Эффект зеебека

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Открытие Томаса Зеебека

Томас Зеебек (немецкий физик) в 1821 году, то есть спустя 24 года после обнаружения Вольтом контактной разности потенциалов, провел следующий опыт. Он соединил пластину висмута и меди, а рядом с ними расположил магнитную стрелку. В этом случае, как выше было сказано, никакого тока не возникало. Но стоило ученому поднести пламя горелки к одному из контактов двух металлов, как магнитная стрелка начала поворачиваться.

Теперь мы знаем, что причиной ее поворота стала сила Ампера, создаваемая проводником с током, но на то время Зеебек этого не знал, поэтому он ошибочно предположил, что возникает индуцированная намагниченность металлов в результате разницы температуры.

Правильное объяснения этому явлению было дано несколько лет позже датским физиком Хансом Эрстедом, который указал, что речь идет именно о термоэлектрическом процессе, и по замкнутой цепи идет ток. Тем не менее открытый Томасом Зеебеком термоэлектрический эффект в настоящее время носит его фамилию.

Объяснение эффекта

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Объёмная разность потенциалов

Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Контактная разность потенциалов

Основная статья: Контактная разность потенциалов

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалы электронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов:

U=F2−F1e{\displaystyle U={\frac {F_{2}-F_{1}}{e}}}, где F{\displaystyle F} — энергия Ферми, e{\displaystyle e} — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термо-ЭДС исчезают.

Фононное увлечение

Основная статья: Электрон-фононное увлечение

Если в твёрдом теле существует градиент температуры, то число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать за собой последние и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный) до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения.

Эта разность потенциалов и представляет собой 3-ю составляющую термо-ЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше рассмотренных выше.

Магнонное увлечение

В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термо-ЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

• Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
• Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.

Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

При протекании процесса в обратном направлении — реакция приводит к нагреванию контактного места и обычному тепловому эффекту.

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Термоэлектрический эффект

Земли можно объяснить термоэлектрическим эффектом, действующим в химически и температурно неоднородной среде коры н мантии. Однако в тридцатые годы и даже во время второй мировой войны атомная физика и физика твердого тела развивались оч нь быстро, и в 1945 г. Эльзассер смог отвергнуть все % томарные процессы в роли источников магнитного поля Земли. Развивавшиеся квантовомеханические методы исследования атомов и молекул сделали очевидным, что высокие температура и давление ц земных недрах скорее подавляют, чем усиливают термо-электриче кий эффект и поэтому он совершенно непригоден для объяснения геомагнитного поля. Исходя из этого, Эльзассер заключил, что единственный из возможных механизмов — это индуцирование токрв и полей движениями в жидком металлическом ядре.
 

Это явление называется термоэлектрическим эффектом. Его физическая природа достаточно сложна, но упрощенно он объясняется диффузией свободных электронов через рабочий спай из проводника с большим их содержанием в другой проводник, где их меньше. Это явление и используется для измерения температуры.
 

Термоэлектрические процессы обусловливаются тремя термоэлектрическими эффектами: Зеебека, Пельтье и Томсона, которые обратимы и связаны друг с другом. Одновременно в термоэлектрических устройствах имеют место и необратимые процессы: теплопроводность, обусловленная перепадом температур на слое материала, и процесс выделения тепла Джоуля. Эти явления объясняются тем, что термоэлектрические процессы, в результате которых возникает электрический ток или которые являются результатом прохождения электрического тока по термоэлектрической цепи, сопровождаются обычными процессами, имеющими место в теплообменных аппаратах и электрических цепях.
 

Еще более сильно проявляется термоэлектрический эффект в термоэлементе из полупроводниковых материалов. Преимущество полупроводниковых термопар состоит в том, что они позволяют при той же разнице температур получать большие электродвижущие силы, чем термопары, выполненные из металлов.
 

Эффект Томсона, третий термоэлектрический эффект, состоит в выделении или поглощении тепла при пропускании тока через однородный проводник при наличии градиента темпе — ратуры.
 

Зе-ебеком в 1821 г. термоэлектрический эффект состоит в том, что в цепи проводов, содержащих соединения ( спаи) разнородных металлов, возникает электрический ток, если нагревать одно из соединений.
 

При каких условиях наблюдается первый термоэлектрический эффект, открытый Зеебеком.
 

Теоретическое и экспериментальное изучение термоэлектрического эффекта привело к установлению некоторых закономерностей, которые позволили практически использовать этот эффект для измерения температуры.
 

Этот метод основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников ( термопар), протекает постоянный электрический ток, при условии разности температур обоих спаев.
 

Этот способ основан на термоэлектрическом эффекте, смысл которого заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников ( термопара), при условии перепада температур на спаях проводников возникает постоянный электрический ток.
 

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

Термопара ( а и способ включения прибора в цепь термопары ( б.

Эти преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

Термоэлектрические преобразователи основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
 

В приборах этого вида используется термоэлектрический эффект. Название пирометры, что означает приборы для измерения высоких температур, сохранилось до наших дней по традиции, хотя теперь этими приборами измеряют и очень низкие ( до — 200) температуры.
 

КПД процесса

Удивительный факт перевода теплоты в электричество открывает большие возможности для применения этого явления. Тем не менее для его технологического использования важна не только сама идея, но и количественные характеристики. Во-первых, как было показано, возникающая ЭДС является достаточно маленькой. Эту проблему можно обойти, если использовать последовательное соединение большого числа проводников (что и делается в ячейке Пельтье, речь о которой пойдет ниже).

Во-вторых, это вопрос эффективности генерации термоэлектричества. И этот вопрос остается открытым по сей день. КПД эффекта Зеебека является чрезвычайно низким (порядка 10 %). То есть из всего затраченного тепла лишь одну десятую его можно будет использовать для совершения полезной работы. Многие лаборатории во всем мире стараются поднять этот КПД, что можно сделать, разработав материалы нового поколения, например, с помощью нанотехнологий.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S2sT)/k,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S, тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s, тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k, тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

КПД процесса

Это самый интересный и актуальный вопрос, который касается рассмотренного термоэлектрического эффекта. Если, приложив разность температур к цепи, можно получать электричество, тогда это явление можно использовать вместо распространенных генераторов, основанных на электромагнитной индукции. Этот вывод верен, если КПД эффекта Зеебека достаточно высок.

Для оценки КПД принято использовать следующее выражение:

Здесь ρ — удельное электрическое сопротивление, λ — коэффициент теплопроводности, Z — фактор эффективности термоэлектрического явления.

Понять это выражение несложно: чем больше коэффициент Зеебека, чем выше подвижность носителей заряда (меньше сопротивление) и чем меньше теплопроводность материала (она способствует выравниванию градиента температуры за счет переноса заряда и за счет движения фононов решетки), тем будет выше производительность цепи как генератора электричества.

Значения Z*T для металлов обычно невысоки, поскольку величина λ является большой. С другой стороны, изоляторы также нельзя использовать из-за их огромных значений ρ. Золотой серединой стало применение полупроводников.

В настоящее время для разных температур получены значения Z*T≈1, что означает следующее: примерно 10 % от затрачиваемого тепла переходит в электрическую энергию (КПД = 10 %). Чтобы этот эффект по эффективности выработки электричества мог конкурировать с современными способами его получения, необходимо разрабатывать материалы, для которых Z*T будет составлять 3-4.

Предпосылки открытия эффекта

В 1797 году итальянский физик Алессандро Вольта, проводя исследования в области электричества, открыл одно из удивительных явлений: он обнаружил, что при контакте двух твердых материалов в области контакта появляется разность потенциалов. Она получила название контактной разности. Физически этот факт означает, что зона соприкосновения разнородных материалов обладает электродвижущей силой (ЭДС), способной привести к появлению тока в замкнутой цепи. Если теперь соединить в одну цепь два материала (сформировать два контакта между ними), то на каждом из них появится указанная ЭДС, которая будет одинакова по модулю, но противоположна по знаку. Последнее объясняет, почему не возникает никакого тока.

Причиной появления ЭДС является разный уровень Ферми (энергии валентных состояний электронов) в разных материалах. При соприкосновении последних уровень Ферми выравнивается (в одном материале понижается, в другом — повышается). Этот процесс происходит за счет перехода электронов через контакт, что и приводит к появлению ЭДС.

Сразу следует отметить, что величина ЭДС является незначительной (порядка нескольких десятых вольта).

Работа с элементами Пельтье

Подключение термоэлектрического модуля

Подключение модуля на элементах Пельтье не представляет собой никаких сложностей, так как для этого на два выходящих конца достаточно подать U DC с источника питания ИП

При этом стоит обратить внимание на номинальное напряжение, указанное в техпаспорте

На красный конец провода подается «+», на черный – «-».

Как уже указывалось выше, при ошибочном подключении начинает нагреваться другая поверхность.

Проверка элемента Пельтье

С учетом того, что термоэлектрический модуль должен нагреваться с одной стороны и охлаждаться с другой, самый простой вариант протестировать данное устройство – подать на него необходимое напряжение с ИП. При этом, одна сторона у него станет теплой, а вторая – холодной.

При отсутствии ИП, можно провести проверку подручными средствами, а именно:

• Взять обычный мультиметр и подключить его клеммы к выводам термоэлектрического модуля.
• Зажечь пламя от спички или зажигалки и поднести к одной из пластин, прогрев ее.
• Так как согласно закону Зеебека, разница температур вызовет протекание I, это отразится на экране прибора.

Важно! Шкала показаний мультиметра должна быть выставлена на замер показаний по току

Сборка элемента Пельтье собственными силами

Для тех, кто желает изготовить элемент Пельтье дома, своими руками, стоит отметить, что это практически невозможно. Подобные термоэлектрические модули легко можно приобрести в соответствующих магазинах радиодеталей, а их стоимость настолько невысока, что собирать его вручную становится просто невыгодным.

Однако некоторые из подобных устройств на основе элемента Пельтье можно попробовать собрать самостоятельно. К примеру, портативный генератор на термоэлектрическом модуле сможет пригодиться в походах, поездках или долгих путешествиях.

Для сборки генератора понадобится элемент ИМС L6920:

Как видно из указанной схемы при входном U от 0,8 до 5,5В на выходных клеммах будет присутствовать U=5В. При использовании термоэлектрического модуля, можно ограничить его Т посредством применения походного котелка с кипятком, за счет чего по закону Зеебека на выходе пойдет ток, что и обеспечит имеющееся напряжение в 5 В.

Элемент Пельтье своими руками посредством диодов

Теоретически изготовить подобный элемент Пельтье на диодах вполне возможно.

С учетом того, что с физической точки зрения работа термоэлектрического модуля заключается в разности проводимостей материалов p-n и n-p, то можно использовать обычные диоды, которые таковыми и являются. Однако, если данная схема будет работать при нагреве, то понизить температуру посредством диодов не представляется возможным.

Диоды можно использовать как датчик температуры, причем при включении их в цепь в обратном направлении переход откроется, в результате чего I также пойдет в обратном направлении. Однако работать в качестве генератора данная схема не сможет.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

• Нижняя, горячая сторона.
• Верхняя, холодная сторона.
• Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
• Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
• Проводники из меди.
• Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

• p-n – нагрев.
• n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

• Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
• DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона — 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
• Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
• Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
• Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
• COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

• Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
• Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
  • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
  • S – small, маленький размер.
• Далее следует числовое значение, отражающее количество каскадов в ТЕ. Как правило, большинство из них относятся к однокаскадным.
• После тире следует число, означающее количество термопар внутри ТЕ.
• Последняя цифра – номинальное значение I (Амперы).

Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

Где используют этот эффект

Самым популярным направлением его использования являются инструменты для измерения температуры, которые называются термопарами. Если температура одного конца термопары известна (комнатная), то, погрузив ее второй конец в тело, температуру которого следует определить, и измеряя при этом полученную ЭДС, можно легко найти неизвестную величину.

Согласно последним новостям, две немецких автомобильных компании (Volkswagen и BMW) заявляют, что начали применять этот эффект для повышения КПД бензинового двигателя. Идея заключается в использовании выбрасываемого из выхлопной трубы тепла для генерации термоэлектричества. По заявлениям представителей этих компаний, таким способом они уже смогли уменьшить расход бензина на 5 %.

Серия зондов «Вояджер», миссия которых заключается в изучении окружающего нас космоса, использует для питания своей электроники эффект Зеебека. Дело в том, что солнечные батареи за пределами орбиты Марса использовать нельзя ввиду низкой плотности энергии от Солнца. На борту «Вояджера» установлен термоэлектрический генератор на изотопах плутония: радиоактивный оксид плутония распадается с выделением теплоты, которая используется парой полупроводниковых материалов (SiGe) для преобразования в электричество.

КПД процесса

Удивительный факт перевода теплоты в электричество открывает большие возможности для применения этого явления. Тем не менее для его технологического использования важна не только сама идея, но и количественные характеристики. Во-первых, как было показано, возникающая ЭДС является достаточно маленькой. Эту проблему можно обойти, если использовать последовательное соединение большого числа проводников (что и делается в ячейке Пельтье, речь о которой пойдет ниже).

Во-вторых, это вопрос эффективности генерации термоэлектричества. И этот вопрос остается открытым по сей день. КПД эффекта Зеебека является чрезвычайно низким (порядка 10 %). То есть из всего затраченного тепла лишь одну десятую его можно будет использовать для совершения полезной работы. Многие лаборатории во всем мире стараются поднять этот КПД, что можно сделать, разработав материалы нового поколения, например, с помощью нанотехнологий.

Ячейка Пельтье

Когда говорят о петентах на термо генераторные модули с эффектом Зеебека, то, конечно же, первым делом вспоминают про ячейку Пельтье. Она представляет собой компактное устройство (4x4x0,4 см), изготовленное из ряда последовательно соединенных проводников n- и p-типа. Изготовить ее можно своими руками. Эффекты Зеебека и Пельтье лежат в основе ее работы. Напряжения и токи, с которыми она работает, невелики (3-5 В и 0,5 A). Как было сказано выше, КПД ее работы очень маленький (≈10 %).

Применяется она для решения таких бытовых задач, как нагрев или охлаждение воды в кружке или подзарядка мобильного телефона.

Эффективность применения термоэлектрического охлаждения

Выбор материала для элементов

Экономичность используемого термоэлемента, а также максимальное снижение температуры на спаях будет зависеть от эффективности полупроводникового вещества. В него будет входить:

• удельная электропроводность;
• коэффициент термоЭДС;
• удельная теплопроводность.

Эти величины будут надежно связаны между собой, так как зависят от концентрации свободных электронов или дырок.

Эффективность металлов и металлических сплавов будет небольшой. Это связано с достаточно низким коэффициентом термоЭДС, а в диэлектриках из-за малой электропроводимости. По сравнению с металлами эффективность полупроводников будет значительно выше. Этим и объясняется их достаточно широкое применение в различных термоэлементах. Эффективность материалов также будет зависеть от температуры.

Любой термоэлемент состоит из двух ветвей:

1. Отрицательной.
2. Положительной.

Материал с электронной проницаемостью имеет термоЭДС с отрицательным знаком, а материал с дырочной проводимостью с положительным, то в этом случае можно получить достаточно большое значение термоЭДС.

Качественные зависимости термоЭДС, электропроводности и теплопроводности от концентрации носителей

Для термоэлементов на сегодняшний день могут использовать низкотемпературные термоэлектрические материалы. Их исходным веществом будет являться висмут, сурьма, селен или теллур. Полупроводниковые ветви на сегодняшний день могут изготавливать тремя различными методами:

1. Методом порошковой металлургии.
2. Литьем с направленной кристаллизацией.
3. Вытягиванием из расплава.

Наиболее распространенным считают метод порошковой металлургии с холодным или горячим прессованием. В термоэлектрических охлаждающих устройствах применяют термоэлементы, у которых отрицательная ветвь изготовлена путем горячего прессования, а положительная методом холодного прессования.

Механическая прочность различных термоэлементов является незначительной. Предел прочности при сжатии составляет 44.6-49.8 Мпа. Чтобы повысить прочность специалисты устанавливают демпфирующую свинцовую пластину между коммутационной пластиной и полупроводниковой ветвью.

Сравнение термоэлектрических охлаждающих устройств с другими способами охлаждения

Если рассмотреть термоэлектрические охлаждающие устройства более детально, тогда можно заметить, что они обладают массой значительных достоинств. Сейчас в системах кондиционирования воздуха используют теплоиспользующие или паровые холодильные машины. В холодное время помещения обогревают электрическими или паровыми водонагревателями. Соответственно можно сказать, что применяют раздельные источники теплоты и холода.

При использовании термоэлектрических устройств можно обогревать помещение в холодное время и охлаждать его в зимнее время. Изменять выбранный режим можно с помощью реверса электрического тока. К дополнительным преимуществам подобных устройств можно отнести:

• отсутствие шума при работе;
• надежность;
• отсутствие рабочего вещества и масла;
• небольшие габаритные размеры.

Если изучить статистические данные тогда можно сделать вывод о том, что при одинаковой холодопроизводительности масса термоэлектрической холодильной установки будет меньше в 1.8 раза.

Сравнение цикла Лоренса

Термоэлектрические холодильные машины имеют объем, который в 4 раза меньше, чем хладоновые холодильные машины. Главный недостаток подобных систем заключается в повышенной стоимости. Она связана с тем, что полупроводниковые материалы имеют достаточно высокую стоимость.

Заключение

Общее количество денег, потраченное на эту систему, без учета сборки и доставки, составило около 30 долларов США, из них почти половина стоимости пришлась на долю трансформатора. Конечно, при серийном производстве и использовании не таких миниатюрных компонентов цена может уменьшиться в несколько раз, и тогда она станет соизмеримой со стоимостью качественных химических источников тока. Но основная экономическая выгода будет не от замены одного источника питания на другой, а от уменьшения затрат на обслуживание системы (замену батареек).

Очень нужны элементы Зеебека малой и сверхмалой мощности. Очевидно, что увеличение количества последовательно соединенных ячеек элементарных полупроводниковых термопреобразователей при одновременном уменьшении их размера приведет к увеличению выходного напряжения. А это значит что, вполне возможно, можно будет обойтись и более простыми контроллерами, чем LTC3108. Хотя вполне вероятно, что высокая цена этой микросхемы (около 7 долларов США) обусловлена не более чем низким спросом на нее. И, конечно же, использование ультраминиатюрных, ультраредких и ультрадорогих трансформаторов LPR6235 должно быть, как минимум, обосновано.

В целом, эксперимент можно считать удачным, а это направление – перспективным. Значит нужно переходить от академических экспериментов к практическим разработкам и осваивать эту новую, но очень нужную и востребованную ветвь альтернативной энергетики.