13:12 ICT Thứ hai, 23/07/2018
Rss Feed

Khả năng làm lạnh của thiết bị sử dụng tế bào nhiệt điện theo hiệu ứng Peltier-seebck

Đăng lúc: Thứ hai - 12/12/2016 16:31 - Người đăng bài viết: Cộng tác viên

 

Các thành tựu khoa học và kỹ thuật khi được triển khai ứng dụng đã góp phần quan trọng trong việc cải biến thế giới và phục vụ đời sống con người. Khoa học kỹ thuật đã và đang đi vào nhiều lĩnh vực khác nhau: nông nghiệp, công nghiệp, năng lượng, môi trường, vv… Trong đó, năng lượng và bảo vệ môi trường đang là vấn đề mà tất cả các nước trên thế giới quan tâm. Việc nghiên cứu các thiết bị tiết kiệm năng lượng, hạn chế khí thải gây hiệu ứng nhà kính đã được thực hiện khắp nơi trên thế giới, chẳng hạn như sự ra đời của công nghệ đèn LED hoặc công nghệ Inverter của các máy lạnh trong những năm gần đây.

Khả năng làm lạnh của thiết bị sử dụng tế bào nhiệt điện theo hiệu ứng Peltier-seebck

Bên cạnh đó, trong nhiều trường hợp và mục đích khác nhau, chúng ta cũng cần những thiết bị làm lạnh hoặc nguồn điện nhỏ đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng cá nhân và tiện lợi trong sử dụng, ví dụ như bảo quản vaccine, làm mát thức uống trên xe máy khi đi xa dưới khí hậu nóng bức hoặc sạc pin điện thoại, máy tính khi bị mất điện. Đây thật sự là nhu cầu cần thiết đối với đời sống hằng ngày của chúng ta. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có nhiều thiết bị tiện ích giúp chúng ta giải quyết vấn đề này. Trong khi đó, hiệu ứng nhiệt điện được cho là một trong những giải pháp hiệu quả, có thể giúp chúng ta tạo ra các thiết bị này.

Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, hàng loạt các linh kiện chuyển hoá nhiệt - điện được ra đời với chi phí thấp và hiệu suất cao. Đây là cơ hội tốt cho chúng ta sáng tạo, thiết kế các thiết bị ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện vào đời sống hằng ngày. Nhằm đánh giá các thông số vật lý cơ bản và các yếu tố ảnh hưởng đến việc ứng dụng tế bào nhiệt điện tạo ra các thiết bị làm lạnh chúng tôi tiến hành thực nghiệm với tế bào nhiệt điện peltier TEC1-12706 trên thị trường hiện nay. Trong báo cáo này, tác giả trình bày một số kết quả đạt được đối với thiết bị làm lạnh mini hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện thông qua việc sử dụng tế bào nhiệt điện. Những kết quả thu được trong nghiên cứu này góp phần đưa ra những giải pháp nâng cao hiệu suất làm lạnh của tế bào nhiệt điện peltier.

1.  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào nhiệt điện Peltier

a. Hoạt động: Tế bào nhiệt điện Peltier là linh kiện điện tử có các mối tiếp xúc hai bán dẫn p-n được nối nối tiếp với nhau, có chức năng thực hiện sự hoá chuyển điện năng thành nhiệt năng, và ngược lại, nhiệt năng thành điện năng. Khi cho dòng điện một chiều chạy qua hai mối tiếp xúc P-N thì nhiệt lượng một mối tiếp xúc tăng lên, một mối tiếp xúc bị lạnh đi. Ngược lại, khi tạo nhiệt độ chênh lệch giữa hai mối tiếp xúc khác nhau thì có một dòng điện chạy qua đoạn mạch và tạo ra một suất điện động tạo thành nguồn điện một chiều.

b. Cấu tạo của tế bào nhiệt điện Peltier:

Cấu tạo chính của tế bào nhiệt điện bao gồm các bộ phận chính: các vật liệu bán dẫn loại P và loại N được mắc nối tiếp với nhau; hai bản mặt cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt được kết nối với nguồn nóng và nguồn lạnh (một bản áp sát mối tiếp xúc P-N, bản còn lại áp sát hai bán dẫn P và bán dẫn N, như chỉ ra trong hình 1); các bản kim loại dẫn điện tốt dùng để kết nối các bán dẫn P và bán dẫn N; và hai bản điện cực để nối vào chân bán dẫn P và chân bán dẫn N.

dt11

dt12

Hình 1a. Cấu tạo tế bào nhiệt điện Pletier TEC1-12706.

Hình 1b. Sự kết nối bán dẫn trong tế bào nhiệt điện.

Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng tế bào nhiệt điện mà chúng ta cấp nhiệt lượng (độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh) hay cung cấp nguồn điện một chiều. Trong trường hợp tạo thiết bị làm lạnh, chúng ta cung cấp nguồn điện một chiều DC vào hai cực của tế bào nhiệt điện, chân bán dẫn P nối với cực âm và chân bán dẫn N nối với cực dương của nguồn. Khi cần tạo ra nguồn điện một chiều, chúng ta cung cấp nhiệt lượng vào mối tiếp xúc P-N và lấy suất điện động ngõ ra tại hai chân bán dẫn P và N. Hình 2 mô tả nguyên tắc kết nối và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn điện một chiều (bên trái) và thiết bị làm lạnh (bên phải) sử dụng tế bào nhiệt điện.

dt5

Hình 2. Nguyên tắc kết nối và nguyên lý hoạt động của thiết bị tạo nguồn điện DC (trái) và thiết bị làm lạnh (phải) sử dụng tế bào nhiệt điện.

2. Ứng dụng tế bào nhiệt điện tạo thiết bị máy lạnh mini

Thiết bị máy lạnh mini được thiết kế với tế bào peltier TEC1-12706, mặt nóng được gắn với bộ tản nhiệt, mặt lạnh được kết nối với đường ống dẫn nước phun sương thông qua bộ phận water lock. Máy bơm nước mini sẽ dẫn nước lạnh từ water lock đến vòi phu sương để hai quạt hút-đẩy thổi không khí lạnh ra ngoài. Hai cực của peltier được nối với nguồn điện 15V thông qua một biến trở R (nhằm thay đổi công suất hoạt động của pletier). Tất cả thiết bị được lắp đặt trong hộp cách nhiệt có kích thước 10 x 10 x 20 cm. Sơ đồ thiết kế được chỉ ra trong hình 3.

dt4

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy quạt lạnh mini.

 

Để đánh giá tốc độ làm lạnh và nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được đối với thiết bị này, chúng tôi tiến hành đo đạc các thông số nhiệt độ và thời gian ứng với từng giá trị công suất khác nhau 3W, 8W và 10W bằng cách thay đổi biến trở. Kết quả chỉ ra rằng, ứng với công suất lớn hơn thì khả năng làm lạnh cao hơn, ở công suất 10W thiết bị có khả năng làm lạnh không khí đến 290 Kelvin (17 oC). Trong khi đó, ở công suất thấp, nhiệt độ thấp nhất chỉ đạt được đến 22 oC, như trình bày trong đồ thị hình 4. Ngoài ra, tốc độ làm lạnh của thiết bị phụ thuộc lớn vào công suất (dòng điện và điện áp đặt vào mạch), ứng với 3W tốc độ làm lạnh của thiết bị đạt khoảng 1.3 K trong một phút, trong khi đó với công suất 10W tốc độ làm lạnh tăng lên gấp đôi. Điều này cũng chứng tỏ quan hệ giữa tốc độ làm lạnh và công suất không phải là hàm tuyến tính, mà tốc độ làm lạnh tăng nhanh theo hàm e-mũ với công suất, xem hình 5. Sự phụ thuộc vào công suất của nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được cho chúng ta kết quả là một hàm phi tuyến, như chỉ ra trong hình 6. Chúng ta cần lưu ý rằng nhiệt độ làm lạnh của thiết bị quạt lạnh khác với nhiệt độ lạnh của tế bào nhiệt điện. Sự truyền nhiệt từ tế bào nhiệt điện ra ngoài thông qua hơi nước. Mặc dù, về mặt lý thuyết, công suất và nhiệt độ lạnh có thể đạt được của tế bào nhiệt điện có mối quan hệ tuyến tính theo công thức của Peltier, nhưng thực tế không phải vậy. Các mối quan hệ phi tuyến trong thực tế có thể được giải thích dựa trên các yếu tố tác động, ảnh hưởng đến các thông số nhiệt học của hệ thiết bị. Chẳng hạn, độ đồng nhất của hơi nước khi được phun sương, giá trị khác nhau của hệ số hấp thụ nhiệt của hơi nước và của không khí, độ ổn định của nguồn điện cung cấp cho thiết bị, sự không đồng nhất của các bán dẫn,…

dt1

dt2

dt3

Hình 4. Đồ thị độ giảm nhiệt độ theo thời gian của thiết bị máy quạt lạnh sử dụng tế bào nhiệt điện TEC1-12706.

Hình 5. Mối quan hệ giữa công suất và tốc độ làm lạnh của thiết bị.

Hình 6. Mối quan hệ giữa công suất và nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được.

 

Từ những kết quả vừa nêu, chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng, để nâng cao hiệu suất làm lạnh, tốc độ làm lạnh và giảm thấp hơn nữa nhiệt độ thì chúng ta cần có tế bào nhiệt điện có công suất lớn. Bên cạnh đó, nhiệt độ thấp nhất chỉ đạt đến một giá trị nào đó nhất định, không thể hạ thấp mãi bằng cách tăng công suất của tế bào. Đây cũng là một hạn chế của việc làm lạnh theo hiệu ứng nhiệt điện vì hệ số Seebeck và Peltier chỉ đạt đến một giá trị nhất định và phụ thuộc vào bản chất của các loại bán dẫn được sử dụng. Tuy nhiên, kết quả này chứng tỏ chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các tế bào nhiệt điện peltier để tạo ra thiết bị làm lành công suất nhỏ phục vụ cho đời sống hằng ngày mà tiết kiệm năng lượng và giảm sự ô nhiễm môi trường.

Với những kết quả vừa nêu, chúng ta có thể khẳng định rằng với các tế bào nhiệt điện chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra một chiếc quạt lạnh đạt đến nhiệt độ rất thấp hoặc tạo ra các thiết bị làm lạnh tương tự. Để tăng tốc độ làm lạnh, chúng ta có thể sử dụng nhiều tế bào nhiệt điện trong thiết bị. Bên cạnh đó, việc thiết kế buồng khí lạnh và bố trí quạt hút – đẩy không khí cũng cần quan tâm để giảm tối đa ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của thiết bị. Việc đánh giá sự phụ thuộc vào số lượng tế bào nhiệt điện của nhiệt độ thấp nhất cũng cần được khảo sát, vì hiệu suất làm lạnh chưa hẳn đã phụ thuộc tuyến tính vào số lượng tế bào khi mà độ chênh lệch nhiệt độ giữa các mặt tiếp xúc của các lớp tiếp giáp bán dẫn P-N chỉ đạt đến một giá trị nhất định. Việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện để tạo ra các thiết bị là rất cần thiết vì nó thiết thực trong đời sống hằng ngày của chúng ta.

Tác giả bài viết: Nguyễn Huy Tùng
Đánh giá bài viết
Xếp hạng: 5 - 1 phiếu bầu
Tổng số điểm của bài viết là: 5 trong 1 đánh giá
Click để đánh giá bài viết
 

ddkhtt1

Bản tin PBKT số 167/2018 new (1)

Trang 1 ban tin 167 copy

Phổ biến kiến thức theo Chuyên đề new (1)

Trang 1 Chuyen de Pho bien kien thuc thang 6 2018 (final) copy small