Termoelektrični pretvornik
AX elektronika d.o.o.
Avtor: Bojan Kovač
2018_263_29
Toplota spremlja človeka še od pradavnine in dvomimo lahko, če bi brez toplote lahko preživel vse klimatske spremembe, ki so se dogajale na Zemlji, odkar ga naseljuje tudi naša vrsta. Vprašanje je tudi, kakšno krzno bi krasilo naše telo… Vsekakor, brez ognja in toplote bi bili danes najbrž drugačni mi, naša civilizacija in stopnja tehnološke razvitosti. Danes lahko po zaslugi znanja, ki smo ga večinoma »nabrali« v zadnjih dvesto letih (!) na toploto gledamo še bolj spoštljivo: v večini primerov je stranski produkt slabega izkoristka pri energijskih pretvorbah in še včeraj smo se z njo kar nekako sprijaznili. Danes pa je trenutek, ko bomo poskusili vsaj del te »izgubljene« energije ujeti, preden jo za vedno izgubimo (porabimo, vendar brez učinka). S termoelektričnimi pretvorniki temperaturno razliko spremenimo v razliko potencialov, torej napetost, ta pa lahko požene tok…
-
- Slika 1: Termoelektrično napajanje zapestne ure
-
- Slika 2: Pogoji za nastanek Seebeckove napetosti
Če kar nadaljujem s človekom: človeško telo ima dovolj energije, da s svojo toploto (37 °C) napaja zapestno uro. Tloris elementa za termoelektrično pretvorbo v uri znamke Seiko meri le 2,14 x 2,36 mm in med nošenjem ure na zapestju zaradi temperaturne razlike na termoelementu zbere dovolj električne energije, da z njo napaja uro, poleg tega pa polni še pomožno baterijo, iz katere se ura napaja v obdobjih, ko oseba ure nima pritrjene na zapestju. Vse skupaj ni ravno kakšna »huda« elektrarna, saj lahko na ta način pridobimo le nekaj milivatov električne energije, pomembno pa je, da jo dobimo in izkoristimo vsaj delček tistega, kar bi v vsakem primeru brez koristi izpuhtelo v zrak.
Morda boste tudi sami “padli” v veliko zmedo imen znanstvenikov, ko skušate dobiti nekaj več informacij v zvezi s termoelektrično pretvorbo, zato je prav, da pripišemo vsakemu svoje zasluge in stvari postavimo na pravo mesto.
Seebeckovo načelo
Načelo, na katerem temelji termoelektrična pretvorba je leta 1821 odkril nemški fizik Thomas Johann Seebeck, vendar pa ga vse do odkritja elektronov v poznih letih istega (devetnajstega) stoletja delovanja nihče ni znal v celoti pojasniti. Od leta 1950 naprej je prišlo z uporabo tehnologije polprevodnikov do razvoja praktično izvedljivih različic termoelektričnih generatorjev, ki so jih najprej uporabljali v zvezi z vesoljskimi programi.
Termoelektrični generator je polprevodniški pretvornik toplotne energije v električno s pomočjo Seebeckovega učinka. Ta učinek se pojavi, ko med sabo na obeh koncih spojimo dve različni kovini. S segrevanjem ene tako spojene točke in ohlajanjem druge nastane majhna razlika v električnih potencialih, ki povzroči, da steče majhen enosmerni tok. Ta napetost, ki požene električni tok, se imenuje Seebeckova napetost in je sorazmerna temperaturni razliki med vročo in hladno točko. Za kovine je ta napetost tipično od 0,4 do 0,6 mV/100 ºC. Poskusimo na preprost način pojasniti, kako nastane Seebeckova napetost!
Segrevanje kovinskega vodnika na enem koncu povzroči, da se prosti elektroni začnejo premikati proti hladnemu koncu. Če sta dva konca vodnika povezana prek vodnika, ki je iz drugačnega materiala, bo v tokokrogu stekel tok. To, da steče tok je posledica dejstva, da količina elektronov v vsakem posameznem vodniku ni enaka, kar povzroči razliko potencialov in s tem električni tok. Če se za vodnika uporabijo podobne kovine, ne bo potencialne razlike in tudi tok ne bo stekel. Stik dveh različnih kovin sicer imenujemo tudi termo-par, ki skupaj tvorita termo-člen. No, če bi želeli s sestavljanjem posameznih termočlenov doseči napetost enega volta, bi jih morali povezati skupaj res ogromno število, poleg tega pa bi morale biti temperaturne razlike med »vročo« in »hladno« točko zelo velike, tudi nekaj sto voltov!
-
- Slika 3: Notranja zgradba in povezave v Peltierjevem elementu
-
- Slika 4: Primerjava Seebeckovega in Peltierjevega načela
-
- Slika 5: Funkcija prehajanja toplotne moči skozi Peltierjev element
Praktično ni nikoli prišlo do kakšne bolj resne uporabe termočlenov kot vira električne energije, vse dokler proti koncu 50-tih let prejšnjega stoletja niso prej omenjenih žic iz različnega materiala zamenjali s polprevodnikom P in N tipa in tako dosegli tudi do 50-krat višjo Seebeckovo napetost v primerjavi z običajnim termočlenom. Poleg te lastnosti imajo polprevodniški termočleni v primerjavi s kovinami majhno toplotno prevodnost, kar je dokončno oblikovalo sodobno izvedbo termogeneratorja. Omeniti pa moramo, da ne gre za P-N polprevodniški spoj in da to nikakor ni polprevodniška dioda. Čeprav sta znotraj enega modula uporabljena polprevodniška materiala P in N tipa, je to le zaradi zagotavljanja različnih prevodnih materialov (žic, vodnikov) za ustvarjanje potencialne razlike, ki ob temperaturni razliki požene tok. Kako so ti polprevodniški »vodniki« povezani med seboj znotraj modula, pa je zelo lepo prikazano na sliki 3. Vidimo, da sta polprevodnika P in N tipa vsakega posameznega termočlena na eni strani povezana skupaj, druga stran pa se serijsko spoji z naslednjim členom, tako da dobimo zaporedno vezavo velikega števila termočlenov in seveda tudi višjo napetost, saj se napetosti posameznih termočlenov seštevajo.
V različnih aplikacijah uporabljamo različne moči termoelektričnih generatorjev, vse od zapestnih ur v razredu nanovatov (toplotna energija roke), termoelektrične generatorje v razredu stotih vatov, ki izkoriščajo tako rekoč že izgubljeno energijo na izpušnih sistemih vozil, pa vse do orbitalnih vesoljskih postaj, ki imajo vgrajene termoelektrične generatorje moči tudi do 100 kW!
Peltierjevo načelo
No, še en »stric« se je globoko posvetil tej temi, namreč gospod Peltier. Le nekaj let potem, ko je Seebeck objavil svoja dognanja v zvezi s termočlenom, je Peltier preizkusil delovanje v obratni smeri, namreč, kako se obrne postopek in se z dovajanjem energije v točkah spoja ustvari temperaturna razlika. Povedati moramo, da je bilo odkritje naključno in da Peltier niti ni bil pravi fizik, ampak se je s temi eksperimenti ukvarjal bolj ljubiteljsko.
Peltierov efekt imenujemo pojav, ko se s priključitvijo električnega toka v tokokrog z vodnikoma iz različnih prevodnih materialov ena spojena točka ohlaja in druga segreva. Učinek tega pojava je še veliko bolj izrazit takrat, ko se namesto običajnih vodnikov uporabljata dva polprevodnika različnih tipov. V vezju, ki ga sestavljajo baterija, žica iz bizmutove zlitine in dva kosa bakrene žice, ki sta skupaj enako dolgi kot je dolžina bizmutove žice, temperatura na stičišču obeh kovin naraste, kjer teče električni tok iz bakra k bizmutu in pade v tisti točki, kjer teče električni tok iz bizmuta v baker. Ta pojav je leta 1834 odkril francoski fizik Jean-Charles-Athanse Peltier in rezultat tega odkritja je bila majhna toplotna črpalka, ki so jo kasneje imenovali termoelektrični hladilnik (thermo-electric cooler, TEC). Peltierjevi elementi pa imajo še eno značilnost, namreč da so tako imenovane aktivne toplotne črpalke, ki lahko svojo »hladno« stran ohladijo tudi pod temperaturo okolice.
Primerjava
-
- Slika 6: Shema vezja za dvig napetosti »Joule thief«
-
- Slika 7: Prehod toplotne energije med »vročo« stranjo in hladilnim telesom
-
- Slika 8: Izolacija vira toplote za boljši učinek pretvorbe
Očitno gre pri istem elementu za dve različni načeli, ki izkoriščata iste fizikalne zakonitosti: pridobivanje električne energije s pomočjo temperaturne razlike in ustvarjanje temperaturne razlike s pomočjo električne energije.
Če element uporabimo po Seebeckovem načelu kot termoelektrični generator, bomo želeli s temperaturno razliko med »hladno« in »vročo« stranjo pridobiti čim več električne energije. »Vročo« stran bomo pritrdili na vir toplote, na hladni strani pa poskusili obdržati čim nižjo temperaturo. S tem bomo ustvarili in poskušali vzdrževati temperaturno razliko, ki nam bo prinesla potencialno razliko napetosti, to pa je predpogoj, da v nekem tokokrogu steče tok. Na hladni strani bomo namestili hladilno telo, radiator, ki bo v okolico v čim krajšem času uspel predati večino toplote, ki prehaja med »vročo« in »hladno« stranjo in s tem obdržal čim večjo razliko temperatur med njima. V določenih aplikacijah si lahko pomagamo tudi z ventilatorjem, sploh v primerih, ko je njegova poraba zanemarljiva v primerjavi z energijo, ki jo bomo na ta način pridobili.
Če želimo s pomočjo električne energije ustvariti temperaturno razliko, oziroma nekaj hladiti, ga bomo uporabljali kot Peltierjev element. Iz nekega toplotno izoliranega prostora (notranjosti hladilnika) bomo na primer lahko »izsesali« oziroma »prečrpali« toploto, saj gre pravzaprav za malo toplotno črpalko. Pa povejmo še nekaj o tem!
Največja temperaturna razlika med hladno in toplo stranjo Peltierjevega elementa je okrog 70°C in jo proizvajalci takšnih modulov označujejo kot ∆Tmax. Seveda bi bilo kar preveč lepo, če bi se naša pretirano optimistična pričakovanja uresničila in bi lahko med hladno in vročo stranjo dosegli takšno razliko! Veljajo namreč določene zakonitosti, ki nas nemudoma postavijo na realna tla!
Določena najvišja vrednost ∆T bi se lahko pojavila samo takrat, ko Peltierjev element ne prenaša nobene toplote, kar se pa v realnem življenju rešitev ohlajanja nikoli ne zgodi. Dejanski ∆T je linearna funkcija prehajanja toplotne moči prek elementa, vendar ima negativni naklon. Primer te funkcije za nek tipičen Peltierjev element je prikazan v obliki grafa na sliki 5.
Če pogledamo na graf, lahko na primer vidimo, da bi lahko Peltierjev element pri razliki temperatur ∆T=55 °C iz ene na drugo stran premaknil le 10 W moči v obliki toplote. Vidimo lahko tudi točko, kjer se premica dotakne »X« osi (v primeru našega elementa je to pri 40 W) in kjer razlika med temperaturama na »hladni« in »vroči« strani postane nič. To je točka, pri kateri TEC doseže svojo največjo zmogljivost termalnega prenosa (Qmax). Naš primerek Peltierjevega elementa torej niti teoretično ne zmore prenesti več kot 40W moči v obliki toplote z ene na drugo stran elementa. Resnica je tudi ta, da nikoli ne bomo mogli izenačiti temperatur obeh strani, ker bi za to na vroči strani najbrž potrebovali hladilnik, ki bi ga ohlajal medij, veliko hladnejši kot je temperatura »hladne strani« elementa.
Mali termoelektrični generator
-
- Slika 9: Peltierjev element
-
- Slika 10: Električna energija s cevi z vročo vodo
Pripravili smo model termoelektrične pretvorbe, s katero smo prikazali in tudi dokazali, da s primerno temperaturno razliko dobimo dovolj Seebeckove napetosti, da lahko s pomočjo pretvornika napajamo kar tri paralelno povezane LED diode, torej v povprečju okrog 30 mA pri 3 V! Z našim Peltierjevim elementom, ki smo ga uporabili kot termoelektrični generator, smo uspeli ustvariti med 0,30 V in 1,80 V napetosti.
Napetost smo morali dvigniti na primeren nivo, da je postala uporabna za napajanje LED diod, zato smo uporabili čisto preprosto vezje, »Joule thief«, oscilator s tuljavo, s pomočjo katere se inducira dovolj velika napetost, da lahko napajamo LED diode že pri vhodni napetosti 0,5 V. Če bi se malo bolj posvetili iskanju primernejšega tranzistorja (germanijevega!), bi po zatrjevanju »starih mačkov« vezje delovalo tudi že pri 0,2 V vhodne napetosti! Kakorkoli že, moj cilj je bil delovanje pri vhodni napetosti vsaj 0,5V, saj za takšno napetost termoelektričnega generatorja nisem potreboval močnejšega vira toplote kot je običajna svečka, ki jo uporabljamo za čajno lučko. S primerno velikim hladilnim telesom na »hladni« strani zagotovimo dovolj hitro odvajanje toplote, da ostane razlika temperatur med »hladno« in »vročo« stranjo Peltierjevega elementa čim večja, saj bo ta razlika povzročila nastanek višje Seebeckove napetosti. Idealno bi bilo, da bi se vroča površina tesno prilegala Peltierjevemu elementu in to le v tistem delu kjer se stikata. Vsa ostala »sevalna« površina neposredno segreva hladilno telo na »hladni« strani, kar ga dodatno segreva, zato je oddajanje prejete toplotne energije s hladilnega telesa počasnejše. Kako prehaja toplotna energija neposredno iz vira toplote (peči) na hladilno telo, je prikazano na sliki 7.
Na sliki 8 pa je prikazano, kako se lahko temu izognemo in učinkovito ločimo vir toplote in hladilno telo »hladne« strani z ustrezno toplotno izolacijo. Ta ukrep občutno pripomore k večji temperaturni razliki med obema stranema Peltierjevega elementa. Hladilno telo mora tako odvajati le tisto toplotno energijo, ki jo sprejme prek ploskve »hladne« strani Peltierjevega elementa, kar je tudi prav.
Izbrali bomo takšen Izolacijski material, ki bo prenesel tudi mnogo višje temperature, kot jih pričakujemo pri našem viru toplote.
Uporaba
Razmišljanje o toploti kot viru za pridobivanje električne energije že dolgo ni več le znanstvena fantastika. Poraba elektronskih naprav je vsak dan nižja in današnji pametni telefoni navkljub vsem vgrajenim funkcijam, pameti, zmogljivemu procesorju in potrebni periferiji porabijo resnično malo električne energije. Eno polnjenje zadostuje za več dni uporabe in morda se kdo od bralcev za primerjavo še spomni davnih časov, ko smo v škatlaste baterijske svetilke nameščali »ploščate« baterije 4,5 V (glede na volumen recimo 5 x večje, kot jih imamo v sodobnih napravah) in potem svetili z njimi le kakšno uro. Priznati moramo, da si takrat ni nihče niti predstavljal, da bi bilo kaj takega mogoče, saj je bil televizijski sprejemnik skoraj tako velik, kot je danes hladilnik, o porabi pa raje ne bomo izgubljali besed…
Vse več izjemno zmogljivih naprav ima ekstremno nizko porabo in to področje elektronike se bo v prihodnosti napajalo izključno iz obnovljivih, priročnih virov, ki sicer ne obljubljajo neskončnih kilovatov vedno dostopne energije, vendar je energija in v eni izmed svojih oblik bo vedno prisotna. Včasih tudi že vnaprej odpisana, izgubljena. Če pa nam uspe ujeti in izkoristiti delček te energije, bomo vsekakor absolutni zmagovalci!
Vzemimo za primer sončne zbiralnike (kolektorje) za segrevanje sanitarne vode. Termoelektrični generator lahko pritrdimo na izstopno cev (kot prikazuje slika 10), kjer je temperatura vode najvišja in s pridobljeno energijo napajamo brezžični senzor, ki vsake toliko časa pošilja podatke nekemu krmilniku, ki uravnava delovanje celotnega sistema. Pa se takoj vprašajmo: kaj pa če je voda hladna in ne dosežemo dovolj temperaturne razlike med temperaturo cevi in okolico in nam potem ne uspe proizvesti dovolj električne energije za delovanje brezžičnega senzorja? Če je voda v kolektorju hladna, nam nobeno krmiljenje ne koristi in je tudi odčitek s senzorja brez smisla,ali ne?
Ali pa si predstavljamo majhno elektrarno v gorski koči, polni planincev, že diši po zimi, zunaj je hladno, vsi se stiskajo okrog kaminske peči, ki jo pridno kurijo z drvmi. Agregata za pridobivanje elektrike žal ni, vendar bi nekateri vseeno želeli napolniti svoje mobilne telefone, LED baterijske svetilke, ki jih je mogoče polnit, morda poslušati vremenska poročila in opozorila o nevarnosti proženja plazov. Tudi malce zasilne razsvetljave bi pri večerji prav prišlo…
Termoelektrični pretvornik bi bil lahko v obliki »objemke« nataknjen kot prstan na dimno cev peči in bi s svojo prirejeno obliko zagotavljal dovolj temperaturne razlike za neprestano »proizvodnjo« električne energije, kadar bi bila peč zakurjena. Z ustreznimi elektronskimi vezji, pretvorniki, bi napetost vzdrževali na potrebnem nivoju za polnjenje dovolj velikega akumulatorja, s polnim akumulatorjem pa bi si potem lahko pomagali na najrazličnejše načine. Meje nam določa le naša domišljija…!
