Využívejte naplno možností termoelektrických článků

Seebeckův termoelektrický jev je znám již od první poloviny 19. století a popisuje, že na spojení dvou různých vodičů, mezi kterými je teplotní gradient, vzniká napětí. Peltierův efekt je k tomu přesně opačný, tj. při průchodu elektrického proudu vzniká rozdíl teplot v blízkosti spoje dvou různých vodičů. Oba tyto efekty jsou tedy vzájemně propojeny a záleží pouze na tom, zda vytváříme rozdíl teplot, a tak generujeme elektrickou energii (TEG), event. zda přivádíme elektrickou energii, a tím zvětšujeme teplotní rozdíl mezi spojem dvou různých vodičů (TEC). Rozvoj technologií a materiálů posunul využití těchto jevů do běžných aplikací. V praxi se nejčastěji využívají polovodičové PN přechody, které jsou řazeny do skupin mezi dvě keramické destičky (viz obr. 1).

Obr. 1 Skladba standardního termoelektrického článku

Termoelektrický generátor (TEG)

Články lze využít pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla, dále nalézají využití např. jako zdroje energie pro nízkovýkonové regulační prvky energetických systémů, bez nutnosti výměny baterií nebo jejich externího dobíjení např. u kalorimetrů, regulátorů, bezdrátových senzorů atd. Životnost takto používaných článků je teoreticky neomezená, prakticky přesahují životnost přes 100 000 hodin provozu.

Tyto články se vyznačují vyšší teplotní odolností do 250 °C. Lze tak docílit velkého teplotního spádu mezi destičkami, a tím zajímavých generovaných výkonů. Příkladem uvádíme TEG v rozměru 40 x 44 mm, který dokáže generovat 8,5 W při rozdílu teplot 200 °C (event. 1,8 W při rozdílu teplot 100 °C). 

V oblasti výroby elektrické energie z odpadního tepla se často TEG články při výrobě řadí do větších skupin. V tomto případě se nejčastěji využívá sériového nebo sérioparalelního elektrického propojení (viz obr. 2).

Obr. 2 Sériové řazení TEG/TEC článků

Termoelektrické chlazení (TEC)

Při připojení stejnosměrného proudu se jedna strana článku ochlazuje a druhá ohřívá. Tepelný výkon na teplé straně se rovná výkonu odebíranému z chladné strany + výkonu elektrickému. Tento typ chlazení je rozšířený např. v medicínské technice, v oblasti průmyslu, v procesech s potřebou udržování teploty v uzavřeném prostoru, ale také k chlazení laserových/IR diod nebo elektrooptických systémů (viz obr. 3). Pro dosažení vyššího rozdílu teplot lze využívat vícestupňové tzv. multistage články.

Obr. 3 Chlazení čipů a optických diod

Při změně elektrické polarity se teplá a studená strana také otáčí. Lze tak snadněji zajistit udržování požadované teploty, event. ohřev. TEC článek umožňuje použití také jako elektrický generátor, ale není možné ho zatěžovat do tak vysokých teplot, jako tomu je u TEG k tomu určeným.

Prvky vylepšující použíti TEG/TEC článků

• Pokovení dotykových ploch keramiky umožňuje rovnoměrný přenos tepla keramikou, a tím i větší možnost výkonového zatížení. Mezi nejčastěji používané vrstvy kovů patří Cu/Ni , Cu/Ag nebo Cu/Ni/Au (viz obr. 4). Vrstvy se volí dle konečné aplikace, např. nalézají uplatnění ve vakuové technice.
• Stranové utěsnění silikonem, epoxidem, event. parylene povlakem.
• Tvary článků: čtverec, obdélník, kruh, půlkruh, mezikruží, s otvory pro uchycení atd.
• TEG/TEC články mohou být vybaveny teplotním senzorem, který měří teplotu na jedné nebo obou vnitřních stranách destiček.
• Teplovodivá pasta, která je při výrobě článků sítotiskem nanášená a následně sušená, usnadňuje instalaci ve výrobním procesu zákazníka, bez nutnosti aplikace jiných teplovodivých past. K aktivaci a celoplošnému roztečení hmoty dojde po instalaci, při teplotě nad 40 °C (viz obr. 5).

Obr. 4 Metalické vrstvy na TEG/TEC článku

Obr. 5 Sítotisková teplovodivá pasta

Sortiment společnosti Telemeter Electronic nabízí standardní dílce, ale také široké možnosti individualizace dle požadavků jednotlivých aplikací.

www.TELEMETER.info