Моделювання плоских термоелектричних модулів з різною геометричною формою напівпровідникового матеріалу

О.С. Поворознюк, аспірант, А.М. Топалов, канд. техн. наук
Національний університет кораблебудування ім. адмирала Макарова
Україна, 54025, Миколаїв, пр-т Героїв України, 9
тел. +38 (095) 0829618, е-mail: alexey99195@gmail.com;
тел. +38 (063) 1218231, е-mail: topalov_ua@ukr.net

Èlektron. model. 2022, 44(5):102-114

https://doi.org/10.15407/emodel.44.05.102

АНОТАЦІЯ

Створено тривимірні моделі плоских термоелектричних елементів Пельтьє з різною геометричною формою напівпровідникового матеріалу: куба, циліндра, усіченої піра­міди та двох монолітних усічених пірамід. Об’єм напівпровідникового матеріалу 8 мм2, а його висота 2 мм, причому висота становить фіксовану відстань між контактними плас­тинами (провідниками) і робочою пластиною в усіх моделях. Всі моделі створено з одного напівпровідникового матеріалу і досліджено при однакових початкових умовах. Для дослідження і розрахунку тривимірних моделей застосовано метод скінченних еле­ментів в програмному комплексі ELCUT. Отримано основні електричні та теплові па­раметри створених моделей плоских термоелектричних елементів до яких належать густина струму і температура на провідниках термоелектричних елементів. Порівняль­ний аналіз отриманих термоелектричних параметрів дав змогу обрати найефективніші типи форм напівпровідникового матеріалу для підвищення ефективності використання термоелектричного ефекту Пельтьє.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

елемент Пельтьє, порівняльний аналіз, плоский термоелектричний модуль, термоелектричний ефект, форма напівпровідникового матеріалу, комп’ю­тер­не моделювання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Ларичева Л.П. Контроль та автоматичне регулювання хіміко-технологічних процесів. Навч. посібник / Л.П. Ларичева, М.Д. Волошин, О.П. Луценко. Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2015, 320 с.
  2. Liu C. A 500 W Low-Temperature Thermoelectric Generator: Design and Experimental Study / C. Liu, P. Chen, K.Li // International Journal of Hydrogen Energy, 2014. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.07.163.
  3. Chen J. Modeling, Experiments and Optimization of an on-Pipe Thermoelectric Generator / J. Chen, L. Zuo, Y. Wu, J. Klein // Energy Conversion and Management. 2016. [Електрон­ний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.05.087.
  4. Федорейко В.С. Використання термоелектричних модулів у теплогенераторних когенераційних системах / В. С. Федорейко, М. І. Рутило, І. Б. Луцик, Р. І. Загородній // Науковий вісник НГУ. 2014. [Електронний ресурс] Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nvngu
  5. Potirniche G.P. A nonlinear finite element model for the performance of thermoelectric bulk and nanostructured materials / G.P. Potirniche, L.L. Barannyk // Energy, 2019. [Електрон­ний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.040.
  6. Eduardo P.R. Peltier Supercooling in Transient Thermoelectrics: Spatial Temperature Profile and Characteristic Cooling Length / P.R. Eduardo, M.O. Angel // Entropy, 2019. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.3390/e21030226.
  7. Idan Al-Chlaihawi Kadhim K. An Experimental and Theoretical Study of Forced Convection from a Peltier Thermo-electric Cooling / Kadhim K. Idan Al-Chlaihawi, Ahmed Al-Saadi, Nasr A. Jabbar // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1088/1757-899X/870/1/012166.
  8. Çimen H., Cem Ağaçayak A., Neşeli S., Yalçın G. Comparison of Two Different Peltiers Running as Thermoelectric Generator at Different Temperatures // International Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC), 2017. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1109/IRSEC.2017.8477309.
  9. Afshari F. Experimental and numerical investigation on thermoelectric coolers for comparing air‑to‑water to air‑to‑air refrigerators // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2020. [Електронний ресурс] Режим доступу до ресурсу: https://doi.org/10.1007/S10973-020-09500-6.
  10. Venkatesan K. Experimental and Simulation Studies on Thermoelectric Cooler: A Performance Study Approach / K. Venkatesan, M. Venkataramanan // International Journal of Thermophysics, 2020. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1007/s10765-020-2613-2.
  11. Azahar A.H., Mohamad R.A., Harun M.H. et al. Development and Evaluation of Stove Using Peltier Effect: Connection and Temperature Control // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 2020. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.37934/arfmts.70.1.112.
  12. Garrido J. Heat and work fluxes in thermoelectric coolers / J. Garrido, J. Manzanares // Thermal Science and Engineering Progress, 2021. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100817.
  13. Schilling A. Heat flowing from cold to hot without external intervention by using a “thermal inductor” / A. Schilling, X. Zhang, O. Bossen // Science Advances, 2019. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.48550/arXiv.1804.06405.
  14. AL-Khalidy M.M. Internet of Things and Intelligent Peltier Cold/Hot Air Conditioning system / M.M. AL-Khalidy, A.I. Ahmed // 2nd Smart Cities Symposium, 2019. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://doi.org/10.1049/cp.2019.0175.
  15. Максимук М.В. Про оптимізацію термоелектричних генераторних модулів автомобіль­ного передпускового нагрівника // Термоелектрика: Міжнародний науковий журнал, 2017, № 1, c. 57—66. [Електронний ресурс] Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ TE
  16. Поворознюк О.С. Порівняльний аналіз термоелектричних елементів з різними габаритними розмірами контактних пластин / О.С. Поворознюк, О.С. Кириченко // Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих вчених. Миколаїв: НУК, 2019, c. 45—47.
  17. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. Киев: Наук. думка, 1979, 768 с.

ПОВОРОЗНЮК Олексій Сергійович, аспірант Національного університету кораблебуду­вання ім. адмірала Макарова. У 2020 р. закінчив Навчально-науковий інститут автоматики і електротехніки Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова. Область наукових досліджень — робототехніка.

ТОПАЛОВ Андрій Миколайович, канд. техн. наук, доцент кафедри комп’ютеризованих систем управління Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова. У 2014 р. закінчив Навчально-науковий інститут автоматики і електротехніки Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова. Область науко­вих досліджень — математичне моделювання, комп'ютерні системи керування.

Повний текст: PDF