8.7: Застосування термоелектриків

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29546

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Термоелектричні прилади використовуються для охолодження електроніки, продуктів харчування, людей. Комп'ютерні процесори, відеокарти та інші типи електроніки генерують тепло, і ці компоненти можуть бути пошкоджені надмірним нагріванням. Невеликі термоелектричні пристрої дозволяють підвищити надійність і термін служби таких компонентів. Термоелектричні холодильники використовувалися в автофургонів і підводних човнів [3]. Ці пристрої часто менш ефективні, ніж традиційні холодильники, але вони можуть бути невеликими і тихими і вимагають низького обслуговування. Деякі дозатори масла і вершків в ресторанах використовують термоелектричні пристрої, щоб тримати швидкопсувні продукти прохолодними [118], а термоелектричні холодильники розміром з вантажівка використовуються для підтримки прохолодності фармацевтичних препаратів [118]. Інженери постаралися зробити з цих пристроїв кондиціонери [110]. Вони краще для навколишнього середовища, ніж традиційні кондиціонери, які потребують фреону або інших хімічних речовин. Однак вони не часто використовуються, оскільки ефективність в кращому випадку становить кілька відсотків [110]. Термоелектричні пристрої також були включені у військовий одяг, щоб солдати прохолодними [118].

Термоелектричні прилади використовуються як для виготовлення датчиків, так і для контролю температури чутливих ланцюгів. Термопара - це невеликий термоелектричний прилад, виготовлений з з'єднання двох матеріалів, який використовується в якості датчика температури. Він перетворює невелику кількість енергії від різниці температур в електрику, і його можна використовувати для вимірювання температури дуже точно. Термопари дуже поширені і часто недорогі. Термоелектричні прилади використовуються для охолодження скануючих електронних мікроскопів та інших типів пристроїв візуалізації. Охолодження необхідне при візуалізації дуже дрібних об'єктів, оскільки тепло змушує атоми вібрувати, що може розмазувати мікроскопічні зображення. Рідкий азот використовувався для охолодження пристроїв візуалізації до того, як стали доступні термоелектричні пристрої, і він був набагато менш зручним у використанні. Реакція багатьох типів датчиків залежить від температури. Термоелектричний пристрій може бути частиною ланцюга управління, який підтримує датчик при фіксованій температурі, тому чутливість точно відома.

Термоелектричні пристрої використовуються для отримання енергії для супутників і планетарних марсоходів, оскільки термоелектричні пристрої не мають рухомих частин і не вимагають регулярної заправки. Марсохід Curiosity працює від багатомісійного радіоізотопного термоелектричного генератора НАСА [119]. Малюнок\(\PageIndex{1}\) ілюструє його основні складові. Цей блок живлення містить близько 10 фунтів плутонію 238 у вигляді діоксиду плутонію. Плутоній розпадається природним шляхом і виробляє тепло. Тепло взаємодіє з термоелектричним пристроєм і виробляє електроенергію, а електроенергія зберігається в батареї до використання. Блок живлення виробляє близько 2 кВт тепла і близько 120 Вт електроенергії, тому загальний ККД становить близько 6% [119]. Ця технологія не нова. Місія Apollo 12 в 1969 році використовувала аналогічний тип джерела живлення, але цей блок живлення виробляв лише 70 Вт і мав термін служби 5-8 років. Термоелектричні пристрої також використовувалися на атомних електростанціях як вторинна система для відновлення деякої кількості електроенергії з виробленого тепла [5].

8.7.1.PNG — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Позначений розсувний вид, що показує основні компоненти NASA Multi-Mission радіоізотопного термоелектричного генератора. Ця цифра використовується з дозволу [120].

Хоча термоелектричні ефекти часто є основоположними для роботи датчиків та джерел живлення, ефекти іноді небажані [23, с. 457]. Електричні схеми містять місця з'єднання проводів, виготовлених з різних металів. Таке з'єднання відбувається, наприклад, коли алюмінієвий слід на друкованій платі зустрічається з олов'яним дротом резистора або коли олов'яний свинцевий паяний з'єднання зустрічається з мідним дротом. Ефект Зеєбека відбувається на всіх цих стиках. Коефіцієнт Зеєбека на стику мідного і олов'яного свинцевого припою, наприклад, становить\(2 \frac{\mu V}{K}\) [23, с. 457]. Ці небажані напруги, які розвиваються, можуть вводити шум або спотворення в чутливі ланцюги.

Інженери-електрики часто думають про тепло як про «витрачену енергію». Практично кожен електричний ланцюг містить резистори, які нагріваються при протіканні через них струму. У деяких додатках таке нагрівання є бажаним результатом. Наприклад, деякі вокзали мають теплові лампи для використання взимку, а концертний зал зимовим вечором наповнює людьми і нагрівається від тіл. Однак зазвичай тепло просто вважається відпрацьованим продуктом або неприємністю.

У довгостроковій межі часу системи досягнуть рівноважної температури, але на коротких часових шкалах часто існують температурні диференціали. Усередині автомобіля може бути більш гаряча температура, ніж повітря зовні. Повітря біля лампочки розжарювання може бути більш гарячим, ніж повітря в іншому місці приміщення і так далі. Свого часу в минулому ми припускали, що земля має майже нескінченну кількість нафти, вугілля та інших викопних палив. Сьогодні ми знаємо, що ці ресурси є кінцевими. Останнім часом спостерігається підвищений інтерес до збирання енергії як з екологічних причин, так і з економічних причин, і для перетворення цього тепла в корисну електрику можна використовувати термоелектричні пристрої.