Megújuló energiaforrások V. - Termoelektromos-effektus
2009/7-8. lapszám | Herbert Ferenc Markó Gabriella | 12 839 |
Figylem! Ez a cikk 16 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A villamosenergia hasznosításnak és termelésnek van egy olyan területe, amely az egyedi és különleges alkalmazásoknál kerül használatba. Ezek az ún. termoelektromos-effektus témakörébe tartozó jelenségek, amelyeknek egyes területeit a kikísérletezői vagy a jelenségről először feljegyezéseket, dokumentációt készített személyek után neveztek el. E gyakorlati jelenségek alkalmazása az elemek jelentős költsége miatt jelenleg még szűk területekre korlátozódik. A termoelektromos-effektus lényegét, alkalmazási területeit Herbert Ferenc, a Budapesti Műszaki Főiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar Megújuló Energiaforrás Kutatóhely vezetője mutatta be lapunknak. A Seebeck-effektus A termoelektromos-effektus lényege abban foglalható össze, hogy két összehegesztett, különböző hőmérsékletű és eltérő anyagú fém között elektromos áram folyik mindaddig, amíg hőmérséklet-különbség áll fenn. Vagyis termofeszültség lép fel és termoáram folyik. Ez az elrendezés a termoelem. A jelenséget Seebeck-effektusnak nevezik. Thomas Johann Seebeck (1770-1831) német fizikus 1821-ben fedezte fel, amelyet természetesen róla neveztek el és ma is Seebeck-effektusként tartja számon a tudományos világ. Azt a feszültséget, amely 1 Kelvin hőmérséklet-különbség hatására ezen az úton létrejön (V/K), termo-erőnek nevezik.
 |
 |
A Seebeck-effektus felhasználása
A termoelektromos-effektust felhasználták a Naprendszert elhagyó, tehát napelemekkel már nem táplálható műholdak és űrszondák táplálására is. Az első publikált kísérleteket az amerikai légierő hajtotta végre a SNAPSHOT kísérleti műholddal, amelynek fedélzetén sugárzó reaktorral fűtött, 620 és 680 W teljesítményű termoreaktor biztosította az energia ellátást a kísérleti ion-motor hajtómű részére. A 440 kg-os műholdat 1965. április 3-án állították Föld körüli pályára. A termelt villamosenergiával meghajtott ion-hajtómű tolóereje egy kilopond volt. Az akkori Szovjetunió is hasznosította ezt a villamosenergia-táplálást a KOZMOSZ műhold sorozat egyes katonai műholdjain. A ’90-es évek elején nem kis riadalmat keltett, amikor egy ilyen műhold irányíthatatlanul egyre alacsonyabb pályára kerülve közeledett a Földhöz, de végül a Csendes-óceán déli részén tért vissza Földünkhöz, nagyobb természeti gondot nem okozva.
 |
A termoelektrikus áramfejlesztők jól bevált alkalmazási területe a szénhidrogén vezetékek mérőrendszereinek táplálásában található. A lakott területektől távoli vidéken haladó, hosszú földgáz-vezetékek ellenőrző rendszereinek elektromos táplálását nem volt könnyű megoldani. Ezért fordultak a termoelemekhez: bár igen alacsony hatásfok mellett, de képesek villamos energiát termelni minimális szénhidrogén elégetésével. Az egyik típusú, több százezer példányban gyártott berendezés előállítója az amerikai PGI International, amelynek 2 és 8 W-os modellje több százezer példányban szolgálja a földgáz szállítás biztonságát. Működése igen egyszerű, a gáz- vagy olajvezetékből annyi szénhidrogént vezetnek ki, amely kb. egy gyertyalángnak megfelelő égési felületet biztosít, és ezt az energiát a körülötte elhelyezkedő termoelemek alakítják át villamos energiává (1. fotó, a PGI International katalógusából származik).
A mellékelt 2. ábrán különböző kivitelű, termoelektromos-effektus felhasználásával működő hőmérők láthatók. Előnyük a nagy pontosság és a kicsiny hőtehetetlenség, amely rendkívül gyors reakcióidőt biztosít: emellett fontos még a széles hőmérséklet-tartomány, amelyben üzemelni tudnak. A fémek termoelektromos feszültségsorát a mellékelt kis táblázatban foglaltuk össze.
Az 1950-es években, a Szovjetunióban gyártották a képen látható (3. fotó, Internet-forrás), petróleumlámpára szerelhető táp-áramforrást. Az áramforrással telepes csöves rádióvevő készülékek energiaellátását oldották meg. Az akkoriban népszerű áramforrás segítségével távoli területeken élők számára vált elérhetővé a rádiózás öröme. Ekkoriban hőelemnek nevezeték ezt a megoldást. A TGK-3 típusú hőelemes táp-áramforrás több, sorba kapcsolt fémkerámiai hőelemből állt. Két rendszert alakítottak ki rajta: az egyik 2 A mellett 2 V feszültséget adott. Ez a rádióhoz tartozó rezgőnyelves átalakítóval a készülék anód feszültségét szolgáltatta. A másik 0,5 A mellett 1,2 V feszültséget adott a csövek fűtőáramának ellátásához. A tápegység igen hosszú élettartamú, nagy megbízhatóságú volt. Jól tűrte a rövidzárlatokat is (7., 8. fotó).
A Seebeck-effektus egyik hétköznapi, hasznos területe az elektromos energia termelése a gépkocsikban. Egyik oldalt a hűtővízzel vagy kipufogógázzal melegítik, a másikat pedig hűtőbordával hűtik. Ebből jelentős mennyiségű energia is nyerhető, mivel a hűtővízzel majdnem 50-60 fokos állandó hőmérséklet-különbséget lehet elérni. Több Seebeck-elemmel már hasznosítható energiamennyiséget szolgáltatna. Az elterjedést jelenleg még korlátozza a Seebeck-elem magas ára.
 |
A Peltier-effektus
A Seebeck-effektus fordítottját figyelte meg Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) francia fizikus 1834-ben. Az áramkört egyenárammal táplálta, ezáltal lehűlt az egyik hegesztés és felmelegedett a másik. Vagyis hőt ad le az egyik hely, hőt vesz fel a másik hely. Ez a felfedezés nem más, mint a termoelektromos hűtés, fűtés, valamint a szilárdtest hőszivattyú elve. A jelenség a polaritások felcserélésével megfordul. Az addig melegedő oldal lehűl, míg a másik felmelegszik.
A Peltier-elem
A Peltier-elem egy félvezető alapú termoelektromos hűtőlap, az egyik oldala felmelegszik, a másik pedig lehűl, amennyiben egyenfeszültséget kapcsolnak rá. Nevét a fent említett francia fizikustól, Peltiertől, kikísérletezőjéről kapta (4. fotó).
A termoelektromos-effektus a kis hőmérséklet-különbség előállítása miatt kis hatásfokú bizonyult gyakorlati célok megvalósítására. A félvezetők feltalálásával azonban megoldódott még az ipari előállítás kérdése is.
Használható hűtőteljesítményt ad egy Peltier-elem a rákapcsolt egyenfeszültség hatására. A Peltier-elemek leggyakrabban bizmut-telluridből, vagyis speciális félvezető anyagból készülnek. Gyakran ötvözik még szelénnel és antimonnal. Ebből bonyolult eljárással anizotrop termoelektromos tulajdonságú, p- és n- típusú cellák készülnek. A Peltier-elemet mozgó alkatrészek nélküli félvezetős hőszivattyúnak is nevezhetnénk. Hatásfoka egyes esetekben megközelíti a kompresszoros hűtéssel elért értékeket. Népszerűsége egyre nő a számítógép-technika területén, mint a processzorok, videokártyák aktív hűtő modulja.
 |
A Peltier-elem másik felhasználási módja a Seebeck-effektust használja ki, ami a Peltier-effektus inverze. Tehát a hőmérséklet-különbség hatására a csatlakozási pontoknál feszültség keletkezik, amivel munkát lehet végezni. Ez természetesen inkább érdekesség, mint gyakorlati megvalósításra váró ötlet, hatásfoka ugyanis mindössze 1-3 %.
A Peltier-elem alkalmazási területei
Ezek az elemek hasznosításra kerülnek pl. a számítástechnikában, ahol történetesen egy mikroprocesszor felületéről kell hőt elvezetni, és ezt adott esetben Peltier-elemmel oldják meg.
Alkalmazható még kis méretű hűtőládákban is, amelyekben – az autó 12 V-os rendszeréről táplálva a rendszert –a kirándulásra magunkkal vitt szendvicseket és italt hidegen tarthatjuk.
Alkalmazni lehet még nagy frekvenciás előerősítőknél, ahol megoldja a félvezetők hidegen tartását, s ezáltalp style=A Seebeck-effektus felhasználása a nagyfrekvenciás erősítő zajtényezőjét lehet jelentősen csökkenteni. Több Peltier-elem egymásra helyezésével akár 200 ˚C különbséget is el lehet érni.
A Peltier elem hétköznapi felhasználási területein a kis méretet helyezik előtérbe, s azt, hogy mozgó alkatrészt nem tartalmaz, így pl. mobil eszközöknél, hűtőtáskáknál is hasznos.
 |
Mint említettük, a Peltier-elem fordítottja a Seebeck-effektus, a Peltier-elem ezt használja ki másik fő felhasználási módjánál. A csatlakozási pontoknál feszültség keletkezik a hőmérséklet különbség miatt, s így dolgozik: ez a modul két oldala közötti hőmérséklet-különbség felhasználásával érhető el. Az így termelt energia, hatásfok alacsony, mégis hasznos energia nyerhető olyan esetekben is, amikor fölösleges hőforrás áll rendelkezésünkre. Az utóbbi célra a modulokat ólom-telluridból, illetve szilicium-germánium ötvözetből készítik, így magasabb hőmérsékleten is működtethető.
