PowerPoint bemutat

Prof. Dr Vajda IstvnBME Villamos Energetika TanszkMegjul energik villamos rendszerei (BMEVIVEM262)TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048A Projekt az Eurpai Uni tmogatsval, az Eurpai Regionlis Fejlesztsi Alap trsfinanszrozsval valsult meg

Hvillamos genertorok4. fejezet1. rszBevezets3Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokEredet4A hvillamos (grg eredet, de szintn elterjedt terminolgival: termoelektromos) energiatalaktk a henergit alaktjk t kzvetlenl villamos energiv, ill. az n. fordtott hvillamos hats rvn- a villamos energit alaktjk t kzvetlenl henergiv.A hvillamos energiatalakts jl ismert az ersram villamosmrnkk eltt, hiszen ezen elven alapulnak a helemek is. Mg azonban a helemek vizsglatakor a hatsfok krdse fl sem merl, a hvillamos genertorok esetn ppen fordtott a helyzet: alkalmazhatsguk, elterjedsk nagymrtkben fgg az energiatalakts hatsfoktl.

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokClkitzsE fejezetben a hvillamos genertorokkal fogunk foglalkozni.Elszr rvid trtneti ttekintst adunk.Majd a hvillamos genertorokkal kapcsolatos mrnki szmtsok elemeit mutatjuk be. Ezen bell trgyaljuk a mkdsi elvet, meghatrozzuk a villamos helyettest kapcsolst, ezt felhasznlva kiszmtjuk a hatsfokot, elemezzk a klnbz paramterek hatst a hatsfok rtkre. Vgl egy szmpldt mutatunk be.

5Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok2. rszTrtneti httrMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok6SeebeckA hvillamos energiatalaktk mkdse hrom jelensgen alapul. Az elst 1821-ben Thomas Johann Seebeck (1770-1831) nmet fizikus szlelte. Kt klnbz anyag vezet vgeit sszeszortotta. Az egyik rintkezsi pontot melegtve azt tapasztalta, hogy a vezetk kzelbe helyezett mgnest kitrt. A felfedezett jelensg tovbbi vizsglata cljbl, ksrlett szmos anyagpron is elvgezte. 7Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokSeebeck-effektusA jelensg helyes magyarzatt ennek ellenre nem tallta meg, ugyanis, gy kpzelte, hogy a mgneses tr szerkezete kzvetlenl a hmrskletklnbsg hatsra vltozik meg a vezetk krnyezetben. gy kutatsait abban az irnyban folytatta, hogy bebizonytsa: a Fld mgneses tert a plusok s az Egyenlt kztti hmrskletklnbsg hozza ltre. Ma mr tudjuk, hogy a hmrskletklnbsg hatsra feszltsg keletkezik, mely a krben rmot indt. Ennek az ramnak a mgneses tere trtette el a mgnestt. Ezt a termoelektromos jelensget nevezzk ma Seebeck-effektusnak.

8Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokPeltier s effektusaA msodik jelensg felfedezse Jean-Charles Athanase Peltier (1875-1845), francia rsmester (ksbb fizikus) nevhez fzdik. Az 1831-ben vgzett ksrletei alkalmval azt tapasztalta, hogy kt klnbz vezetkbl ksztett hurkon ramot bocstva az rintkezsi pont hmrsklete n vagy cskken, az ram irnytl fggen.Ezt a jelensget nevezzk Peltier-effektusnak. Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) nmet szrmazs orosz fizikus 1838-ban elvgzett ksrletei rvilgtottak az szlelt jelensg gyakorlati hasznosthatsgra is. Bizmut-antimonid hurkon adott irnyban ramot tbocstva a ktsi pont krnyezetben a vz megfagy, majd az ram irnyt megfordtva a jg megolvad. 9Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokKelvin (Thomson?)Lord Kelvin (William Thomson, 1824-1907) angol fizikus a Seebeck s a Peltier-effektus tanulmnyozsa sorn, 1854-ben jutott arra a felismersre, hogy az addig klnllnak ismert jelensgek kztt sszefggsnek kell ltezni: a hatsok minden esetben egyttesen mutatkoznak meg. A jellemz paramterek hibs meggondolsokbl kiindulva helyes, a ksrletek ltal is igazolt sszefggst vezetett le.

10Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokThomson-hEmellett megmutatta ez a hvillamossg harmadik jelensge , hogy a Peltier-h nemcsak klnbz anyagok hatrn lp ki, hanem homogn sszettel vezetbl is, ha annak mentn a hmrskleteloszls inhomogn. A homogn vezetbl kilp hmennyisg egy rszt felfedezjrl Thomson- hnek nevezik. A megklnbztetst az indokolja, hogy mg a Joule-h az ramerssg ngyzetvel arnyos (s gy az ramirnytl fggetlen), addig a Thomson-h az ramerssg lineris fggvnye, s fgg annak eljeltl is.

11Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokAltenkirchA hvillamos energiatalakts helyes elmleti megalapozst E. Altenkirch nmet fizikus vgezte el az 1909-1911-es vekben. Arra a kvetkeztetsre jutott, hogy a hvillamos berendezsekben olyan anyagokat clszer hasznlni, melyek Seebeck-egytthatja nagy, fajlagos ellenllsa s hvezetsi egytthatja kicsi. Ilyen tulajdonsgokkal a flvezetk rendelkeznek, melyek Altenkirch munkssga idejn mg nem voltak szles krben elterjedtek.

12Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokJoffe s a flvezetkA flvezetk hvillamos berendezsekben trtn felhasznlsa A.F. Joffe szovjet fizikus nevhez fzdik, aki 1956-ban fedezte fel, hogy a PbTe s PbSe alkalmazsval igen j hatsfokkal (8-10%) zemel hvillamos energiatalaktk kszthetk. A hvillamos genertorok alkalmazsnak s elterjedsnek kulcskrdse a minl nagyobb hatsfok elrse.

13Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok13FelhasznlsA hvillamos genertorok elterjedtek mind a tudomnyos kutatsban, mind a mszaki alkalmazsokban. Teljestmnyk a nhny W-tl a nhny kW-ig terjed.Az albbi elnykkel rendelkeznek:Felgyelet nlkli zemeltethetsg,Nagy megbzhatsg,Hossz lettartam,Egyszer karbantartsOlyan objektumok elltsra hasznlhatk, amelyek a tvvezetkektl tvol esnek, illetleg ahol ms villamos energiaforrs nincs. A hvillamos genertorok klnbz energiaforrsok, gy pl. Nap, sugrz izotpok, fzis reaktorok, szerves zemanyagok, kipuffoggzok, stb. henergijt hasznostjk.

14Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokElterjeds?Ilyen egysgek mkdnek a sarkvidken s a magas hegysgekben felptett automatikus meteorolgiai llomsokon, kozmikus, tengeri s tenger alatti objektumokon, sivatagos terleteken lefektetett gzvezetkek vdelmre. Gazdasgossgi szmtsok szerint, ha a hatsfok elri a 15%-ot, a hvillamos genertorok versenykpesek lesznek szmos ms energiaforrssal.E fejezetben csak magval a hvillamos genertorral fogunk foglalkozni, nem trgyaljuk a htermels klnbz mdozatait.

15Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kontakt-potencilklnbsg Fm-kontaktus Az brn kt klnbz, egymstl elszigetelt M1 s M2 fm energiadiagramja lthat. A fmet jellemz mennyisgeket 1 s 2 indexekkel ltjuk el. Az O index annak felel meg, hogy a fmek nincsenek klcsnhatsban egymssal. 16

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kontakt potencil ltrejtte, fm-fm kontaktus esetna) sszerints eltti helyzetb) sszerints utni helyzet163. rszA hvillamos genertorok elmletnek alapjaiMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok17A kontakt-potencilklnbsg Flvezet-flvezet kontaktus 18Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokKontaktus tpusokA jelensgkr teljeskr ttekintshez hrom kontaktus-tpus tartozik, gymint:Fm-fmFm-flvezetFlvezet-flvezetTekintettel arra, hogy a gyakorlatban alkalmazott hvillamos genertorok flvezet-alapak, gy a tovbbiakban csak ezzel a tpussal fogunk foglalkozni.Az rdekld Olvas a jegyzetben tjkozdhat az els kt tpussal kapcsolatban.Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok19Flvezet-flvezet kontaktus20

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA flvezet-flvezet kontaktusok kzl csak azokat vizsgljuk, amelyekben az egyik flvezet n, a msik pedig p tpus.Ttelezzk fel, hogy akceptor-tpus flvezetben az akceptor-szennyezsek eloszlsa egyenletes. A kontakt potencil ltrejtte flvezet-flvezet kontaktus esetn20Donor-szennyezs beviteleVigynk a flvezetbe donor-szennyezst gy, hogy az utbbi srsge a flvezet egyik felben (Nd) legyen nagyobb, mint a msikban, (Na), azaz Nd>Na.. Ekkor az Nd-vel jellemzett flvezet-rsz elektronvezets, azaz n-tpus, az Na-val jellemzett flvezet-rsz pedig lyuk-vezets, azaz p-tpus lesz. Az erre az esetre vonatkoz potencil-diagram lthat az a brn.21Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokItt felhasznltuk, hogy Ec rtke csak az anyag fajtjtl fgg, s fggetlen a szennyezs tpustl s koncentrcijtl. rintkezsbe hozva a kt flvezett a tbbsgi tltshordozk diffzis ramlsa indul meg. A p-tpus flvezetben a lyuk-srsg magas, a lyukak az n tpus flvezetbe, mg az n tpus flvezetbl az elektronok a p tpusba ramlanak. A kontaktusmenti rtegben a p oldalon negatv, az n oldalon pedig pozitv trtlts kpzdik (d. bra).22Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kontakt trIly mdon a kontaktusban olyan villamos tr keletkezik, amely a kisebbsgi tltshordozk ramlst segti el. A dinamikus egyenslyi llapot akkor ll be, amikor a tbbsgi s kisebbsgi tltshordozk rama megegyezik. A kontakt tr megakadlyozza, hogy az n tpus flvezetbl elektronok ramoljanak a p tpusba, illetleg a p tpus flvezetbl lyukak ramoljanak az n tpusba. Az elektron s lyuksrsg gyorsan cskken a kontaktusmenti rtegbl val tvolsg fggvnyben (c. bra).

23Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokKontakt potencil24Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kontakt-potencil nhny tulajdonsga25Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokPotencil-diagramAz brn hrom anyagbl sszelltott hurok potencilis energia-diagramjt mutatja. Mint lthat, az A s C anyagok kztti potencilklnbsg pontosan ugyanakkora, mintha kzvetlenl sszerintenk ket.26

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokHrom anyagbl ll hurok potencilis energiadiagramja26Potencilklnbsg hurokbanEz a megllapts ltalnosthat, tetszleges szm anyagbl felptett hurokra is: a hurok szlei kztt kialakul potencilklnbsget (kls kontakt potencilt) csak a kt szls anyag kilpsi munkinak klnbsge szabja meg.Amennyiben a kt szls anyag azonos s az rintkezsi felletek hmrskelte megegyezik, a hurok szlei kztt a potencilklnbsg zrus.Ha most zrjuk a hurkot, az gy kialaktott kr mentn vgighaladva, a potencilugrsok eredje zrus.

27Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMagyarzatEllenkez esetben ugyanis a krben ram folyna, s mivel az anyagok kmiai szerkezett llandnak ttelezhetjk fel, az ram csupn csak a krnyezet bels energijnak rovsra vgezhet munkt. Ez azt jelenten, hogy a krnyezetbl felvett henergia teljes egszben villamos energiv alakulna, ami ellenttes a termodinamika II. fttelvel.Az ramkrben a hvillamos energiatalakts teht csak akkor mehet vgbe, ha az rintkezsi felletek hmrsklete eltr. Hogyan alakul ki ekkor a krben zrustl eltr ered feszltsg? Ezt vizsgljuk a tovbbiakban.

28

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokHrom anyagbl ll zrt kr bels kontaktpotenciljnak eloszlsa.284. rszHvillamos alapjelensgekMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok29A Seebeck-effektus30Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMi trtnik zrt hurokban?Ismert, hogy izotermikus zrt hurokban az ered feszltsg a hurkot alkot anyagok megvlasztstl fggetlenl mindig zrus.Vizsgljunk most egy olyan zrt hurkot, melyet kt klnbz, A s B (fm vagy flvezet) anyag alkot (bra). Legyen a nagyobb hmrsklet rintkezsi pont hmrsklete Tm , mg az alacsonyabb Th.

31

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokBels kontaktpotencil32Bels kontakt potencil33Bels kontakt potencil34A hmrsklet hatsaIsmeretes, hogy az F Fermi-nv rtke fgg a hmrsklettl. Emiatt az Ub bels kontaktpotencil a Tm ill. Th hmrsklet kontaktusokon nem lesz azonos rtk.gy tnhet, hogy a krben feszltsg csak a kontaktusokon keletkezik.Ez azonban nem gy van: ha egy anyagban a hmrsklet-eloszls inhomogn, akkor a potencil-eloszls is inhomogn lesz, s gy tetszleges kt pontot kivlasztva, kzttk a potencilklnbsg ltalban zrustl eltr rtk. Ez fizikai kp alapjn belthat, valamint egzaktul a Fermi-Dirac statisztika alapjn bizonythat.

35Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokDiffzis trAz elektronsrsg-eloszls vezetmenti inhomogenitsa kvetkeztben diffzis ramls indul meg: a gyors (nagyobb energij) elektronok a nagyobb hmrsklet tartomnyok fel ramlanak.Mivel a gyors elektronok diffzis rama nagyobb a lass elektronoknl, gy a rd Th hmrsklet, hideg vgn elektrontbblet, mg Tm hmrsklet, meleg vgn elektronhiny keletkezik. Kvetkezskppen a vezetben villamos tr alakul ki, melynek irnya a hmrsklet-gradiens irnyval ellenttes.36Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok

Diffzis tr37Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA diffzis feszltsg38Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokFmek s flvezetkFmek estn d s dT eljele ellenttes, gy 02 Tm>Th;I=03 Tm>Th;I>094Joule-vesztesg komponensMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok95A kontaktusba be- s kilp teljestmnyekA hvezetsblA Peltier-effektusblSzrmaz komponensekre oszthatk.A szmts rszleteit mellzveA jegyzetben megtallhatakazt a taln meglep eredmny szolgljk, hogy a lb Joule-vesztesgnek fele a Tm , a msik fele pedig a Th hmrsklet htartlyba ramlik. A Joule-vesztesg eloszlst lthatjuk az elz bra 1 grbjn.Peltier-effektus komponens96Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMegvan az egyszer eredmny97Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok7. rszA helyettest kapcsols elemeinek szmtsaMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok98 Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok99A bels ellenllsAmit nem ismernk, elnevezzk...100Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokme a bels ellenlls101Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokFajlagos ellenlls vs hmrskletA valsgban a fajlagos ellenllsok fggenek a hmrsklettl.Megllapthatjuk, hogy bizonyos anyagok illetve meghatrozott hmrsklet tartomny esetn valban kevss fgg a hmrsklettl. Ekkor elhanyagolhatjuk a hmrsklet-fggst.102

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA fajlagos ellenlls hmrskletfggsea)p tpus 25% Bi2Te3 -75% Sb2Te3 (1,75% Se) b)p tipus 25% Bi2Te3 -75% Sb2Te3 (2,3% Te)c)n tpus 75% Bi2Te3 25% Bi2Se3 d)p tpus 30% Bi2Te3 70% Sb2Te3 (2% Te)e)n tpus PbTef)p tpus PbTeg)n tpus 75% PbTe 25% SnTeh)n s p tpus SiGei)n tpus As0,9 P0,1k)ZnSbl)p tpus 90% GeTe 10% AgSbTe2m)p tpus 95% GeTe 5% Bi2Te3n)MCC-40, MCC-50, MCC-60102resjrsi feszltsgMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok103Terhels104Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokresjrsi bonyodalmak105Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok

Tisztul a kp106Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokme az eredmny 107Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokJelleggrbkMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok108

Hvillamos genertor bels s kls terhelsi jelleggrbi1 Uo(I)} v>12 Uk(I)}3 Uo(I) } v=14Uk (I)}108KvetkeztetsekMegllapthatjuk, hogy v=1 esetbena terhel ramtl fggetlen forrsfeszltsg: Uo nagyobb;a kapocsfeszltsg: Uk kevsb fgg a terhel ramtl (az egyenes meredeksge v-ed rsze);a rvidzrsi ram nagyobb (v-szerese) mint v>1 esetben. A tovbbiakban v=1 kzeltssel szmolunk. E kzelts annl pontosabb eredmnyt szolgltat, minl kzelebb van v az egysghez.

109Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kpletekben szerepl hvezetsi egytthat a valsgban - -hoz s -hoz hasonlan szintn fgg a hmrsklettl.Ezzel kapcsolatban is azt mondhatjuk, mint korbban: a = lland kzelts jogos-sga a vlasztott anyagtl s a vlasztott hmrsklet-tartomnytl fgg.

.

HvezetsekMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok110

A hvezetsi egytthat hmrsklet fggsea)n tpus PbTeb)p tpus PbTec)n s p tpus SiGed)n tpus As0,9 P0,1e)ZnSbf)p tpus 95% GeTe 5% BieTe3g)MCC-40, MCC-50, MCC-60110E rsz sszefoglalsasszefoglalva az e pontban mondottakat: belthatjuk, hogy br a helyettest kapcsols rendkvl egyszer,elemeinek meghatrozsa azonban ha a valsgos viszonyokat pontosan akarjuk lerni meglehetsen bonyolult, krltekintst s a vgbemen fizikai folyamatok pontos ismerett ignyl feladat. 111Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok8. rszA hvillamos genertor maximlis hatsfoknak szmtsaMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok112Mire szmthatunk?A villamosenergia termels ma tlnyom rszben a hermvekben trtnik. Ismeretes, hogy a nagyteljestmny (1001000 MW) turbgenertorok hatsfoka meghaladja a 99%-ot.Ennek ellenre a hermvek hatsfoka 40% krli, mivel az energiatalakts hatsfoknak megllaptsakor a teljes folyamat vesztesgeit kell figyelembe venni. Hasonl a helyzet a hvillamos energiatalakts esetben is azzal a klnbsggel, hogy a hvillamos genertorok hatsfoka jelentsen elmarad a forg villamos gpek hatsfoktl. 113Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMeghatroz tnyezk114Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMekkork a komponensek?g szmtst a ksbbiekben rszletezzk. A tbbi tnyezre vonatkozan az albbi tapasztalati adatok llnak rendelkezsre:f rtkeit az albbi tblzatban tntettk fl.

k rtke a genertor felptstl fggen 0,95 fltt van.

115A hforrsNukleris energiaNapenergiaGz gsi energijaf0,90,70,80,50,6

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokTblzat: Klnbz hforrsok hatsfokai

115A komponensek116Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA genertor hatsfokaTrjnk most r g szmtsra!Egyszerst feltevsnk rtelmben a hfelvtel ill. leads izotermikus krlmnyek kztt trtnik, msik feltevsnk szerint pedig a lbak s a krnyezet kztti energia kzlst elhanyagoltuk (adiabatikus viszonyok).gy az energiatalakts a Carnot-ciklus szerint megy vgbe. 117Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokCarnot - reverzibilis118

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokCarnot - irreverzibilis 119Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokItt a genertor hatsfok!120

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA felvett h121Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokTerhels alatt122Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMi hat a genertor hatsfokra?123Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokKRb minimuma124Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokTovbbi hatsok125Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokKzeleg a jsgMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok126Jsgi tnyez127Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMaximlis hatsfok128Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokHatsfok elemzs129

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokbra: i s a Z*Tk fggvnyben, T2 = 300K esetn_________--------------iTm=428KTm=600KTm=1000KTm=3000K129Carnot-hatsfokC rtkeit az brn lthat esetekre a tblzatban foglaltuk ssze.

Th=300K130Tm [K]42860010003000C0,2990,50,70,9Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokTblzat: A Carnot-hatsfok az brn lthat hmrskletekra

1309. rszA hvillamos genertor maximlis teljestmnynek szmtsaMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok131Teljestmny vs hatsfokBizonyos alkalmazsokban az lehet a kvetelmny, hogy a hvillamos genertor a maximlis teljestmnyt szolgltassa, mg akkor is, ha ez a hatsfok cskkenst eredmnyezi. Maximlis teljestmnyre mretezve a genertort ugyanis arra treksznk, hogy a fajlagos mutatk: gy pl.a teljestmny/trfogat, teljestmny/tmeg, minimlis flvezet-tmeg, kedvezek legyenek.132Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokTeljestmny illeszts133Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokPldaMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok134Kritrium135Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMaximum keresse136Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok10. rszSokelemes hvillamos genertorok.Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok137A gyakorlatban egy darab kevsA gyakorlatban tbbnyire sokelemes genertorokat alkalmaznak. Ennek oka egyrszt abban keresend, hogy mg egy elem kapocsfeszltsge 10.100mV, addig a fogyaszt kapocs feszltsge 1.100V nagysgrend. Msrszt a hvillamos genertorok igen gyakran olyan terleteken kerlnek felhasznlsra, melyek fokozott megbzhatsgot kvetelnek. 138Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA kapocsfeszltsg nvelse az elemek villamos szempontbl soros, a megbzhatsg nvelse pedig az elemek villamos szempontbl val prhuzamos kapcsolsval valsthat meg.

Mtrix kapcsols139

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok

Sokelemes hvillamos genertoroksoros villamos kapcsolssoros-prhuzamos villamos kapcsols 139Mtrixgy vglis a hvillamos genertor az egyes elemek soros-prhuzamos kapcsolsval felptett rendszer.Mint az brrl lthat, ebben az esetben a soros villamos kapcsols mellett az egyes elemek termikusan prhuzamosan vannak kapcsolva. ltalnossgban az llapthat meg, hogy az elemek villamos s termikus kapcsolsi mdjt esetenknt kell meghatrozni, illetve az alkalmazs szempontjbl figyelembe vve megvlasztani.140Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMtrixban krltekintenMagtl rtetd, hogy a sokelemes genertor mkdsnek lershoz azt mint rendszert kell tekinteni, hiszen olyan jelensgeket illetve tnyezket is figyelembe kell venni, amelyek az egyes elemek esetben nem, vagy csak elhanyagolhat mrtkben mutatkoznak meg. Ez annyit jelent, hogy a jelensgek idealizlsa kisebb mrtkben engedhet meg, msszval a lersnak pontosabban kell tkrznie a valsgos krlmnyeket s folyamatokat.A sokelemes hvillamos genertorok mkdsnek lersa bonyolult integro-differencil egyenletrendszerre vezet, melynek megoldsa ltalban csak numerikus mdszerrel vgezhet el.141Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok11. rszSzempontok az anyagkivlasztshozMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok142Valjban az anyag dntKorbban megmutattuk, hogy a jsgi tnyez rtke nagymrtkben befolysolja a hvillamos genertor hatsfokt. Valban, a jsgi tnyez rtknek kis vltozsa jelentsen vltoztatja meg a hatsfokot. Mivel a jsgi tnyez csak anyagjellemzk fggvnye, gy kritrium-knt hasznlhat az adott alkalmazs esetn optimlis tulajdonsg anyag kivlasztshoz.143Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMirt szempontok?Hangslyozzuk azonban egyttal azt is, hogy az anyagkivlasztshoz ma mg nem llnak rendelkezsre szigor, tudomnyosan megalapozott sszefggsek. Ezrt csak ltalnos szempontok adhatk, melyeket minden esetben a gyakorlat sorn felhalmozott tapasztalatokkal kell kiegszteni.144Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokJsgi tnyez vs anyag145Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokFmek esete146Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokMi a helyzet flvezetkre?147Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokBetekintsVizsgljuk meg a mondottakat valamivel rszletesebben!A Z kifejezsben szerepl mindhrom paramter fgg a tltshordoz-koncentrcitl, mghozz gy, hogy ennek nvekedsvel; cskken; cskken; n.

148Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokAnyagok sszehasonltsa149

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokAz anyagjellemzk a tltshordoz-srsg fggvnyben1 Fajlagos ellenlls2 Seebeck-egytthat3 Hvezetsi egytthat4 Jsgi tnyez149s a flvezetk?Megfelel mrtkben doppolt flvezetk s tmeneti fmek esetben, melyekben a tltshordoz-srsg 10181020 cm-3 nagysgrend Z-nek maximuma van. Felhvjuk a figyelmet arra a fontos krlmnyre, hogy amint az brn is lthat Z s maximuma nem esik egybe. A maximlis jsgi tnyezj anyagok Seebeck-egytthatja 200300V/K nagysgrend. 150Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokFlvezetk hvillamos clraAz is megllapthat, hogy a hvillamos genertorokban alkalmazott flvezetk tltshordoz-srsge lnyegesen nagyobb, mint az egyb flvezets eszkzkben (pl., mint pl. a tranzisztorok esetn.151

Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokA Z jsgi tnyez s ZT hmrsklet fggse.a)p tpus 25% Bi2Te3 75% Sb2Te3 (1,75% Se)b)p tpus 25% Bi2Te3 75% Sb2Te3 (2,3% Te)c)n tpus 75% Bi2Te3 25% Bi2Se3 d)p tpus 30% Bi2Te3 70% Sb2Te3 (2% Te)e)n tpus PbTef)p tpus PbTeg)n tpus 75% PbTe-25%SnTehn s p tpus SiGei)n tpus As0,9P0,1k)ZnSbl)p tpus 90% GeTe 10% AgSbTe2m)p tpus 95% GeTe 5% Bi2Te3n)MCC-40, MCC-50, MCC-60

151Jsgi tnyez vs hmrskletMivel a Z-t meghatroz mindhrom paramter fgg a hmrsklettl, gy Z is, mghozz jelents mrtkben a hmrsklet fggvnye. Az brn a mr korbban is szerepelt jsgi tnyez lthat a hmrsklet fggvnyben.Mivel g,max a ZT sorozat fggvnye is, ugyanezen brn Z mellett a ZT fggvnykapcsolatot is bemutatjuk.

152Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertoroksszefoglals153Megjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorokVge az elmleti rsznekMegjul energetika..., MScProf. Dr. Vajda Istvn: Hvillamos genertorok154