Элемент зеебека. Эффект Зеебека: принцип работы, применение и перспективы термоэлектрических генераторов

Что такое эффект Зеебека и как он используется в термоэлектрических генераторах. Каковы преимущества и недостатки термоэлектрических устройств. Где применяются термогенераторы на основе эффекта Зеебека. Какие перспективы развития у этой технологии.

Что такое эффект Зеебека и как он работает

Эффект Зеебека — это явление возникновения электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах. Данный эффект был открыт немецким физиком Томасом Зеебеком в 1821 году и лежит в основе работы термоэлектрических генераторов.

Как работает эффект Зеебека? При нагреве одного из контактов разнородных проводников в них возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Это происходит из-за различной концентрации и подвижности носителей заряда в проводниках при разных температурах. В результате образуется термоэлектродвижущая сила, которая может быть использована для генерации электрического тока.

Основные характеристики эффекта Зеебека:

• Величина термоЭДС зависит от разности температур и свойств используемых материалов
• Коэффициент Зеебека определяет эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую
• Для увеличения мощности используют последовательное соединение термопар
• КПД преобразования обычно составляет 3-8%

Термоэлектрические генераторы: устройство и принцип действия

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — это устройства, преобразующие тепловую энергию непосредственно в электрическую на основе эффекта Зеебека. Они состоят из множества последовательно соединенных термопар, образующих термоэлектрический модуль.

Основные элементы конструкции ТЭГ:

1. Термоэлементы из полупроводниковых материалов n- и p-типа
2. Металлические коммутационные пластины
3. Керамические пластины для электрической изоляции
4. Теплообменники на горячей и холодной сторонах

Принцип работы ТЭГ заключается в создании разности температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического модуля. Это приводит к возникновению термоЭДС и протеканию электрического тока через нагрузку. Чем больше перепад температур, тем выше эффективность преобразования энергии.

Преимущества и недостатки термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы обладают рядом уникальных преимуществ по сравнению с традиционными способами получения электроэнергии. Однако у них есть и определенные недостатки, ограничивающие их широкое применение.

Преимущества ТЭГ:

• Отсутствие движущихся частей и бесшумная работа
• Высокая надежность и длительный срок службы
• Компактность и малый вес
• Экологическая безопасность
• Возможность работы в экстремальных условиях

Недостатки ТЭГ:

• Низкий КПД (обычно не более 5-8%)
• Высокая стоимость термоэлектрических материалов
• Необходимость эффективного отвода тепла
• Ограниченная удельная мощность

Несмотря на недостатки, уникальные свойства термоэлектрических генераторов делают их незаменимыми в ряде специфических применений.

Области применения термоэлектрических генераторов

Термоэлектрические генераторы нашли применение в различных областях, где требуется автономное и надежное электропитание, а также утилизация бросового тепла.

Основные сферы использования ТЭГ:

• Космическая техника (радиоизотопные термоэлектрические генераторы)
• Автомобильная промышленность (рекуперация тепла выхлопных газов)
• Нефтегазовая отрасль (питание удаленного оборудования)
• Военная техника (портативные источники питания)
• Бытовая техника (термоэлектрические холодильники)

В космической отрасли термоэлектрические генераторы используются для питания космических аппаратов, работающих в дальнем космосе, где солнечные батареи неэффективны. Радиоизотопные ТЭГ обеспечивают надежное электропитание в течение десятков лет.

Перспективные направления развития термоэлектрических технологий

Несмотря на ограниченную эффективность современных термоэлектрических генераторов, ведутся активные исследования по повышению их КПД и снижению стоимости. Это открывает новые перспективы для более широкого применения ТЭГ в будущем.

Основные направления исследований:

• Разработка новых термоэлектрических материалов с улучшенными свойствами
• Создание наноструктурированных термоэлектриков
• Оптимизация конструкции термоэлектрических модулей
• Повышение эффективности теплообмена
• Снижение стоимости производства термоэлектрических устройств

Какие перспективы у термоэлектрических генераторов? Ожидается, что в ближайшие годы КПД термоэлектрических устройств может быть повышен до 15-20%, что существенно расширит сферу их применения. Особенно перспективным выглядит использование ТЭГ для утилизации низкопотенциального тепла в промышленности и энергетике.

Сравнение эффекта Зеебека и эффекта Пельтье

Эффект Зеебека и эффект Пельтье являются обратными термоэлектрическими явлениями. Если эффект Зеебека позволяет преобразовывать тепло в электричество, то эффект Пельтье, наоборот, использует электрический ток для создания разности температур.

Ключевые отличия эффектов Зеебека и Пельтье:

• Эффект Зеебека: тепло → электричество; эффект Пельтье: электричество → тепло
• Эффект Зеебека используется в термогенераторах; эффект Пельтье — в термоэлектрических охладителях
• КПД устройств на эффекте Зеебека обычно ниже, чем на эффекте Пельтье
• Эффект Пельтье позволяет создавать большие перепады температур

Как связаны эти эффекты? Оба явления обусловлены переносом тепла носителями заряда в проводниках и полупроводниках. Фактически, это две стороны одного и того же термоэлектрического процесса, что позволяет создавать обратимые термоэлектрические устройства.

Методы измерения коэффициента Зеебека

Коэффициент Зеебека является ключевой характеристикой термоэлектрических материалов, определяющей их эффективность. Существуют различные методы его измерения, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.

Основные методы измерения коэффициента Зеебека:

• Статический метод (измерение в стационарном режиме)
• Динамический метод (измерение при изменении температуры)
• Импульсный метод (измерение при кратковременном нагреве)
• Метод Хармана (комплексное измерение термоэлектрических параметров)

Выбор метода измерения зависит от свойств исследуемого материала, требуемой точности и диапазона температур. Для тонких пленок и наноструктур часто используются специальные микроскопические методы измерения коэффициента Зеебека.

Какие факторы влияют на точность измерений? Ключевую роль играют стабильность температуры, качество электрических контактов и однородность образца. Важно также учитывать возможные побочные эффекты, такие как термомагнитные явления.

Электростанция из кружки кипятка / Хабр

Как известно, электричество можно изготовить, используя электродинамические генераторы (паровые, ветряные или водные), солнечные фотоэлементы, а также преобразование разности температур двух разнородных проводников и полупроводников, работающее на эффекте Зеебека. Чаще, можно слышать про эффект Пельтье — разделение температур на разнородных спаянных проводниках и полупроводниках, что является обратным эффектом Зеебека.

Для анализа используем один такой элемент с маркировкой TEC1-12706.

Элемент рассчитан на номинальное напряжение 12В, максимальное несколько выше, но повышает риск порчи элемента и снижает его КПД. Элемент собран из 127 ячеек и рассчитан на максимальный ток 6 А. При подключении элемента к источнику напряжения, потребляемый ток составил около 2 А, а забираемая мощность от источника равна 24 Вт.

Для получении электроэнергии, следует одну пластину элемента нагревать, а вторую — охлаждать. В моем случае, для показанных цветов проводов, холодная сторона — с маркировкой, горячая — без маркировки. При смене полярности проводов, стороны тоже поменяются по своим свойствам.

Для охлаждения пластины используем радиатор в тающем льду, принимаем температуру холодной поверхности элемента Зеебека около 0 градусов.

Для нагрева пластины — поставим сверху кружку кипятка и примем температуру горячей части за 100 градусов. Дождемся стабилизации температуры на холодной стороне, которая составила 11 градусов.

При этом Полученное напряжение на клеммах элемента около 1.7 В (холостой ход).

На нагрузке 100 Ом напряжение уже составило 1.5 В.

Мощность выделяемая на резисторе равна 22.5 мВт. Подключим преобразователь Burst-Up 0.8 to 5 В к клеммам элемента Зеебека, а на выход преобразователя, мигающий светодиод.

Да, он мигает, диоду нужно совсем немного тока для работы (менее 10 мА).

Холостой ход на выходе Burst-Up преобразователя:

Теперь подключим фирменный PowerBank, способный аккумулировать, даже малые токи заряда. И он — заряжается!

Оценить ток заряда можно таким образом: КПД Burst-Up = 0.9, следовательно на PowerBank поступает около 20 мВт мощности. В повербанке стоит Step-Down преобразователь, для заряда Li-Ion аккумулятора с начальным напряжением 2.8 В и конечным 4.2 В, КПД преобразователя тоже примем за 0.9. Тогда, оставшаяся мощность составит 18 мВт. Зарядный ток аккумулятора будет находиться в пределах 4.3… 6.5 мА, т.е. около 5 мА.

Такая вот маломощная тепловая станция получилась. Не забываем, что данные числа получены при разности температур в 90 градусов, которая снижается, по мере охлаждения жидкости в чашке, а холодная жидкость, как известно, собирается на дне чашки.

Как компенсировать этот эффект читатель, наверное, уже догадался.

В заключение сравним энерговыход такого генератора и миниатюрной фотоэлектрической ячейки с размерами 52х9 мм, толщина, 0.2 мм, вес 0.24 грамма, U=0.5 В.

На эквиваленте солнечного излучения при оптимальном сопротивлении нагрузки в 1. 5 Ом, ячейка выделяет 48 мВт мощности.

Что почти в 2 раза больше мощности, получаемой с элемента Зеебека в нашем эксперименте, однако в пасмурную погоду, можно смело считать выделяюмую мощность фотоэлементом меньше на порядок, т.е. всего 5 мВт. Тогда всего 4 солнечные ячейки 52х9 мм уже эквивалентны 1 Зеебеку в пасмурную погоду.

Эффект Зеебека

В физике и электротехнике существует понятие термоэлектрического эффекта, известного также, как эффект Зеебека. Данное явление представляет собой образование электродвижущей силы внутри электропроводящей замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников. Они изготавливаются из термоэлектрических материалов и соединяются последовательно между собой. Основным условием возникновения эффекта является разница температур, образующихся на спаях. Существует процесс, обратный термоэлектрическому эффекту, называемый эффектом Пельтье.

Термоэлектрические устройства и применение эффекта Зеебека

Термоэлектрическими материалами чаще всего являются сплавы, свойства которых похожи на полупроводниковые. К этой же категории можно отнести и некоторые химические соединения со специфическими параметрами, делающими их пригодными для использования в термоэлектрических устройствах.

Существуют три основных варианта применения эффекта Зеебека в различных конструкциях и устройствах:

• Термоэлектрические генераторы.
• Термоэлектрические холодильники.
• Измерители температур в широком диапазоне: от абсолютного нуля до нескольких тысяч градусов по Кельвину.

Незначительная разница температур между спаями, как показали опыты, приводит к появлению термоэлектродвижущей силы, которая пропорциональна температурной разнице элементов, включенных в цепь. Однородные проводники, работающие по закону Ома, имеются в любой диаде. В свою очередь, в ней возникает термоэлектродвижущая сила, которая определяется свойствами проводников и разницей температур. При этом, распределение температуры между контактами не играет какой-либо решающей роли. Это и есть термоэлектрический эффект Зеебека.

Если цепь состоит всего лишь из двух разных проводников, то данная комбинация будет называться термопарой. Уровень термо-ЭДС в этом случае зависит от материалов проводников и разницы температур между контактами. В большинстве случаев термопара применяется для определения температурных значений. Измерения до 1400 градусов по Кельвину может производится измерителями, в состав которых входят неблагородные элементы. При температуре 1900 градусов и выше потребуются металлы платиновой группы. Для специальных измерителей очень высоких температур применяются особые жаростойкие сплавы.

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с помощью термоэлектрических генераторов. Основной рабочий процесс этих устройств также связан с эффектом Зеебека. За счет этого может преобразовываться даже сбросовая тепловая энергия, выделяемая двигателями машин. Полученная таким путем электроэнергия используется по своему назначению для питания различных устройств.

Преимуществами таких генераторов является продолжительный срок эксплуатации и возможность их хранения в нерабочем состоянии без каких-либо ограничений. Они отличаются надежностью и устойчивым режимом работы, полностью устраняют риск коротких замыканий. Работа этих устройств абсолютно бесшумна, так как в их конструкции не содержатся подвижные элементы.

Широкого применения эти устройства не получили только по причине низкого коэффициента эффективности, составляющего 3-8%. Однако при отсутствии обычных ЛЭП и низкой предполагаемой нагрузке, использование таких генераторов будет вполне оправданным. В результате, эффект Зеебека применение нашел в области энергообеспечения космической техники, в преобразователях солнечной энергии, отопительных системах и многих других областях, где использование традиционных источников электроэнергии не представляется возможным.

Эффект Зеебека и Пельтье

Суть эффекта Зеебека заключается в образовании электродвижущей силы в электрическом контуре, в состав которого входят проводники А и В, контакты которых обладают разными температурами Т1 и Т2. Данные свойства позволяют выполнять прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

В результате широкое применение в различных областях получил эффект Зеебека, формула которого определяет термо-ЭДС контура: где значения SA и SB являются абсолютными термоэлектродвижущими силами проводников А и В. Абсолютная термо-ЭДС относится к одной из характеристик проводника и представляет собой S=du/dT, где u является электродвижущей силой, возникающей в проводнике при наличии в нем разницы температур. Таким образом, теоретические основы эффекта Зеебека тесным образом связаны с температурными перепадами.

Элемент Пельтье является полной противоположностью устройствам, созданным на основе эффекта Зеебека. В данном случае, наоборот, под действием электрического тока образуется разница температур на рабочих площадках конструкции. Таким образом, с помощью электрического тока осуществляется перенос тепла с одной термопары на другую. При изменении направления тока нагреваемая сторона будет принимать противоположное состояние.

Данный эффект происходит в двух разнородных проводниках с одинаковой проводимостью. В каждом из них электроны обладают разным значением энергии и расположены они на очень близком расстоянии между собой. В результате произойдет перенос зарядов из одной среды в другую, и электроны с более высокой энергией на фоне низких уровней, отдадут излишки кристаллической решетке, вызывая нагрев. При недостатке энергии она, наоборот, передается от кристаллической решетки, приводя к охлаждению спая.

В случае неодинакового типа проводимости, полупроводников присутствующих в термопаре, эффект Пельтье будет выглядеть несколько иначе. При попадании в р-материал, электрон занимает место дырки на энергетическом уровне. В результате, у него теряется кинетическая энергия движения и наступает изменение состояния. Высвобожденная энергия способствует образованию свободных носителей с обеих сторон р-п-перехода, а оставшаяся часть уходит на кристаллическую решетку, которая и вызывает нагрев. Если в начальный момент значение энергии меньше, то спай начнет охлаждаться.

Коэффициент Зеебека | Электроника Охлаждение

В этом выпуске мы рассмотрим коэффициент Зеебека, свойство, определяющее характеристики термопар и элементов Пельтье. По сути, коэффициент Зеебека связан с тем, что электроны являются переносчиками электричества и тепла. Если над отрезком электропроводящего провода существует температурный градиент, то происходит результирующая диффузия электронов от горячего конца к холодному концу, создавая тем самым противоположное электрическое поле. В (квази)равновесии это поле вызывает напряжение на проводе, так называемое напряжение Зеебека.

Коэффициент Зеебека определяется как напряжение Зеебека на единицу температуры и является свойством материала. Однако это не вся история, поскольку она не может объяснить тот факт, что коэффициент Зеебека может иметь разные знаки для разных металлов. Лежащая в основе физики твердого тела довольно сложна, но явление хорошо изучено.

Величина и знак коэффициента Зеебека связаны с асимметрией распределения электронов вокруг уровня Ферми. Например, теория объясняет не только разные знаки для металлов, но и то, почему коэффициент Зеебека в полупроводниках значительно больше, чем в металлах, как видно из табл. 1 и 29.0003

Таблица 1. Коэффициенты Зеебека для некоторых металлов и сплавов по сравнению с платиной Таблица 2. Коэффициенты Зеебека для некоторых полупроводников

Следует понимать, что данные по материалам (особенно полупроводникам) подвержены колебаниям из-за их чувствительности к точному составу материала. Также имейте в виду тот факт, что температурная зависимость может быть значительной, например, увеличение на 5-10% для металлов по сравнению с повышением температуры на 30°C.

Довольно сбивает с толку то, что коэффициент Зеебека может быть определен как абсолютное значение или относительно эталонного материала, как в случае с таблицей 1, где эталонным материалом является платина. Причина в том, что гораздо проще измерить относительный коэффициент Зеебека. Чтобы найти «реальные» абсолютные значения, абсолютное значение для Pt (т. е. 5 мкВ/К) следует вычесть из каждого значения, указанного в таблице 1.

Наилучшим выбором для термопары будет сочетание самых высоких плюсовых и минусовых коэффициентов Зеебека. К сожалению, многие металлы и полупроводники невозможно изготовить в виде тонких и прочных проводов. Это основная причина, по которой коммерческие термопары всегда металлические. Для элементов Пельтье нам не нужны провода, поэтому предпочтительным выбором являются полупроводниковые материалы.

Из определения видно, что только градиенты температуры могут создать напряжение. Если мы соединим два провода, общее напряжение Зеебека будет суммой напряжений, созданных в двух проводах. Поскольку в идеальной термопаре переход всегда находится в изотермической области, вклад в напряжение термопары равен нулю. Другими словами, место соединения не играет никакой роли, кроме соединения проводов! Подробнее об основах теории термопар можно прочитать в статье Моффата в предыдущем номере этого журнала [1]. В таблице 3 показан комбинированный коэффициент Зеебека для наиболее популярных пар проводов.

Таблица 3. Коэффициенты Зеебека для стандартных термопар

Ссылка

1. Моффат, Р., «Примечания по использованию термопар», ElectronicsCooling, Vol. 3, № 1, 1997

Зеебек, ZT и эффект Холла

Утилизация отработанного тепла / Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) / Термоэлектрические элементы Пельтье / Датчики / Термоэлектрические прокладки / Термоэлектрические модули

Компания Linseis является лидером в области термоэлектрических приборов для измерения эффективности термоэлектрических материалов. Наше оборудование помогает проверить качество этих материалов, чтобы их можно было оптимизировать для использования по назначению.

Коэффициент Зеебека и электрическое сопротивление измеряются полностью автоматически и одновременно в диапазоне от -160°C до 200°C.

Детали

• Измерение коэффициента Зеебека и электропроводности на твердых материалах и на тонких пленках
• Диапазон температур от -100°C до +1500°C

Детали

ТЭГ-тестер

Linseis Тестер ТЭГ представляет собой измерительную систему для оценки эффективности термоэлектрических генераторов (ТЭГ) в зависимости от температуры.

Детали

LZT-метр

• Комбинированный LFA + LSR
• Измерение коэффициента Зеебека , удельного сопротивления и температуропроводности
• Диапазон температур от -100°C до +1100°C

для полного измерения ZT

Детали

HCS 1/10/100

Система HCS позволяет характеризовать полупроводниковые устройства и измерять: подвижность носителей заряда , сопротивление , концентрацию носителей заряда 4 , а также 0 Постоянная Холла

Детали

• Полная характеристика ZT на тонких пленках от нм до мкм диапазон
• Дополнительное измерение Холл коэффициент , плотность носителей заряда и подвижность
• Диапазон температур от -160°C до +280°C

Подробности

TF-LFA

TF-LFA – Термоотражение во временной области (TDTR) – Измерение температуропроводности на тонких пленках

Подробности

См.

Краткий обзор

Термоэлектричество в целом описывает взаимное влияние температуры и электричества в материале и основано на трех фундаментальных эффектах: эффекте Зеебека, эффекте Пельтье и эффекте Томсона. Эффект Зеебека был открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Дж. Зеебеком и описывает возникновение электрического поля при приложении температурного градиента к электрически изолированному проводнику. Коэффициент Зеебека S  определяется как частное отрицательного термоэлектрического напряжения и разности температур и представляет собой чисто специфическую для материала величину, обычно выражаемую в единицах мкВ/К.

 

В обратном случае этот эффект, называемый тогда эффектом Пельтье, вызывает выражение градиента температуры при приложении к проводнику внешнего тока. Это явление связано с различными энергетическими уровнями зон проводимости вовлеченных материалов. Таким образом, при переходе от одного материала к другому носители заряда должны либо поглощать энергию в виде тепла, вызывая охлаждение места контакта, либо выделять энергию в виде тепла, вызывая нагрев места контакта. вверх.

В связи с постоянно растущим дефицитом ископаемого топлива и недавними данными о глобальном потеплении из-за увеличения выбросов углекислого газа область термоэлектричества снова стала центром общественного интереса благодаря эффективному использованию отработанного тепла. Цель состоит в том, чтобы использовать отработанное тепло от тепловых двигателей, таких как автомобили или обычные электростанции, с помощью ТЭГ или термоэлектрических генераторов для повышения их эффективности. Однако эффективные термоэлектрические материалы также представляют большой интерес для приложений охлаждения с использованием эффекта Пельтье, таких как термостатирование критичных к температуре компонентов в лазерах.

Эффективность термоэлектрического преобразования материала обычно сравнивают с использованием показателя качества без диммирования ZT. Это рассчитывается на основе теплопроводности, коэффициента Зеебека и электропроводности.

Чтобы соответствовать этой тенденции, мы разработали прибор для простой и чрезвычайно точной характеризации материалов. Linseis LSR-3 может определять как коэффициент Зеебека, так и удельное электрическое сопротивление образца в диапазоне температур от -100°C до 1500°C за одно измерение.

 

Вас интересует измерительный прибор?

Вы хотите получить больше информации?

Свяжитесь с нами сегодня!

 

Отправить запрос >>

Обзор применений и образцы

Ниже вы найдете обзор различных измерительных приборов для термоэлектричества. Это должно послужить вам ориентиром. Если у вас есть вопросы по размеру или материалу, вы всегда можете отправить нам сообщение через контактную форму.

Зеленый: измерение возможно

Желтый: измерение возможно

Серый: измерение невозможно

Модель	ЛСР-3	ЛСР-4	ЛЗТ	ГКС	ТФА
Информация	Стандартная платформа	Обновление Harman для LSR-3	Комбинация LSR-3 + LFA 1000	дополнительно с константой Холла	Тонкие пленки на чипе Linsei
Размеры
Коэффициент Зеебека
Удельное сопротивление/проводимость
Зал Константе/ Зал мобильности/ Багажник
Температуропроводность
Теплопроводность		*Hinweis пляжный номер
Полная характеристика ZT
Атмосфера
Диапазон температур	от -100 до +1500°C	от -100 до +1500 (Harman от -100 до 300)	от -100 до +1100	от -150 до +600	от -170 до +300°C
Цена	$$	$$	$$$	$	$$$
Образцы
твердый
Тонкие пленки		**Hinweis пляжный номер	***Hinweis пляжный номер

* Теплопроводность, рассчитанная по методу Хармана для прямого измерения ZT.