3.2.2.  Термоэлектрические генераторы и холодильники

Теплоэлектрический полупроводниковый прибор, основанный на использовании явлений термоэлектрического эффекта Зеебека или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию и обратно – называется полупроводниковым термоэлементом. Полупроводниковые термоэлементы используются в устройстве термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и холодильников. Теорию ТЭГ и холодильников разработал Иоффе А.Ф.

Термоэлектрический генератор состоит из блока термоэлементов, электрически соединенных между собой, нагревателя, обеспечивающего приток тепла к их горячим спаям и системы охлаждения их холодных спаев. Положительные ветви термоэлементов изготавливают из сплава сурьмы и цинка (ZnSb), или сплава сурьмы, теллура и висмута. Отрицательные ветви изготавливают из сплава висмута с сурьмой, либо из константановой проволоки.

Например, в ТЭГ марки ТКК-3 положительные ветви изготовлены из сплава ZnSb с примесью олова и свинца, а отрицательные – из константановой проволоки, запрессованной в противоположные торцы термоэлементов. Термоэлементы соединены в две батареи, одна служит для питания цепей накала (2 В, 0,5 А или 1,2 В, 0,36 А), другая для анодных батарей (2 В, 2 А), Нагревателем служит 20-линейная керосиновая лампа с укороченным стеклом. Охладителем служат 17 крыльев из алюминия прикрепленных к внешним поверхностям термоэлементов.

Основным параметром, характеризующим ТЭГ, является коэффициент полезного действия (КПД):

                                                           η =Р/ Q                                                           (3.25)

где η – коэффициент полезного действия ТЭГ; Р – его электрическая мощность; Q – тепловая мощность.



Коэффициент полезного действия ТЭГ зависит от:

1) свойств применяемых материалов (ρυ, λ, α);

2) разности температур холодных и горячих частей;

3) отношения сопротивления нагрузки и сопротивления термоэлемента. Максимальное значение КПД ηmax = 7…19 %.

Термоэлектрические генераторы применяются в комбинации с изотопными в космосе, автоматических метеостанциях, ретрансляторах, маяках и т.д.

Термоэлектрический холодильник состоит из блока термоэлементов, составленных из некоторого числа последовательно соединенных чередующихся электронных и дырочных элементов. Последовательное соединение термоэлементов в батарею осуществляется таким образом, что получается две системы спаев – по одну и по другую сторону батареи. Если через такую батарею пропустить электрический ток, то на одних спаях будет выделяться тепло Пельтье, а на других поглощаться. Если спаи, где выделяется тепло, поддерживать при постоянной температуре (Т0), то другие спаи будут охлаждаться до такой температуры (Т), пока сумма теплот, поступающих в них в единицу времени: из окружающей среды (Q0), теплоты теплопроводности (Qλ) и половины тепла Джоуля , не станет равной поглощающейся в них теплоте Пельтье (Qn). Это условие для стационарного процесса записывается в следующем виде:

Qn = Q0 + Qλ + Q,.                                              (3.26)

Для изготовления термоэлементов охлаждающих устройств используются твердые растворы на основе  Те,  Bi,  Sb,  Se и т.д.