Устройство и применение элемента Пельтье

Приборы, в основе работы которых лежит «Эффект Пельтье», называются элементами Пельтье. По сути, элемент Пельтье - это термопара, состоящая из двух разнородных материалов с различными типами проводимости. Традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена. Элементы соединяются между собой при помощи пластины из меди.

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) представляет собой совокупность таких термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой мощности. Наглядно устройство ТЭМ представлено на рис. 2

Рис. 2

Элементы Пельтье активно применялись ещё в прошлом веке. Например, во времена Великой Отечественной Войны во многих партизанских отрядах использовались так называемые "чудо котелки" с двойными стенками с вделанными термоэлементами. В эти котелки наливали воду и подвешивали их над костром. Такой нехитрый приём позволял получать питание для рации.

Сейчас элементы Пельтье не только продолжают использовать, но и совершенствуют, развивают. За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт.

Использование элементов Пельтье для преобразования энергии из тепловой в электрическую могло бы, например, повысить коэффициент полезного действия ТЭЦ. Вот еще несколько вариантов применения элементов Пельтье:

• как подогрев в целях отопления;

• для получения электроэнергии;

• в бытовой технике;

• в радиоэлектрических устройствах;

• в медицинском и фармацевтическом оборудовании;

• в лабораторных и научных приборах;

• в климатическом оборудовании;

• в кондиционерах;

• в электронных счетчиках расхода воды.

Физико-математическая модель

Действие термоэлектрогенератора (ТЭГ) основано на использовании термоэлектрического эффекта.

Сущность этого эффекта заключается в том, что при нагревании спая двух разных металлов между их свободными концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Если замкнуть такую термопару на внешнее сопротивление, то по цепи потечёт электрический ток. Таким образом происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Для примера возьмем кольцевой проводник, состоящий из двух металлов А и Б, и нагреем места их соединения до температуры Т1 и Т2 соответственно так, чтобы Т1 была больше, чем Т2. В горячем спае такой термопары ток идет из металла Б в металл А, а в холодном спае из металла А в металл Б. В таком случае принято считать термоэлектродвижущую силу металла А положительной по отношению к металлу Б (рис.3).

Рис. 3

Все известные металлы можно расположить в последовательный ряд так, чтобы любой предыдущий металл имел положительную термоэлектродвижущую силу относительно последующего.

Ниже приведены значения термоэлектродвижущей силы в милливольтах, развиваемой термопарой, в которой одним термоэлектродом служит указанный металл, а другим – платина, и разность температур спаев которой равна 100°С. Знаки «+» и « – », стоящие перед цифровыми данными термоэлектродвижущей силы, указывают полярность этой термо-ЭДС относительно платины.

Сурьма          + 4,7 Железо         +1,6 Кадмий         + 0,9 Цинк             + 0,7 Медь            + 0,74 Золото         + 0,73 Серебро      + 0 71 Олово          + 0,41 Алюминий    + 0,38 Ртуть              0 Платина         0 Кобальт       - 1, 52 Никель          – 1,64 Константан  – 3,4 (сплав меди и никеля)     Висмут           – 6,5 По приведенным выше данным легко подсчитать термоэлектродвижущую силу, развиваемую термопарой, составленной из любых указанных металлов. Она будет равна алгебраической разности термоэлектродвижущих сил двух термоэлектродов, для каждого из которых эта величина дается относительно платины.

Пример: термоэлектродвижущая сила пары висмут – сурьма составит +4,7- ( – 6,5) = 11,2 мВ, а пары железо – алюминий +1,6 –– (+ 0,38) = 1,22 мВ.

Величина термо-ЭДС определяется приближенно по формуле:

E = a *(T1 – T2)/100

где E – термо-ЭДС в вольтах, T1 и T2 – температура нагретого и холодных концов спая термопары соответственно, a – коэффициент термо-ЭДС, зависящий от природы обоих металлов, образующих данную термопару, и выражающийся в микровольтах на градус.

На внешней нагрузке ТЭГ создает напряжение равное разности термо-ЭДС и падения напряжения на внутреннем сопротивлении элемента:

U=E-I*R

Где U- внешнее напряжение, I-сила тока в цепи, R- сопротивление в цепи.