2

Sadrzaj

1.0 Toplotne pumpe .......................................................................... 3

1.1 Uvod .................................................................................... 3

1.2 Historijski razvoj .................................................................. 3

1.3 Princip rada ......................................................................... 3

1.4 Podjela ................................................................................ 4

2.0 Ter oelektrič i efekti ................................................................. 6

2.1 Seebeckov efekat ............................................................... 6

2.2 Peltierov efekat .................................................................. 6

2.3 Thomsonov efekat .............................................................. 7

2.4 Ter oelektrič i efekat a poluprovod i i a .................... 7

3.0 Toplotne pumpe bazirane na Peltierovoj ems............................. 9

3.1 Osnovni model ................................................................... 9

3.2 Model pumpe .................................................................... 10

3.3 Model generatora ............................................................. 10

3.4 Materijali ........................................................................... 11

3.5 Prednosti i primjena .......................................................... 12

4. )aključak .................................................................................... 14

5.0 Literatura ................................................................................... 15

3

1.0 Toplotne pumpe

1.1 Uvod

Toplotne pumpe su sistemi jeftinog i ekološki čistog ači a grijanja, one mogu crpiti

toplinu iz vode, zemlje ili zraka. Rade a pri ipu slič o kao i rashladni uređaji. Os ov i pro es koji o jaš java jihov rad je lijevokretni Car otov kruž i pro es. Toplotne pumpe

ajčeš e koriste freon kao rashladni medij, a mogu i neke druge plinove (npr. amonijak).

Najjednostavniji oblici toplotnih pumpi su klima uređaji koji griju i hlade, tzv. inverteri. Oni

crpe toplotu iz zraka, ajlakši su za o tažu i ajjefti iji. “lože iji o li i koji daju i više energije su sistemi koji se ukapaju pod zemlju gdje se koristi unutarnja toplota zemlje koja

podiže temperaturu rashlad og edija ajčeš e ekog od pli ova freo a . Toplotne pumpe

da as još isu stekle široku pri je u iako su olji izvor grija ja od fosilnih goriva koja polako

estaju, zagađuju okoliš i imaju stalan porast cijena.

1.2 Historijiski razvoj

Prvi koji je uspio proizvesti aparat, preteču da aš je kompresoru, bio je a erički i že jer Jacob Perkins 1834. godi e. Prvi o lik rashlad og uređaja proizvede je 1855.

godine u Nje ačkoj, iako je Michael Faraday otkrio pri ip jegova rada ve 1824. godine.

Takav uređaj proizvodio je u jet i led sve do 1890. godine kada se nakon blage zime

pojavila ve a potraž ja za ledo . Tada je kre uo ubrzan razvoj tehnologije rashlađiva ja. Prvi ku i hladnjaci proizvedeni su 1910. godine. Primjena je tih godina bila mala pa je 1918.

godi e u A eri i proda o sa o uređaja, dok se da as godiš je proda više desetaka milijuna rashlad ih uređaja. dita dopri os razvoju dao je General Electric koji je proizveo

prvi her etički zatvore uređaj. Godine 1927. pojavili su se i prvi kli a uređaji. Principi rada

toplinske pumpe poznati su koliko i rad rashlad e teh ologije koja se još i da as usavršava.

1.3 Princip rada

Toplotna pumpa je sistem koji se azira a lijevokret o Car otovo kruž o pro esu koji topli u u stroju pretvara u rad, pri če u se koristi ideal i pli , ajčeš e eki od freona ovis o o želje i te peratura a. Nači rada je gotovo ide tiča ači u rada ku og

4

hlad jaka, a razlika je u to e što rashlad i uređaj oduzi a topli u a ir i a a i predaje je okolini dok toplinska pumpa uzima toplinu iz zraka, vode ili zemlje, i dovodi je u prostor koji

želi o zagrijati. Pro es se sastoji od dvije adijabatske promjene i dvije izotermne promjene

koje zatvaraju ciklus. Princip rada i dijelovi toplotne pumpe su prikazani a slede oj she i:

Slika br. 1: Shema toplotne pumpe

1.4 Podjela

U pri ipu, postoji više kriteriju a podjele toplotnih pumpi, pa prema tome postoje

slede e podjele:

- s obzirom na porijeklo i postojanost temperatura

- prirodni izvori: spoljaš ji vazduh, ze lja i voda

- veštački izvori: korišteni vazduh iz prostorija ili industrijskih procesa otpadne

vode.

- prema izvoru toplotne energije, razlikuju se tri različita siste a eksploata ije:

- vazduh-voda

- zemlja-voda

- voda- voda

5

- pre a ači u izrade, odnosno principu rada:

- kompresorske toplotne pumpe kod kojih se strujanje radnog fluida ostvaruje

delova je eha ičke e ergije po o u ko presora ili pu pe pogo je e električ i , dizel ili pli ski otoro

- sorpcione toplotne pumpe (podeljene na apsorpcione i na adsorpcione

toplotne pumpe)

- RV toplotne pumpe i dr

Posebnu vrstu predstavljaju ““D toplot e pu pe azira e a ter oelektrič i

efektima. Najve a prednost im je da rade na električnom pri ipu ez pokret ih dijelova što značajno pojed ostavljuje održava je. Ne stvaraju uku i električni šu tijeko pa se ogu koristiti zajedno s osjetljivim elektroničkim senzorima. U usporedbi s mehaničkim sistemima

hlađenja mnogo su a ji i lakši te iste s age, a u radu ne koriste nikakve kemikalije ili

pli ove koji ogu iti štet i za okoli u. Budu i da isti odul ože poslužiti za grija je i

hlađenje,ovisno o polaritetu priključenog istosmjernog napona, nema potrebe za odvojenim

funkcijama grijanja i hlađenja.

6

2.0 Ter oelektrič i efekat

2.1 Seebeckov efekat

Jedan od načina dobivanja energije koristi se termoelektričnim efektima. Ako

metal u ži u grije o a jed o kraju, duž ži e se stvara temperaturna razlika. Posljedica je

arušava je ter odi a ičke rav oteže jer elektro i a toplije dijelu ži e i aju ve u

energiju od onih na hladnijem, pa dolazi do difuzije elektrona iz toplijeg na hlad iji kraj ži e tako da nastaje električno polje s pozitivnim polom na toplijem, a negativnim na hladnijem

dijelu ži e. To električno polje dovodi do ponovne uspostave stanja termodinamičke

rav oteže. Ako se u strujnom krugu sastavljenom od dva različita metala prema slici br. 2

zagrijava njihov spoj u tački B, između tačaka T1 i T2 pojavit e se napon Uo, poznat kao

Seebeckova elektromotorna sila:

Slika br. 2: Seebeckov efekat

2.2 Peltierov efekat

Ako se između tačaka T1 i T2 spoji otpor, kroz njega e pote i električna struja. Spoj

djeluje kao termoelektrični generator napona. Ako se u istom spoju između točaka T1 i T2

spoji napon Uin, unutar zatvorene petlje e pote i struja. U tački A a spojištu dvaju etala, kao rezultat toka struje, javlja se efekt hlađe ja, a u tački d efekt zagrijava ja slika r. ).

Promjenom polariteta napona mijenja se i tok struje. Posljedica je hlađe je u tački d i zagrijava je u tački A. Ovu pojavu prvi je opisao francuski fizi ar Jean Peltier pa

se po njemu zove Peltierov efekt.

7

Slika br.3: Peltierov efekt

2.3 Thomsonov efekat

Sredinom 19.st. William Thomson, poznatij kao Lord Kelvin, iznio je sveobuhvatno

o jaš je je “ee e kova i Peltierova efekta i opisao njihovu povezanost. Na temelju

iz ese og ože se realizirati termoelektrični generator električne energije ili sklop za

grijanje, odnosno hlađenje. Materijali koji pokazuju navedena svojstva nazivaju se

termoelektrici. Za praktičnu upotrebu, da bi se poja alo djelovanje, potre o je u ožiti osnovni sklop spaja je više ter oelektrika. Paralelni spoj nije dobar jer e u ožava napon, a zahtijeva veliku struju koja protjecanjem kroz termoelektrik generira Jouleovu

toplinu proporcionalnu kvadratu struje, znatno smanjuju i efekt hlađenja. Serijski spoj ima

ve i otpor, a to zna i manju struju i a ju Jouleovu topli u. Metal e ži e koje povezuju topli i hladni kraj termoelektrika, i ovdje umanjuju učinak hlađenja, jer same dobro vode toplinu.

Bitan napredak u realizaciji termoelektričnih sklopova donosi upotreba poluprovodnika

umjesto metala.

2.4 Ter oelektrič i efekat a poluprovid ici a

Termoelektrične pojave primijenjene na poluvprovodnike mogu se prikazati prema

slici 4. Ako se poluvprovodnik zagrije a jed o kraju, važ o je uočiti da poluprovodnik n-

tipa na toplijem kraju ima manje negativnih slobodnih nosilaca elektriciteta, elektrona, nego

na hladnijem, kao i metal, dok poluprovodnik p-tipa ima na toplijem dijelu manje pozitivnih

nosilaca elektri iteta, šuplji a ego a hladnijem. Zbog toga n-tip poluprovodnika na hladnoj

strani generira negativni potencijal, a p-tip pozitivni. Korište je elektro a i šuplji a u

8

vođenju struje kroz poluprovodik ože se realizirati serijski spoj koji e u a juje učinak

hlađenja.

Slika br.4: Peltierov efekt na poluprovodnicima

9

3.0 Toplotne pumpe bazirane na Peltierovoj

ems

3.1 Osnovni model

Osnovni modul za grijanje, odnosno hlađenje pomo u poluprovodnika, prikazan je na

slici br.5. Elektroni se mogu slobodno gibati u bakrenom provodniku. Pri prijelazu iz metala

na topliju stranu p-tipa poluprovodnika reko i iraju se sa šuplji a a. Kako su elektro i u

etalu a višoj e ergetskoj razi i od šuplji a, da i popunili prazna mjesta a ižoj energetskoj razini u kristalnoj strukturi poluprovodnika, gube energiju u obliku topline.

Unutar p-tipa poluprovodnika struju či e šuplji e koje se kre u od hladnijeg prema toplijem

kraju. Pri prijelazu iz p-tipa poluprovodnika u bakreni provodnik na hladnoj strani elektroni

trebaju skočiti a višu e ergetsku razi u. To je mogu e samo tako da apsorbiraju potrebnu

količinu energije. Nakon toga se slobodno kre u kroz bakreni provodnik na hladnoj strani.

Zatim dolaze na spoj metala i poluprovodnika na hladnoj strani. Budu i da je dno vodljivog

pojasa poluprovodnika a višoj energetskoj razini od Fermijeve energetske razine

provodnika, elektroni trebaju apsorbirati energiju dovoljnu da prijeđu u vodljivi pojas

poluprovodnika n-tipa. Zbog toga ja taj dio poluprovodnika hladniji. Kroz poluprovodnik n-

tipa elektroni se kre u u vodljivom energetskom pojasu. Na kraju dolaze do drugog spoja

metala i poluprovodnika. Slobodni elektroni u vodljivom pojasu poluprovodnika su a više energetskom nivou od Fermijevog nivoa metala, pa pri prijelazu u metal gube energiju. Zato

se taj dio zagrijava. Da bi dobili bolje hlađenje, na topliju stranu opisanog modula se stavi

pasivni hladnjak u svrhu odvođenja topline. Ako se modul koristi za grijanje, potrebno je

samo promijeniti smjer struje u krugu promjenom polarizacije napona napajanja. Treba

istaknuti da spoj metala i poluprovodnika ni na jednom mjestu nije ispravljački.

Slika br. 5: Modul za grijanje/hlađenje

10

3.2 Model pumpe

Ako se želi do iti ve e grijanje ili hlađenje, potrebno je više takvih odula spojiti u seriju. Na taj način se dobije Peltierova toplotna pumpa – uređaj sastavljen od velikog broja

naizmjenično poredanih osnovnih elemenata između dva sloja keramike (slika br.6). Toplina

se uvijek apsorbira na hladnoj strani p-tipa i n-tipa poluprovodnika. Kapacitet grijanja ili

hlađenja ovakve toplinske crpke ovisi o geometrijskim dimenzijama, broju parova elemenata

p-tipa i n-tipa poluprovodnika, svojstvi a korište ih aterijala, a proporcionalan je struji.

Slika br.6: Sastavljanje elemenata

3.3 Model generatora

Osnovni modul za termoelektrični generator prikazan je na slici br. 7. Ako se uz

pomo metala spoje zajedno topliji krajevi p i n-tipa poluprovodnika, a između hladnijih

krajeva se spoji električni otpor, napon uzrokovan Seebeckovim efektom e potjerati struju

kroz strujni krug. Takav spoj generira snagu na električ o potrošaču. “erijsko vezo više

odula ogu se do iti viši apo i.

11

Slika br. 7: Termoelektrični generator

3.4 Materijali

)a do iva je što kvalitet ijih opisa ih odula potre o je ispuniti određene zahtjeve

u odabiru termoelektričnih materijala. Osnov o je da ože o do iti dva tipa vodljivosti:

elektro sku i šuplji sku. Taj zahtjev ispunjavaju poluprovodnici. Važ a je i što efikas ija pretvorba električne energije u toplinsku ili obratno, ovisno o vrsti modula. Materijali koji se

da as koriste, pružaju otpor prolasku struje, što se a ifestira u zagrijava ju aterijala

(Jouleova toplina).To je najve a smetnja kod modula za hlađenje jer se direktno umanjuje

učinak toplotne pumpe, a potrebno je da specifična električna vodljivost materijala ude što ve a. Kako kristali poluvprovodnika na jednom kraju trebaju biti topli, a na drugom hladni,

toplinska vodljivost i tre a iti što a ja kako i se održavao gradije t temperature. Dobri

termoelektrič i aterijali tre aju i ati što ve i faktor izvrsnosti, a to znači što ve u

specifičnu električnu vodljivost i što a ju toplinsku vodljivost. Problem je u to e što materijali koji imaju dobru električnu vodljivost, imaju i dobru toplinsku vodljivost. Zato se za

termoelektrič e aterijale istražuju o e poluvprovodnike strukture koje pokazuju visoku

vodljivost slobodnih nosilaca elektriciteta, a istodo o otežavaju gi a je kvanta toplinske

energije, fonona. Do danas su se najboljim pokazali spojevi iz obitelji telurita. U

termoelektričnim hlad ja i a ajviše se koristi legura bizmuta i telurida koja je prikladno

dopirana primjesama tako da se dobije visoka vodljivost p-tip i n-tip poluprovodnika bizmut-

telurida (Bi2Te3). Treba istaknuti da ne postoji jedan materijal koji je pogodan za primjenu u

svim temperaturnim područjima koja su od interesa. Zato se koriste i drugi materijali, ovisno

o pri je i, kao što su: olovo-telurid (PbTe), silicijgermanij (SiGe), bizmut-antimon legure (Bi-

Sb). Bizmuttelurid je najpogodniji u temperaturnom području u kojem i a ajviše pri je a hlađenja i grijanja.

12

3.5 Prednosti i primjena

Najve a prednost termomodula je da rade na električnom principu bez pokretnih

dijelova što z ačajno pojed ostavljuje održava je. Ne stvaraju uku i električni šu tijeko pa se mogu koristiti zajedno s osjetljivim elektroničkim senzorima. U usporedbi s

mehaničkim sustavima hlađe ja ogo su a ji i lakši te iste snage, a u radu ne koriste

nikakve ke ikalije ili pli ove koji ogu iti štet i za okoli u. Budu i da isti odul ože poslužiti za grija je i hlađenje, ovisno o polaritetu priključenog istosmjernog napona,

nema potrebe za odvojenim funkcijama grijanja i hlađenja. Uz odgovaraju i regulacijski krug,

termomoduli omogu uju regulaciju te perature pre iz ije od ± . °C, čak i ispod ± . °C. Zbog poluvprovod ičke ko struk ije posjeduju vrlo visoku pouzdanost. Tipični vijek trajanja

im je ve i od 200.000 radnih sati, što je više od godi e. Na njihov rad ne utječe položaj i okolina pa se često koriste u zračnom prostoru i besteži sko sta ju. Napajaju se iz istih

jer ih izvora u široko rasponu ulaznih napona i struja te pulsno-širi sko odula ijo (PWM). Prednost korište ja PWM je u kvalitetnijoj regulaciji napajanja modula uz manja

temperatur a adviše ja što rezultira ve o pouzda oš u i duži život i vijeko . Moduli

malih dimenzija mogu se direktno montirati na komponentu ili područje koje treba hladiti,

tako da nema nepotrebnog rasipanja energije. Ako su strane termoelektričnog modula na

različitim temperaturama, ože poslužiti i kao ge erator električne energije. Za razliku od

pasivnog hladnjaka, Peltierov hladnjak dopušta s ižava je te perature objekta ispod

temperature okoline kao i stabiliziranje temperature objekta koji je izlože široko promjenjivim uvjetima okoline. Peltierovi hladnjaci op enito mogu odstranjivati toplinu u

području od mW do nekoliko hiljada W. Najviše se koriste oduli do W, a sve više se

koriste od 200 do 400 W. Ve ina jednostepenih Peltierovih hladnjaka su sposobni crpsti

maksimalno 3 do 6 W/cm2 s površi e odula. Iako i a primjena hlađenja ispod - °C, temperaturne razlike najčeš e e prelaze °C kroz odul. Za pove anje cjelokupnih

performansi toplinske pumpe koriste višestruki oduli. Pri tome slaganje modula jednog na

drugog pove ava raspon temperature, ali i degradira karakteristike toplinske pumpe. Veliki

Peltierovi sistemi u području kW izgrađe i su u prošlosti za specijalizira e a je e kao što je hlađenje unutar podmornice i u pruž i vozili a. “istemi takvog kapaciteta danas se koriste

u proizvodnim linijama poluprovodnika.

Pri je a Peltierova odula pokriva širok spektar ljudskih djelatnosti s različitim

tehničkim zahtjevima: vojska, medicina, industrija, telekomunikacije, znanost i potrošačka

teh ika. Raspo korište ja uređaja kre e se od različitih vrsta hladnjaka (za laserske diode,

laboratorijske instrumente, elektronička ku išta i ko po e te i dr. , temperaturnih kupka,

telekomunikacijske opreme do iznimno profinjenih sustava kontrole temperature i

termoelektričnih generatora u raketama i svemirskim vozilima. Na slici br.8 prikazane su

dvije temperaturne kupke koje se koriste u laboratoriju za umjeravanje temperature, a za

grijanje i hlađenje koriste Peltierov modul. Mogu poslužiti kao prije os i instrumenti ili kao

temperaturni kalibratori za umjeravanje termoparova i otporničkih detektora temperature

(RDT). Na slici 9 je prikazan osnovni termoelektrič i modul kao i njegov shematski presjek.

13

Slika br.8: Primjer temperaturnih kupki

Slika br.9: Primjer ter oelektrič og odula i she atski prikaz istog

14

4.0 Zaključak

Zbog prednosti primjene termoelektričnih modula u funkcijama grijanja i hlađenja,

neprekid o se vrše istraživa ja ovih aterijala i struktura u svrhu dobivanja modula

sastavljenih od elemenata koji dobro vode struju, a istodobno su dobri izolatori topline s

kojima se ože posti i ve a temperaturna razlika tople i hladne strane. Izbor ovih modula u

području manjih snaga daje ajopti al ije rješe je, aročito u primjenama gdje je potrebna

precizna regulacija temperature, visoka točnost i pouzda ost predlože og rješe ja kao što su temperaturne kupke, jedinice preciznog hlađenja i dr.