Сравнительный анализ энергетических характеристик однокаскадных и многокаскадных термоэлектрических модулей

Abstract

В статье представлено теоретическое и экспериментальное исследование холодильного коэффициента термоэлектрических модулей, работающих в оптимальном рабочем режиме, т.е. имеющих максимально возможный холодильный коэффициент при требуемых холодопроизводительности и разности температур модуля. Были рассмотрены одно- и многокаскадные термоэлектрические модули, работающие в широком диапазоне разности температур. Показано, что для любой разности температур холодильный коэффициент оптимального многокаскадного термоэлектрического модуля превышает холодильный коэффициент оптимального модуля с меньшим числом каскадов. Стоит отметить, что это оказывается справедливым и для сравнительно малых разностей температур, для которых многокаскадные решения обычно не принимаются во внимание. Аналитические расчеты были сделаны без учета температурных потерь на теплопереходах, тепла Джоуля, выделяющегося на коммутации, а также температурных зависимостей термоэлектрических параметров. Однако при расчете реальных модулей все эти характеристики учитывались численно при помощи метода последовательных приближений. Результаты расчета показывают, что в области разности температур ΔT >50 K двухкаскадные модули более эффективны, чем однокаскадные. И чем ближе значение перепада температур ΔT к максимальному для однокаскадного модуля, тем существеннее становится разница в холодильном коэффициенте. Аналогичная картина наблюдается при сравнении двух- и трехкаскадных охладителей. При разности температур ΔT >70 K трехкаскадные модули имеют очевидное преимущество перед двухкаскадными. Проведено сравнение численных расчетов и данных измерений холодильных коэффициентов оптимальных двухкаскадного и однокаскадного охладителей при разности температур 50 К. Данные эксперимента находятся в хорошем согласии с расчетами. Результаты работы можно использовать при проектировании и оптимизации термоэлектрических модулей в реальных практических задачах с требуемыми ограничениями электрического потребления системы охлаждения.