50. Применение термоэлектрических Материалов

Применение термоэлементов. Термоэлектрические устройства удобны, в частности, тем, что не имеют движущихся частей и не создают шума. Однако термоэлектричество до сих пор не нашло широкого приме­нения в технике из-за относительно высокой стоимости термоэлементов при довольно низком КПД по сравнению с обычными тепловыми двигате­лями и насосами. Тем не менее имеется целый ряд интересных примеров применения термоэлементов.

Предельную актуальность термоэлектрический метод охлаждения имеет в настоящее время после подписания всеми ведущими странами Монреальского протокола, обязующего снижать использование опасных для озонного слоя земной атмосферы фреоносодержащих смесей. Един­ственной альтернативой методу охлаждения с использованием таких смесей является применение термоэлектрических охлаждающих модулей на полупроводниковых элементах

Важное значение имеют также охлаж­дение и стабилизация температуры различных объектов в лазерной, СВЧ- и ИК-технике, криотехнике, системах жизнеобеспечения и бытовой технике. Возможно изготовление миниатюрных нагревательных элемен­тов с малой тепловой инерцией. Следует отметить, что если бы достигну­тую в настоящее время величину z удалось удвоить, то перспективы ис­пользования термоэлектричества в промышленности резко возросли.

Эффект Зеебека активно используется в термопарах, применяемых для измерения температуры. На использовании этого эффекта основана работа всех известных термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрические генераторы применяются для получения элек­трического тока, т.е. преобразования тепловой энергии в электрическую. Элементы Зеебека применяются для электроснабжения отдельных по­требителей, питания электрических приборов и сигнальных устройств, для бортового электроснабжения межпланетных космических аппаратов.

Техническая реализация элементов Пельтье и Зеебека. От­дельные термоэлементы применяются на практике лишь в ис­ключительных случаях - для получения достаточно высоких мощностей электрического напряжения элементы соединяют электрически последо­вательно, а термически параллельно. Условия работы элементов Пель­тье и Зеебека определяют различные принципы их конструирования.

Элементы Пельтье. Разность температур в элементе Пельтье редко бывает более 70 К, поэтому термическое расширение, окисление, испарение и диффузия не представляют серьезных проблем. Чаще всего довольно большое количество элементов Пельтье объединяют в еди­ный модуль ветви термоэлемента состоят из Bi2-xSbxTe3 р-типа проводимости и Вi2Те3-xSex n-типа. Коммутационные шины из меди присоединяются к ветвям термоэлементов с помощью мягкого припоя. Для работы такой модуль с обеих сторон оборудуется теплообменниками. Как правило, модули имеют квад­ратное сечение с линейными размерами 5-40 мм и рабочий ток от 1 до10 А.

Элементы Зеебека. Для термоэлектрической генерации тока необ­ходимы термоэлементы, которые работали бы как при высоких темпера­турах, так и при больших температурных градиентах. Конструктивно гене­раторы изготавливаются из последовательно спаянных термопар, со­стоящих из полупроводниковых материалов п- и р-типов проводимости. Так как многие термоэлектрические вещества пригодны для работы лишь в ограниченном температурном диапазоне, то иногда ветви термоэле­мента составляют из набора различных материалов.

При выборе материалов для элементов Зеебека следует обратить внимание не только на их термоэлектрическую эффективность, но и на хим стабильность.