9.2.Ефективність використання термоелектричного охолодження
Економічність термоелемента, а також максимальне зниження температури на спаях залежить, як відзначалося раніше, від ефективності (добротності) напівпровідникової речовини z, до якої входять питома електропровідність σ, коефіцієнт термо-е.р.с. α та питома теплопровідність κ. Ці величини взаємопов’язані, оскільки залежать від концентрації вільних електронів та дірок. Така залежність представлена на рис.9.2. З рисунка видно, що електропровідність σ пропорційна числу носіїв n: термо-е.р.с. прямує до нуля із збільшенням n і зростає при зменшенні n. Теплопровідність κ складається з двох частин: теплопровідності кристалічної решітки κр, яка практично не залежить від n, і електронної теплопровідності κе, пропорційної n. Ефективність металів та металічних сплавів мала через низький коефіцієнт термо-е.р.с., а в діелектриках – через дуже малу електропровідність. Порівняно з металами та діелектриками ефективність напівпровідників значно вища, що пояснює їх широке застосування останнім часом в термоелементах. Ефективність матеріалів також залежить від температури.
Рис.9.2. Якісні залежності термо-е.р.с., електропровідності та теплопровідності від концентрації носіїв
Термоелемент складається з двох гілок: негативної (n – тип) та позитивної (р – тип). Оскільки матеріал з електронною провідністю має термо-е.р.с. від’ємного знаку, а матеріал з дірковою провідністю – позитивного, то є можливість отримати більші значення термо-е.р.с.
Із зростанням термо-е.р.с. зростає z. Нині використовують низькотемпературні термоелектричні матеріали, вихідні речовини яких вісмут, сурьма, селен і телур. Максимальна ефективність z цих матеріалів становить: 2,6·10-3ºС-1 для n- типу, 2,2·10-1ºС-1 – для р- типу. Нині Ві2Те3 використовують рідко, оскільки створені на його основі тверді розчини Ві2Те3- Ві2Sе3 та Ві2Те3- Sb2Tе3 мають вищі значення z (2,4÷3,4·10-3ºС-1). Тверді розчини Ві-Se використовують для температур нижчих 250 К. Максимальне значення ефективності для них (6·10-3ºС-1) досягається при температурі 80÷90 К. В магнітному полі ефективність сплаву значно зростає. Напівпровідникові гілки виготовляють трьома методами: порошкової металургії, литвом з направленою кристалізацією та витягуванням із розплаву. Метод порошкової металургії є найпоширенішим.
В термоелектричних охолодних пристроях використовують, як правило, термоелементи, у яких негативна гілка виготовлена методом гарячого, позитивна – холодного пресування.
В порівнянні з іншими типами холодильних машин термоелектричні мають рад переваг. Однак однозначно говорити про переваги термоелектричних охолодників неможна, оскільки вони мають також ряд суттєвих недоліків.
За допомогою термоелектричних пристроїв в системах кондиціонування повітря в теплий період року можна здійснювати охолодження, а в холодний – нагрівання. Зміна режиму здійснюється лише шляхом реверсу електричного струму. Окрім того, до переваг термоелектричних пристроїв відносять: відсутність рухомих частин, повну безшумність роботи, відсутність потреби у робочих речовинах та мастильних матеріалах, менші габарити та масу за тієї ж холодопродуктивності. Порівняльні дані по холодильним машинам для провізійних камер на суднах показали, що за однакової холодопродуктивності маса термоелектричної холодильної машини в 1,7-1,8 рази менша. Термоелектричні охолодні пристрої для систем судового кондиціонування мають об’єм приблизно у чотири, а масу в три рази меншу, ніж холодильні машини, які працюють на хладонах.
До недоліків термоелектричних охолодних пристроїв необхідно віднести низьку економічність та високу вартість. Економічність таких пристроїв порівняно з паровими компресорними машинами приблизно на 20-50% гірша. Висока вартість пристроїв пов’язана з вартістю напівпровідникових матеріалів. Однак із розвитком технології виготовлення та збільшення ефективності напівпровідникових матеріалів вартість таких холодильних машин суттєво знизиться.
Та обставина, що зменшення холодопродуктивності парових та інших типів холодильних машин призводить до зниження холодильного коефіцієнта, робить термоелектричні холодильні машини конкурентно спроможними в області малої продуктивності, оскільки їхня ефективність не залежить від холодопродуктивності. Нині для температур tx=0ºC та tг=25ºC та продуктивності декілька десятків Вт енергетична ефективність термоелектричної машини наближається до ефективності парокомпресорної машини.