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.

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.

 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.

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.