Элементы Пельтье. Трёхэлементный генератор «температурного напора»

Элементы Пельтье можно назвать генератором «температурного напора», или «генератором температур» (аналогично названию "генератор напряжения"). Однако батарея из элементов Пельтье вовсе не может быть тепловым насосом - температуры изменяются по той причине, что при токе в прямом направлении электроны преодолевают PN-переход, выделяя излишек энергии, а при токе в обратном направлении они преодолевают PN-переход, забирая тепловую энергию у ядер атомов. При этом не каждое вещество позволяет электронам забирать тепловую энергию у ядер атомов - на такое способен висмут,м хотя обычно теоретически обобщают и считают, что к охлаждению способна любая термопара. При исследовании этого явления также будем обобщать и мы.

Сегодня объяснение явления охлаждения на элементах Пельтье максимально запутано. Приведу пример: http://peltier.narod.ru/

Что такое эффект Пельтье и термоэлектрический модуль? В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье, который в 1834 г. обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников (Рис.1). Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p- или n-). Объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале p-n перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и соответственно тока, происходит нагрев (Th) или охлаждение (Tc) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к спаю (p-n или n-p переходу).

Рис.1 Схема действия эффекта Пельтье

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника («ветки») p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Qс), поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n (Qh). Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла - термопары помещаются между двух керамических пластин (Рис.2), а «ветки» напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике (например, из оксида алюминия). Количество термопар может варьироваться в широких пределах — от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки - например, селен и сурьму. Традиционно сторона, к которой крепятся провода – горячая, и она изображается снизу.

Рис.2. Так выглядят модули Пельтье

Другой пример: http://wiki.marstefo.ru/element_pelte/

Рис.3. Элемент Пельтье — это обобщенное название приборов, использующих эффект Пельтье-Зеебека.

Само устройство состоит из ряда p- и n-полупроводников, попарно соединенных токопроводящими перемычками таким образом, чтобы получалась последовательное соединение многих пар полупроводников. Причем с одной стороны все соединения должны быть p-n, а с другой n-p. Токопроводящие перемычки одновременно служат термическими контактами и изолируются при помощи полимерных пленок или керамических пластин. Полученное устройство может работать в двух режимах:

1. Термоэлектрический охладитель (Thermoelectric Cooler). На контакты элемента подаётся напряжение, что приводит к возникновению разности температур на противоположных сторонах устройства (эффект Пельтье), т.е. нижняя поверхность начинает нагреваться, а верхняя - напротив, охлаждается (или наоборот, в зависимости от направления протекания тока).

2. Термоэлектрический генератор (Thermoelectric Generator) работает с точностью до наоборот: одна часть элемента искусственно нагревается, а другая охлаждается, при этом на контактах возникает электрический ток (эффект Зеебека).

Попробуем разобраться, как же работает батарея из элементов (термопар) Пельтье. В современных источниках (в т. ч. и в Интернете) приводится трёхэлементный генератор «температурного напора» - схематично он выглядит так:

Рис. 1.1.12. Схема батареи из элементов Пельтье. Буквой «Т» обозначено выделение тепла, буквой «Х» — поглощение тепла (охлаждение). (Для германида кремния применено упрощённое обозначение «Si» из-за недостатка места). Cu — медь, Bi — висмут, Si — германид кремния.

Bi — висмут — обладает самой высокой открытой термоэлектронной эмиссией в сравнении с Si (германидом кремния) и Cu (медью). Cu — медь — обладает открытой термоэлектронной эмиссией, меньшей, чем у Bi (висмута), но большей, чем у Si (германида кремния). Si — германид кремния — обладает самой низкой открытой термоэлектронной эмиссией в сравнении с с Bi (висмутом) и Cu (медью). Получается, что букв N и P уже не хватает, чтобы отобразить 3 вещества в термоэлектрическом ряду напряжений. Современные источники в интернете и в науке пытаются создать теорию на основе мифических «дырок», но ничего не выходит - они игнорируют медь как вещество термопары, поэтому зоны N и P не имеют контакта между собой. А ведь первую термопару с эффектом охлаждения Пельтье изготовил из висмута и меди! Это настоящий «провал» теории электронно-дырочной проводимости

Рассмотрим термоэлектрические схемы батареи из элементов (термопар) Пельтье. На рисунке 1.1.13. изображены следующие варианты диодов-термопар:

Рис. 1.1.13. Варианты термоэлектрических PN-переходов, получаемых при комбинациях 3-х веществ с различной открытой термоэлектрической эмиссией.

Из данных диодов составим термоэлектрическую схему, соответствующую конструкции батареи из элементов Пельтье, представленной на рис. 1.1.12:

Рис. 1.1.14. Термоэлектрическая схема батареи из элементов Пельтье: "Т" — выделение тепла, "Х" — поглощение тепла (охлаждение).

Диоды-термопары пропускают ток в прямом и обратном направлении: при протекании тока через PN-переход в прямом направлении тепло выделяется, в обратном направлении - электроны забирают тепловую энергию у ядра атома, тепло поглощается, и контакт двух веществ охлаждается. Таким образом генерируется «температурный напор». При приложении более высокой температуры к переходам, обозначенным буквами "Т", и более низкой температуры к переходам, обозначенным буквой "Х", получим источник термо-ЭДС, полярность которого указана на рис. 1.1.14.