Элементы Пельтье. Трёхэлементный генератор температурного напора.

Элементы Пельтье можно назвать генератором температурного напора или генератором температур (аналогично названию «генератор напряжения»).

Батарея из элементов Пельтье вовсе не может быть тепловым насосом. Температуры изменяются по той причине, что в прямом направлении – электроны преодолевают PN-переход, выделяя излишек энергии, а при токе в обратном направлении – электроны преодолевают PN-переход, забирая тепловую энергию у ядер атомов. Не каждое вещество позволяет электронам забирать тепловую энергию у ядер атомов. На такое способен висмут. Обычно теоретически обобщают, и считают, что к охлаждению способна любая термопара. Также будем обобщать и мы, при исследовании этого явления.

Сегодня объяснение явления охлаждения на элементах Пельтье максимально запутано. Приведу пример информации с сайта 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 поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, 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). 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 с сайта

http://marstefo.ru/marsopediya/%DD%EB%E5%EC%E5%ED%F2+%CF%E5%EB%FC%F2%FC%E5/

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). При этом на контакты элемента подается 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 работает батарея из элементов (термопар) Пельтье. В современных источниках (в том числе и в интернете) приводится трёх-элементный генератор температурного напора. Схематично он выглядит так:

Рис. 4.12. Схема батареи из элементов Пельтье. Буквой «Т» – обозначено выделение тепла, буквой «Х» обозначено поглощение тепла – охлаждение. ( Для германида кремния – применим упрощённое обозначение – Si из-за недостатка места. )

На рисунке 4.12. обозначены:

Cu - медь,

Bi – висмут,

Si – германид кремния.

Bi – висмут – обладает самой высокой открытой термоэлектронной эмиссией, в сравнении с с Si (германидом кремния) и Cu (медью).

Обратим внимание на медь:

Cu – медь – обладает открытой термоэлектронной эмиссией, меньше чем у Bi (висмута), но больше 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 не хватает, чтобы отобразить три вещества, стоящие в термоэлектрическом ряду напряжений. И в то же время, современные источники – в интернете и в науке – пытаются создать теорию на основе мифических дырок. Ничего не выходит. Источники информации игнорируют медь, как вещество термопары, и потому зоны N и P между собой не имеют контакта. Это серьёзный недостаток в теории электронно-дырочной проводимости.

А ведь первую термопару с эффектом охлаждения, Пельтье изготовил из висмута и меди.

Рассмотрим термоэлектрические схемы батареи из элементов (термопар) Пельтье. На рисунке 4.13. изображены следующие варианты диодов-термопар:

Рис. 4.13. 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 рисунке 4.12.

Рис. 4.14. Термоэлектрическая схема для батареи из элементов Пельтье. Буквой «Т» – обозначено выделение тепла, буквой «Х» обозначено поглощение тепла – охлаждение.

Диоды-термопары могут пропускать ток в прямом и обратном направлении. При протекании тока через PN-переход в прямом направлении – выделяется тепло. При протекании тока через

PN-переход 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. 4.14..