اوایل قرن نوزدهم آقایان، Thomas Seebeck و Jean Peltier ، توانستند پدیده ای را که پایه صنعت ترموالکتریک امروز است کشف کنند. Seebeck یافت که اگر در محل اتصال دو هادی غیر مشابه اختلاف دما ایجاد نماید، جریان الکتریکی جاری میشود .
از طرفی دیگر، Peltier ثابت کرد که جریان عبوری از میان دو هادی غیر مشابه،باعث می شود که گرما یا منتشر شود و یا در محل اتصال جذب شود.
به هر حال پس از پیشرفتهای نیمه قرن بیستم در فن آوری نیمه هادی کابردهای عملی وسایل ترموالکتریک ممکن گردید. با فن آوریهای مدرن، اکنون ما می توانیم طرح های ترموالکتریکی را تولید کنیم که پمپ گرمای موثر حالت جامد را برای سرمایش و گرمایش ایجاد می کنند.
بسیاری از این واحد ها همچنین می توانند برای تولید توان DC در شرایطی خاص استفاده شوند (مانند تبدیل گرمای تلف شده به جریان الکتریکی). کاربردهای جدید و اغلب جالب ترموالکتریک هر روز در حال پیشرفت است.
اصول کار سیستم ترموالکتریک ( TE)
یک سیستم ترموالکتریک معمولی از یک رشته قرص نیمه هادی تلوراید بیسموت تشکیل گردیده است و به گونه ای تعبیه شده اند که یک نوع از حاملهای بار (مثبت یا منفی) بخش زیادی از جریان را حمل نماید.
زوجهای قرص N/P به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمایی با هم موازی می باشند. لایه های بیرونی سرامیکی آنها فلزی شده تا بتواند سطح پوششی برای قرص ها ایجاد نموده و آنها را از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل نماید. به این ترتیب قرص ها و لایه های بیرونی یک ساختار لایه ای را تشکیل می دهند . اندازه هر طرح ترموالکتریکی بین 0.25 * 0.25اینچ مربع تا تقریبا 2×2 اینچ مربع تغییر می کند .
طرحهای ترموالکتریکی می توانند به صورت منفرد یا به صورت گروهی با اتصالات سری، موازی و یا سری - موازی بکار روند. در بعضی از کاربردها از طرحهای چند حالته استفاده می کنند.
کاربرد سرمایی و گرمایی سیستم ترمو الکتریک :
وقتی ولتاژ DC به سیستم ترموالکتریک اعمال می شود حاملهای بار منفی و مثبت در رشته قرص ها، انرژی گرمایی را از یک سطح لایه خروجی دریافت و آن را در سطح طرف دیگر آزاد می کنند.
سطحی که انرژی گرمایی از آن جذب می شود سرد می گردد و سطح مخالف که انرژی گرمایی را دریافت می کند گرم می شود . با استفاده از این روش ساده، ""تلمبه گرمایی""، فن آوری ترمو الکتریک در کاربردهای گسترده ای از قبیل خنک کننده های لیزردیودی کوچک، یخچالهای قابل حمل، خنک کننده های مایع و غیره استفاده می شود .
عملکرد تولید توان در سیستم ترمو الکتریک
با به کار بردن طرحی که Seebeck کشف کرد مولدهای انرژی ترموالکتریک انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند . وقتی که اختلاف دما در اطراف یک وسیله ترمو الکتریک تولید می شود یک ولتاژ DC دو سر ترمینال آن ایجاد می گردد و چنانچه یک بار بطور مناسب وصل شود جریان الکتریکی برقرار می گردد. کاربردهای این فن آوری شامل تأمین انرژی برای سیستم های مخابرات راه دور، دریانوردی وتأسیسات نفتی می باشد.
مقایسه فن آوری های مختلف سرمایشی
انتقال گرما توسط حاملهای بار در یک وسیله ترموالکتریک خیلی شبیه به روشی است که خنک کننده های کمپرسی، گرما را در یک سیستم مکانیکی انتقال می دهند. در سیستم خنک کننده کمپرسی، مایعات گردشی گرما را از بار گرمایی به تبخیر کننده ای که در آن گرما می تواند پخش شود انتقال می دهد .
از طرف دیگر با استفاده از فن آوری T E جریان مستقیم گردشی، گرما را از بار گرمایی به گرماگیرهائی (Heat Sink) که گرما را به محیط بیرون انتقال می دهند حمل می کند . هر طرح سیستم ترمو الکتریک به تنهایی ظرفیت منحصر به فردی برای انتقال گرما بر حسب وات و یا BTU/H دارد این ظرفیت می تواند تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار گیرد . مهمترین متغیرها دمای محدوده, مشخصه های الکتریکی و فیزیکی طرح ترموالکتریکی به کار برده شده و بازده سیستم پخش گرما هستند . از کاربردهای معمول ترمو الکتریک, پمپ بارهای گرمایی در محدوده ای از چندین میلی وات تا صدها وات می باشد.
مزایای سیستم ترمو الکتریک
انتخاب فن آوری سرمایشی به نیازهای خاص هر کاربرد بستگی دارد، اما خنک کننده های ترمو الکتریک ( ( T Eفوائد متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند :
· خنک کننده های T E هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارند.
· آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل T E بیش از صد هزار ساعت در شرایط کار پایدار است .
· خنک کننده های T E محتوی کلروفلوروئید کربن یا مواد دیگری نیستند که نیاز به پرکردن مداوم داشته باشد .
· کنترل دما تا جزئی ترین بخشهای یک درجه به راحتی با سیستم T E ممکن است .
· خنک کننده های T E در محیط هایی که خیلی مهم ، خیلی حساس یا خیلی کوچک هستند جهت خنک کننده گی استفاده می شوند.
· عملکرد خنک کننده های T E بستگی به محل و موقعیت هندسی ندارند .
· جهت تخلیه گرما در یک سیستم T E کاملآ قابل برگشت است . تغییر پلاریته منبع DC باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود . به این ترتیب یک خنک کننده نیز می تواند مانند یک گرمازا عمل کند .
محاسبات طراحی
یک عنصر الکترونیکی حالت جامد را که برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان خودنیاز به سرمایش دارد در نظر می گیریم . این عنصر در محیطی با حداکثر دمای 50 درجه سانتیگراد قرار گرفته و دارای تلفاتی برابر 15 وات می باشد . سرد کردن آن ماده تا 25 درجه سانتیگراد قابلیت و اطمینان کاری را بالا می برد .
سیستم خنک کننده ترمو الکتریک ویژگیهای فیزیکی زیر را خواهد داشت :
عنصر الکترونیکی در اتصال مستقیم با قسمت سرد سیستم خنک کننده T E قرار دارد .
گرماگیر و پنکه در اتصال مستقیم با قسمت داغ سیستم خنک کننده T E قرار دارد .
بطوریکه می دانیم گرما بطور طبیعی همواره از جای گرم به جای سرد منتقل می گردد. وقتی تغذیه DC به سیستم ترمو الکتریک اعمال می شود قسمت سرد از عنصر الکترونیکی سردتر می شود، بنابراین گرما به طور طبیعی از آن عنصر به سیستم T Eجریان پیدا می کند . حاملهای بار در ماده نیمه هادی دوباره گرما را از عنصر الکترونیکی به گرماگیر منتقل می کنند که این باعث می شود که دمای گرماگیر افزایش پیدا کند . وقتی که دمای گرماگیر از دمای هوای اطراف تجاوز کند، گرما به طور طبیعی از گرماگیر به هوا جریان می یابد. بعنوان مثال چنانچه کمیات طراحی برابر مقادیر زیر باشند.
(وات 15) بارگرمایی عنصر الکترونیکی = Q
(C
از طرفی دیگر، Peltier ثابت کرد که جریان عبوری از میان دو هادی غیر مشابه،باعث می شود که گرما یا منتشر شود و یا در محل اتصال جذب شود.
به هر حال پس از پیشرفتهای نیمه قرن بیستم در فن آوری نیمه هادی کابردهای عملی وسایل ترموالکتریک ممکن گردید. با فن آوریهای مدرن، اکنون ما می توانیم طرح های ترموالکتریکی را تولید کنیم که پمپ گرمای موثر حالت جامد را برای سرمایش و گرمایش ایجاد می کنند.
بسیاری از این واحد ها همچنین می توانند برای تولید توان DC در شرایطی خاص استفاده شوند (مانند تبدیل گرمای تلف شده به جریان الکتریکی). کاربردهای جدید و اغلب جالب ترموالکتریک هر روز در حال پیشرفت است.
اصول کار سیستم ترموالکتریک ( TE)
یک سیستم ترموالکتریک معمولی از یک رشته قرص نیمه هادی تلوراید بیسموت تشکیل گردیده است و به گونه ای تعبیه شده اند که یک نوع از حاملهای بار (مثبت یا منفی) بخش زیادی از جریان را حمل نماید.
زوجهای قرص N/P به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمایی با هم موازی می باشند. لایه های بیرونی سرامیکی آنها فلزی شده تا بتواند سطح پوششی برای قرص ها ایجاد نموده و آنها را از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل نماید. به این ترتیب قرص ها و لایه های بیرونی یک ساختار لایه ای را تشکیل می دهند . اندازه هر طرح ترموالکتریکی بین 0.25 * 0.25اینچ مربع تا تقریبا 2×2 اینچ مربع تغییر می کند .
طرحهای ترموالکتریکی می توانند به صورت منفرد یا به صورت گروهی با اتصالات سری، موازی و یا سری - موازی بکار روند. در بعضی از کاربردها از طرحهای چند حالته استفاده می کنند.
کاربرد سرمایی و گرمایی سیستم ترمو الکتریک :
وقتی ولتاژ DC به سیستم ترموالکتریک اعمال می شود حاملهای بار منفی و مثبت در رشته قرص ها، انرژی گرمایی را از یک سطح لایه خروجی دریافت و آن را در سطح طرف دیگر آزاد می کنند.
سطحی که انرژی گرمایی از آن جذب می شود سرد می گردد و سطح مخالف که انرژی گرمایی را دریافت می کند گرم می شود . با استفاده از این روش ساده، ""تلمبه گرمایی""، فن آوری ترمو الکتریک در کاربردهای گسترده ای از قبیل خنک کننده های لیزردیودی کوچک، یخچالهای قابل حمل، خنک کننده های مایع و غیره استفاده می شود .
عملکرد تولید توان در سیستم ترمو الکتریک
با به کار بردن طرحی که Seebeck کشف کرد مولدهای انرژی ترموالکتریک انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند . وقتی که اختلاف دما در اطراف یک وسیله ترمو الکتریک تولید می شود یک ولتاژ DC دو سر ترمینال آن ایجاد می گردد و چنانچه یک بار بطور مناسب وصل شود جریان الکتریکی برقرار می گردد. کاربردهای این فن آوری شامل تأمین انرژی برای سیستم های مخابرات راه دور، دریانوردی وتأسیسات نفتی می باشد.
مقایسه فن آوری های مختلف سرمایشی
انتقال گرما توسط حاملهای بار در یک وسیله ترموالکتریک خیلی شبیه به روشی است که خنک کننده های کمپرسی، گرما را در یک سیستم مکانیکی انتقال می دهند. در سیستم خنک کننده کمپرسی، مایعات گردشی گرما را از بار گرمایی به تبخیر کننده ای که در آن گرما می تواند پخش شود انتقال می دهد .
از طرف دیگر با استفاده از فن آوری T E جریان مستقیم گردشی، گرما را از بار گرمایی به گرماگیرهائی (Heat Sink) که گرما را به محیط بیرون انتقال می دهند حمل می کند . هر طرح سیستم ترمو الکتریک به تنهایی ظرفیت منحصر به فردی برای انتقال گرما بر حسب وات و یا BTU/H دارد این ظرفیت می تواند تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار گیرد . مهمترین متغیرها دمای محدوده, مشخصه های الکتریکی و فیزیکی طرح ترموالکتریکی به کار برده شده و بازده سیستم پخش گرما هستند . از کاربردهای معمول ترمو الکتریک, پمپ بارهای گرمایی در محدوده ای از چندین میلی وات تا صدها وات می باشد.
مزایای سیستم ترمو الکتریک
انتخاب فن آوری سرمایشی به نیازهای خاص هر کاربرد بستگی دارد، اما خنک کننده های ترمو الکتریک ( ( T Eفوائد متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند :
· خنک کننده های T E هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارند.
· آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل T E بیش از صد هزار ساعت در شرایط کار پایدار است .
· خنک کننده های T E محتوی کلروفلوروئید کربن یا مواد دیگری نیستند که نیاز به پرکردن مداوم داشته باشد .
· کنترل دما تا جزئی ترین بخشهای یک درجه به راحتی با سیستم T E ممکن است .
· خنک کننده های T E در محیط هایی که خیلی مهم ، خیلی حساس یا خیلی کوچک هستند جهت خنک کننده گی استفاده می شوند.
· عملکرد خنک کننده های T E بستگی به محل و موقعیت هندسی ندارند .
· جهت تخلیه گرما در یک سیستم T E کاملآ قابل برگشت است . تغییر پلاریته منبع DC باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود . به این ترتیب یک خنک کننده نیز می تواند مانند یک گرمازا عمل کند .
محاسبات طراحی
یک عنصر الکترونیکی حالت جامد را که برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان خودنیاز به سرمایش دارد در نظر می گیریم . این عنصر در محیطی با حداکثر دمای 50 درجه سانتیگراد قرار گرفته و دارای تلفاتی برابر 15 وات می باشد . سرد کردن آن ماده تا 25 درجه سانتیگراد قابلیت و اطمینان کاری را بالا می برد .
سیستم خنک کننده ترمو الکتریک ویژگیهای فیزیکی زیر را خواهد داشت :
عنصر الکترونیکی در اتصال مستقیم با قسمت سرد سیستم خنک کننده T E قرار دارد .
گرماگیر و پنکه در اتصال مستقیم با قسمت داغ سیستم خنک کننده T E قرار دارد .
بطوریکه می دانیم گرما بطور طبیعی همواره از جای گرم به جای سرد منتقل می گردد. وقتی تغذیه DC به سیستم ترمو الکتریک اعمال می شود قسمت سرد از عنصر الکترونیکی سردتر می شود، بنابراین گرما به طور طبیعی از آن عنصر به سیستم T Eجریان پیدا می کند . حاملهای بار در ماده نیمه هادی دوباره گرما را از عنصر الکترونیکی به گرماگیر منتقل می کنند که این باعث می شود که دمای گرماگیر افزایش پیدا کند . وقتی که دمای گرماگیر از دمای هوای اطراف تجاوز کند، گرما به طور طبیعی از گرماگیر به هوا جریان می یابد. بعنوان مثال چنانچه کمیات طراحی برابر مقادیر زیر باشند.
(وات 15) بارگرمایی عنصر الکترونیکی = Q
(C
دیدگاه