ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNE

Mówiąc o termogeneracji należy wspomnieć o podstawowych zjawiskach jakie towa-rzyszą temu procesowi. Są to: zjawisko Seebecka, zjawisko Peltiera i zjawisko Thomsona.

2.1 ZJAWISKO SEEBECKA

„Polega na generowaniu napięcia na styku dwóch metali, których końce są ze sobą spojone i znajdują się w różnych temperaturach” [1]. Układ tych dwóch metali nazywany jest termoparą, dla różnych układów materiałów zmienia się wartość pojawiającego się napięcia, co jest zależne od współczynników Seebecka (SA i SB) danych materiałów. Zja-wisko opisane jest wzorem (1), z którego wynika że zależność napięcia od gradientu tem-peratur jest liniowa. Ilustracja tego efektu znajduje się na rys. 1, gdzie A i B to dwa różne metale. ) )( (S S T₂ T₁ V  _B  _A  (1) 2.2. EFEKT PELTIERA

Jest to efekt odwrotny do zjawiska Seebecka. „Jeżeli przez obwód złożony z dwóch metali (lub półprzewodników) przepuści się prąd elektryczny, to na jednym złączu nastąpi wydzielanie ciepła a na drugim ciepło zostanie pochłonięte” [1]. Równanie opisujące zja-wisko (2), pokazuje, że zmiana ciepła jest proporcjonalna do przepływającego prądu.

AB

I

dt

dQ







Rys. 1. Ilustracja zjawiska Seebecka Fig1. Illustration of Seebeck effect

2.3. ZJAWISKO THOMSONA

„Polega ono na wydzieleniu lub pochłanianiu ciepła przy przepływie prądu przez jed-norodny przewodnik, wzdłuż którego występuje gradient temperatury ∆T” [1]. Efekt ten powiązany jest z dwoma poprzednimi, a wzór opisujący je to (3), gdzie τ jest współczyn-nikiem Thomsona,

dx

dT

opisuje różnicę temperatury na długości próbki:

dx

dT

I

dQ 

3. TERMOGENERATORY

Typowe układy termopar umożliwiają uzyskanie napięcia rzędu kilkudziesięciu mi-krowoltów, co sprawia poważne ograniczenia przy zastosowaniach praktycznych. Aby zwiększyć możliwości, stosuje się ich szeregowe łączenie tworząc w ten sposób termostos (rys. 2), gdzie uzyskiwane napięcie jest znacznie wyższe.

Rys. 2. Ilustracja termostosu [2] Fig. 2. Thermopile illustration

Przykładem takiego termostosu jest moduł Peltiera (rys. 3,4), nazwa pochodzi od efektu Peltiera, ponieważ przeważnie wykorzystywany jest do chłodzenia układów elek-tronicznych.

Rys. 3. Moduł Peltiera, ilustracja wnętrza [3] Rys. 4. Moduł Peltiera, zdjęcie rzeczywiste [3] Fig. 3. Peltier module, inside illustration Fig. 4. Peltier module, real photo

Komercyjnym przykładem termogeneratora jest układ Micropelt MPG-D602 (rysu-nek 5.), przeznaczony do harvestingu. Jest to moduł niewielkich wymiarów (grubość za-ledwie 1 mm) złożony z 450 termopar generujący napięcie ok. 2 V i moce do ok. 3 mW, w zależności od gradientu temperatury. Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wykresy zależ-ności napięcia i mocy od różnicy temperatur.

Rys. 5. Układ Micropelt MPG-D602 [4] Fig. 5. Micropelt MPG-D602 module

Rys. 6. Wykres zależności napięcia od różnicy temperatur układu Micropelt MPG-D602 [5] Fig. 6. Open circuit voltage to temperature gradient ratio diagram for Micropelt MPG-D602 module

Zgodnie z oczekiwaniami zależność napięcia od różnicy temperatur jest liniowa. Na-pięcie i moc są także silnie zależne od rezystancji obciążenia. Największe moce uzyskuje się przy dopasowanej rezystancji równej rezystancji wewnętrznej układu wynoszącej 200 Ω. Rysunki 8 i 9 przedstawiają wykresy, na których widoczne są te zależności.

Rys. 7. Wykres zależności mocy wyjściowej od różnicy temperatur układu Micropelt MPG-D602 [5] Fig. 7. Output power to temperature gradient ratio diagram for Micropelt MPG-D602 module

Rys. 8. Wykres zależności napięcia od obciążenia dla układu Micropelt MPG-D602 [4] Fig. 8. Voltage to load resistance ratio diagram for Micropelt MPG-D602 module

Rys. 9. Wykres zależności mocy od obciążenia dla układu Micropelt MPG-D602 [4] Fig. 9. Power to load resistance gradient ratio diagram for Micropelt MPG-D602 module Rozpatrując powyższe zależności, należy zwrócić uwagę, że różnica temperatur bę-dzie stopniowo maleć wraz z nagrzewaniem się strony chłodniejszej od strony cieplejszej, co powoduje utratę sprawności jeśli nie zapewnione jest dodatkowe odprowadzanie cie-pła. Potencjalne zastosowanie tego układu, znajduje się wszędzie tam, gdzie monitoro-wana jest temperatura. Sprawdziłby się więc w inteligentnych budynkach, wspierając au-tomatykę zarządzającą systemami sanitarnymi HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning). Układy monitorujące przepływ energii i urządzenia medyczne, to kolejne płaszczyzny możliwych zastosowań.

4. WNIOSKI

Harvesting energii jest rozwiązaniem oferującym szerokie możliwości podczas poszu-kiwań alternatywy dla klasycznych układów zasilania. Duży potencjał jest obarczony wie-loma niedoskonałościami, które trzeba będzie dopracować chcąc wprowadzić efektywne i opłacalne komercyjnie metody. Termogeneratory stanowią dobry punkt wyjścia ze względu na stosunkowo duże generowane moce i łatwość znalezienia potencjalnych za-stosowań.

Układy takie jak Micropelt MPG-D602 stanowią przykład gotowych rozwiązań, przezna-czonych do elektroniki w mikro skali. Wraz z rozwojem technologii i większą popularno-ścią podobnych modułów ich cena będzie maleć, sprawiając, że staną się one coraz bar-dziej dostępne i znajdą zastosowanie dla szerszej gamy odbiorów. Wartość rynku harvesterów znacząco rośnie z roku na rok i w 2017r. jego szacowana wartość wynosi 227 mln $ [6]. Stanowi to o coraz większej popularności tego typu rozwiązań, co w dobie inwestowania w „zieloną energię” jest naturalnym procesem.

LITERATURA

[1] Hruban A., Królicka A., Mirowska A., Nowoczesne materiały termoelektryczne- przegląd literatu-rowy. Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa. [2] Direct conversion of Heat Energy to Electrical Energy Thermocouple Electric Generators

http://www.mpoweruk.com/contacts.htm

[3] Janisz B., Moduł Peltiera http://www.peltier.agh.edu.pl/?page_id=25 17.03.2013 [4] Nota katalogowa układu Micropelt MPG-D602/D751

http://www.thermalforce.de/de/product/thermogenerator/micropelt_d751.pdf [5] Strona producenta Micropelt http://micropelt.com/thermogenerator.php

[6] Allan R., Energy Harvesting And Wireless Sensor Networks Drive Industrial Applications Electronic Design http://electronicdesign.com/power/energy-harvesting-and-wireless-sensor-networks-drive-in-dustrial-applications 30.05.2013.

THERMOGENERATORS APPLICATION IN ENERGY HARVESTING

Article describes conception of energy harvesting, focusing on thermoelectric generators, basic ther-moelectric effects (Seebeck, Thomson and Peltier effect) and consideration of its applications in commer-cial uses. There are also review of existing solutions in this field based on example of module of Micropelt company. There are basic properties and diagrams of this module shown. There is also forecast on future development of this technology.

napędy przemysłowe, efektywność energetyczna, napęd elektryczny, przemiennik częstotliwości Gracjana SKWIRA^

ANALIZA ENERGOCHŁONNOŚCI