Энергетические процессы в термоэлементах

В реальных термоэлектрических устройствах используются не отдельные полупроводниковые стержни, а термоэлементы, состоящие из двух стержней п- и р -типа, называемых ветвями (рис. 5). Ветви соединяются между собой металлической коммутационной пластиной. При протекании тока указанной на рис. 5 полярности на спае 1 электроны из коммутационной пластины переходят в ветвь п -типа, а дырки — в ветвь р -типа. При этом один спай охлаждается, а на противоположных спаях электроны и дырки выходят из ветвей в коммутационные пластины и нагревают их. Обычно нагревающиеся — горячие — спаи путем интенсивного теплоотвода поддерживают при температуре, более или менее близкой к температуре окружающей среды. Тогда на холодном спае можно получить существенно более низкую температуру.

Рис.5 Действие эффекта Пельтье при протекании тока через полупроводники p- и n- типов проводимости.

Наличие перепада температуры на термоэлементе приводит к появлению на нем термо-ЭДС. Так как ветви имеют различные типы проводимости, термо-ЭДС ветвей складываются. Наконец, при протекании тока в ветви с разными температурами концов в объеме ветви возникает эффект Томсона. В полупроводниковых материалах, используемых в термоэлементах, абсолютная величина коэффициента термо-ЭДС растет с температурой. Поскольку в обеих ветвях носители тока движутся от холодного конца к горячему, тепло Томсона в них поглощается.

Таким образом, при работе термоэлемента имеют место все три термоэлектрических эффекта — Пельтье, Зеебека, Томсона. На них накладываются необратимые явления — выделение Джоулева тепла в объеме ветви и поток тепла, обусловленный градиентом температуры.

Совокупность этих эффектов определяет распределение температуры а ветви термоэлемента, его охлаждающую способность и другие характеристики. Для получения большего количества холода термоэлементы набираются в батареи (рис. 6). При этом они обычно соединяются последовательно в электрическую цепь и параллельно по отношению к тепловому потоку.

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном электрическом соединении нескольких таких термопар теплота, поглощаемая на контакте типа n-p выделяется на контакте типа p-n. Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар, обычно соединяемых между собой последовательно по току и параллельно по потоку теплоты. Термопары помещаются между двух плоских керамических пластин (Рис.2). Количество термопар может изменяться в широких пределах - от нескольких единиц до тысяч пар, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватт до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные примеси, например, селен и сурьму.