizic asociat acestor procese este descris de legea conductiei termice si legea conductiei electrice:

      Joule        Fourier         Peltier

            Ohm            Seebeck

Unde:  este potentialul electric;

este rezistivitatea electrica;

J este densitatea de curent;

este coeficientul Seebeck;

T este temperatura;

q este densitatea fluxului de energie (caldura);

K este conductivitatea termica.

In regim stationar:

Flux termic

Fluxul electric

3.Modul de lucruSe necesita utilizarea modului de lucru PDE Coefficient Form pentru temperatura si

pentru potential electric din cauza complexitatii fluxurilor termic si electric.

Se definesc coeficientii dependenti de temperatura(condel , alpha si condterm) , constantele Trece si Tcald=Trece+4.

1. Problema de transfer de caldura

Potentialele bornelor electrice se stabilesc zero, (conditie Dirichlet omogena), iar pentru restul frontierei se impune conditia Neumann omogena.

1. Problema de camp electric a) functionarea in gol

La functionare in gol curentul la bornele celulei este zero.Potentialul bornei electrice negative se fixeaza zero, iar pentru borna pozitiva precum si restul frontierei se impune conditia Neumann omogena.

b) functionarea in scurtcircuit

1.Caracteristica de mers in gol obtinuta pentru gradienti termici TH-Tc=273+10 ,20, 40, 60, 80 si 100˚:

U(*10-3) 3.09 6.08 11.76 17.5 22.2 26.42∆T 10 20 40 60 80 100

2.Caracteristica de mers in scurt circuit obtinuta pentru gradienti termici TH-Tc=273+10 ,20, 40, 60, 80 si 100˚

I(*10-3) 11.31 25.20 61.80 112 178 262.36∆T 10 20 40 60 80 100

Observatii :

Odata cu cresterea temperaturii creste si tensiunea pentru valorii ale temperaturii cuprinse intre [ 100- 1000 ]. Putem spunde ca zona de liniaritate se afla la valorii mai mari decat 1000 ale caracteristicii de mers in scurtcircuit. Insa formula de calcul este aceeasi si pentru panta caracteristicii de mers in gol cat si pentru panta caracteristii de mers in scutcircuit.Din acesta analiza rezulta ca efectul Seebeck este cel bun, fiind determinat de aparitia zonei de liniaritate la caracteristica de mers in gol mai devreme, fata de cea de scurtcircuit. Deasemenea efectul Peltier este cel care scade eficienta datorita contributiei lui majore la reducerea eficientei conversiei termoelectrice.

Influenta retelei de discretizareVal. Bondery 27 Val. Bondery 2

Mesh x 2 104.86 104.77Mesh x 3 104.8528 104.8113Remesh 105.43 105.44

Din table rezulta ca cu cat meshul este mai des cu atat valoare celor 2 “granite” sunt mai apropiate.

Bibliografie:

http://facultate.regielive.ro/laboratoare/electrotehnica/efecte_termoelectrice-40204.html

http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/Efecte-termoelectrice20271872.php

http://www.referatele.com/referate/fizica/online6/SENZORI-PENTRU-TEMPERATURA---Efecte-termoelectrice-Coeficientul-Peltier-Coeficientul-Thomson-Coefici.php

http://ro.wikipedia.org/wiki/Efectele_curentului_electric#Efecte_termoelectrice_.28Seebeck.2C_Peltier_.C8.99i_Thompson.29