Применение термоэлектрических явлений

Термоэлектрические явления представляют взаимосвязь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Суть явления – разница температур создаёт электрический потенциал.

Явление Зеебека

В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил явление которое в условиях разности температур между двумя разнородными проводниками может производить электричество.

Томас Иоганн Зеебек

Томас Иоганн Зеебек

Явление Зеебека основывается на эффекте что тепло, подаваемое на горячий переход, вызывает протекание электрического тока в цепи вырабатывая электрическую энергию.
Используя первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии), разность между теплом передаваемым от высокотемпературного источника к низкотемпературному составляет выходную электрическую мощность (минус КПД, конечно).

Следует отметить, что этот энергетический цикл очень напоминает энергетический цикл теплового двигателя (двигателя Карно), поэтому в этом отношении термоэлектрический генератор энергии можно рассматривать как уникальный тепловой двигатель.

Носители заряда в материалах (электроны в металлах, электроны и дырки в полупроводниках, ионы в ионных проводниках) будут диффундировать, когда один конец проводника находится при другой температуре, чем другой.

  • Горячие носители диффундируют от горячего конца к холодному концу, так как существует более низкая плотность горячих носителей на холодном конце проводника.
  • Холодоносители диффундируют от холодного конца к горячему по той же причине.

Термоэлектрические явления Если бы проводник был оставлен для достижения равновесия, этот процесс привел бы к равномерному распределению тепла по всему проводнику. Движение тепла (в виде горячих носителей заряда) от одного конца к другому называется тепловым током. Поскольку носители заряда движутся, это создает электрический ток.
В системе, где оба конца удерживаются при постоянной температуре относительно друг друга (постоянный тепловой ток течет от одного конца к другому), происходит постоянная диффузия носителей.

Явление Пельтье

Уникальным аспектом термоэлектрического явления преобразования является то, что направление потока энергии является обратимым. Так, например, если снять нагрузочный резистор и заменить источник постоянного тока, то это устройство можно использовать для отвода тепла от элемента источника тепла и снижения его температуры.

Жан-Шарль Пельтье

Жан-Шарль Пельтье

В этой конфигурации запускается обратный процесс преобразования энергии, использующих электричество для перекачки тепла.
Это термоэлектрическое явление открыл французский физик Жан-Шарль Пельтье в 1834 году.

Термоэлектрический генератор

Принцип эффекта Зеебека положен в основу термоэлектрического генератора.
В целом, термоэлектрический генератор энергии демонстрирует низкую эффективность из-за относительно небольшого показателя полезного действия из доступных в настоящее время материалов.
Коэффициент преобразования термоэлектрического генератора энергии, определяемый как отношение мощности, подаваемой на тепловой ввод в горячем соединении устройства составляет от 0,07 до 0,12.

КПД термоэлектрического генератора зависит от типов источника тепла и основных составляющих генераторных узлов. Источник тепла обеспечивает высокую температуру, и тепло проходит через преобразователь к теплоотводу, который поддерживается при температуре ниже температуры источника. Перепад температур по преобразователю производит постоянный ток к нагрузке.
Такого типа термоэлектрические явления не используют никакой промежуточный процесс преобразования энергии. По этой причине производство такой энергии классифицируется как прямое преобразование энергии. Количество вырабатываемой электроэнергии задается P=I2R.
Этот эффект рекуперации отработанного тепла можно использовать во многих областях, таких как автомобили, котлы, дровяные печи и т. д. Эффективность термоэлектрического генератора зависит от используемых материалов.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрические материалы (те, которые используются в коммерческих целях) удобно разделить на три группы в зависимости от температурного диапазона работы.

  • сплавы на основе висмута (Bi) в сочетании с сурьмой (An), теллуром (Te) или селеном (Se) относятся к низкотемпературным материалам и могут использоваться при температурах до 180 градус Цельсия;
  • промежуточный температурный диапазон – до 550 градус Цельсия – это режим материалов на основе сплавов свинца (Pb);
  • термоэлементы, применяемые при самых высоких температурах, изготавливаются из сплавов SiGe и работают до 1000 градус Цельсия.

Хотя вышеупомянутые материалы все еще остаются краеугольным камнем для коммерческого и практического применения в производстве термоэлектрической энергии, были достигнуты значительные успехи в синтезе новых материалов и изготовлении структур материалов с улучшенными характеристиками. Усилия были сосредоточены главным образом на повышении качества материала, а следовательно, и эффективности преобразования за счет снижения теплопроводности решетки.

Практическое применение

Практическое применение термоэлектрических явлений широко: от небольших тепловых электростанций до радиоизотопных источников энергии.

Пример применения
Существующая система зарядки аккумулятора для автомобилей потребляет 10 % топлива, а значит, и КПД двигателя снижается. Эта система должна быть заменена системой зарядки аккумулятора использующей термоэлектрические явления. Система зарядки аккумулятора по принципу отбора тепла производимого двигателем внутреннего сгорания является эффективной, легкой по весу и надежной. Срок службы аккумуляторной батареи при использовании этого эффекта подзарядки может быть увеличен.