Theromelektrischer Energiewandler

Inhaltsangabe

1. Einführung

2. Versuch
2.1 Versuchsaufbau
2.2 Versuchsdurchführung

3. Versuchsergebnisse

4. Diskussion

5. Literaturangaben

1. Einführung

Bestimmte Metalle machen es möglich, Wärmeenergie und elektrische Energie zu koppeln. Bei angelegter Spannung entsteht eine Temperaturdifferenz (Peltier-Effekt). Umgekehrt liefert das Element bei vorhandener Temperaturdifferenz eine elektrische Energie (Seebeck-Effekt). Es sollte im vorliegenden Versuch der Seebeck-Effekt näher untersucht werden.

2. Versuch

2.1 Versuchsaufbau

Es werden zwei Peltierelemente in Reihe geschaltet. Von der einen Seite werden sie mit einer elektrisch betriebenen Heizung erwärmt und von der anderen mit einem Kühlventilator gekühlt. Die Heizung und der Kühlventilator sind jeweils an ein Netzgerät angeschlossen. Oberhalb und unterhalb der Peltierelemente sind Temperaturfüllen angebracht. So kann mit Hilfe eines Messgerätes die Temperatur der beheizten und der gekühlten Seite sowie die Temperaturdifferenz abgelesen werden. Vor den Peltierelementen wird nun ein regelbarer Widerstand geschaltet, mit dem man nun den Messbereich erweitert und die Messung vom „Kurzschluss“ bis zur „Leerspannung“ durchführen kann.

2.2 Versuchsablauf

Zu Beginn des Versuchs werden die Heizung und der Kühlventilator eingeschaltet. Die Heizung wird mit 22,5 V und 4,2 A betrieben und der Kühler mit 15V und 200 mA. Die Zellenheizung wird so einreguliert, dass die Temperatur sich im stationären Bereich auf etwa 70 °C einstellt. Dann wird vom maximalen Widerstand beginnend (Leerlaufspannung) in gleichen Stromintervallen die Spannung gemessen. Bei jeder Messung werden auch die Temperaturwerte der kalten und warmen Seite abgelesen und notiert. Die Messergebnisse werden anschließend in einen Computer eingegeben und in Diagrammen dargestellt.

3. Versuchsergebnisse

4. Diskussion

Diagramme:

Aus dem U-I-Diagramm lässt sich entnehmen, dass der Strom proportional zu der Spannung ist. Bei einem Kurzschluss (U = 0V) fließt der größte Strom Imax= 280 mA und bei der größten Spannung Umax=15,77V ist der Strom I = 0 A.

Das Nutzleistungs-Strom-Diagramm zeigt dagegen einen parabelförmigen Verhalten, das ihren Maximum bei I = 140 mA erreicht. Dabei beträgt die maximale Leistung Pmax = 1,1 W.

Es ist noch zu erwähnen, dass das Diagramm ab dem Messwert I = 183 mA eine geraden Verlauf aufweist. Das geht aus der Messbereich-erweiterung hervor. Aufgrund dieser konnten keine weiteren Messungen in dem Bereich 183 mA ≤ I ≤ 280 mA durchgeführt werden. Es wurde nur noch der Kurzschlussstrom gemessen und die beiden Messpunkte wurden mit einer Geraden (zur Vereinfachung) verbunden.

Das Wirkungsgrad-Strom-Diagramm weist denselben Verlauf wie das Nutzleistungs-Strom-Diagramm. Der maximale Wirkungsgrad wird auch hier bei I = 140 mA erreicht, dieser beträgt ηmax= 1,1 %. Im Vergleich zu den anderen Systemen ist der Wirkungsgrad relativ gering. Eine Solarzelle (an der FH) hat z.B. einen Wirkungsgrad von 14%-17%. Der Wirkungsgrad selbst ist als das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand definiert, bei einer Maschine z.B. das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung. Im unserem Fall wäre es der aufgewendeter elektrischer Strom (Heizung/Kühlung) und der gewonnener elektr. Strom.

Das Gütegrad-Strom-Diagram zeigt ebenfalls eine parabelförmigen Verlauf. Das Maximum wird aber hier bei I = 150 mA erreicht, nicht wie bei den Nutzleistungs-, und Wirkungsgrad-Strom-Diagrammen wo das Maximum bei I = 140 mA erreicht wurde. Dabei beträgt der maximale Gütegrad ηGüte= 10,62 %. Der Gütegrad gibt bei Wärmkraftmaschinen das Verhältnis von tatsächlich gewonnener Leistung zur theoretischen maximalen Leistung (Carnot-Wirkungsgrad = 1 - T2/T1) der Maschine an. Der Gütegrad ist daher ein Maß für die inneren Verluste.

Thermoelektrischer Effekt:

Bringt man die Kontaktstellen eines aus zwei verschiedenen Leitermaterialien bestehenden Stromkreises auf unterschiedliche Temperaturen, so fließt ein Wärmestrom vom wärmeren zum kälteren Gebiet. Die am Wärmetransport beteiligten Ladungsträger verteilen sich längs des Leiters inhomogen. Es kommt zu einer inneren Feldstärke, die sich als Urspannung U0 an den offenen Leiterenden nachweisen lässt. Die Spannung ist in erster Näherung der Temperaturdifferenz DT der beiden Kontaktstellen proportional. Diesen Effekt nennt man der Seebeck-Effekt, entdeckt von Thomas Johann Seebeck im Jahre 1821

Schickt man umgekehrt bei anfänglicher Temperaturgleichheit der Kontaktflächen einen Strom durch das Element, so kommt es zu einem Temperaturgefälle zwischen den Kontaktstellen, wobei die pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge Q der Stromstärke I proportional ist. Diesen Effekt nennt man der Peltier-Effekt.

Vorteile:

- Ökologische Reinheit
- Keine Lärmbelästigungen
- Keine Erschütterungen / Vibrationen
- Kühlen und Heizen einfach durch Umpolen des Gleichstromes. Vielseitige Verwendung
- Betrieb in allen Lagen und Atmosphären

Nachteile:

- Geringer Wirkungsgrad
- Geringer Gütegrad
- Kühlung der heißen Platte immer notwendig (Peltier-Effekt)
- Gefährliche Wasserkondensation
- Stromversorgung muss immer gewährleistet sein (Seebeck-Effekt)

Anwendungsgebiete:

- Stromerzeugung in der Raumfahrt
- Kompensation von unerwünschten Wärmeflüssen
- Temperaturstabilisierung
- Kühlboxen (Transport von Medikamenten)
- Temperaturmessung

Seebeck-Effekt

Berühren sich die Verbindungsstellen (z. B. Lötstellen) verschiedener Metalle oder Metalllegierungen unterschiedlicher Temperaturen, so gehen Elektronen aus dem Metall mit der niedrigeren Austrittsarbeit in das Metall mit höherer Austrittsarbeit über. Das Metall mit der niedrigeren Austrittsarbeit lädt sich positiv auf, gegenüber dem Metall mit der höheren Austrittsarbeit, das eine negative Ladung vorweist. Verbindet man beide Metalle zu einem geschlossenen Stromkreis mit zwei Berührungsstellen so fließt aufgrund dieser Spannungsdifferenz, die auch Thermospannung genannt wird, ein Strom. Dies erklärt die Temperaturabhängigkeit der Berührungsstellen.

Der Strom des Thermoelementes hängt nicht nur von der Temperatur, sondern auch von den Widerständen im Stromkreis ab.

Die Thermospannung ist definiert durch: U = k * ∆T

Der Quotient k aus U/∆T wird als Thermokraft oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet.

Im Laufe einer Messung sollten die Temperaturen der Berührungsstellen konstant gehalten werden. Im vorliegenden Versuch wurde das durch Kühlen der untern Platte, sowie Heizen der oberen Platte bewerkstelligt.

5. Literaturangaben

- Effekte der Physik und ihre Awendungen, VEB
- Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, Springerverlag
- Praktische Physik, Kohlrausch, B. G. Teubner Stuttgart
- Physik für Ingenieure, Dobrinski/Krakau/Vogel