Construcción de tejas Peltier

Parte I:

Efecto Seebeck (1821): dos metales diferentes, con uniones a diferentes temperaturas, producen un voltaje.

Este voltaje producido es muy pequeño, alrededor$100\ \mu V$por grado Kelvin de diferencia de temperatura . Para obtener un gran voltaje, debe conectar muchos de estos pares de metales diferentes en serie, de la misma manera que lo haría con las baterías para obtener un voltaje total mayor. El efecto Seebeck se trata de usar una diferencia de temperatura para generar energía eléctrica: los TEC simplemente funcionan en la dirección opuesta, usando energía eléctrica para generar una diferencia de temperatura.

Efecto Peltier (1834): la corriente eléctrica produce calentamiento o enfriamiento en la unión de dos metales diferentes.

Si desea impulsar el enfriamiento con un voltaje relativamente grande, 5V por ejemplo, necesitará muchas uniones en serie.

Térmicamente en paralelo solo significa que los semiconductores P y N no están apilados uno encima del otro, están uno al lado del otro. Ambos se calientan en el mismo lado, por lo que si los apila uno encima del otro, colocaría un lado frío contra un lado caliente y anularía el efecto útil.

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Parte II:

La conexión gris con un círculo verde en la figura a continuación es la unión del generador termoeléctrico.

^{Imagen: por Ken Brazier CC BY-SA 4.0-3.0-2.5-2.0-1.0 , a través de Wikimedia Commons}

Los electrones calientes en el semiconductor de tipo n (exceso de electrones libres) fluyen hacia el lado frío y lo mismo sucede con los "agujeros" en el semiconductor de tipo p. Una forma de entender esto es pensar en los portadores de carga libres como moléculas de gas (énfasis mío):

En una primera aproximación, los electrones y huecos en un semiconductor termoeléctrico se comportan como un gas de partículas cargadas. Si se coloca un gas normal (sin carga) en una caja dentro de un gradiente de temperatura, donde un lado está frío y el otro caliente, las moléculas de gas en el extremo caliente se moverán más rápido que las del extremo frío. Las moléculas calientes más rápidas se difundirán más lejos que las moléculas frías, por lo que habrá una acumulación neta de moléculas (mayor densidad) en el extremo frío... Si las moléculas están cargadas, la acumulación de carga en el extremo frío también producirá una fuerza electrostática repulsiva (y por lo tanto potencial eléctrico ) para empujar las cargas de regreso al extremo caliente.

"La ciencia de los materiales termoeléctricos". Grupo de Termoelectricidad, Universidad Northwestern 2017.

El potencial eléctrico que se desarrolla también se conoce como voltaje. V = IR, y ahí tienes tu corriente continua. Hacer funcionar una corriente continua para crear una diferencia de temperatura es solo la otra cara de la moneda, de la misma manera que un generador eléctrico es esencialmente un motor eléctrico que funciona en reversa.

El coeficiente de Seebeck para una unión metal/metal es la dependencia de la temperatura del voltaje de interfaz que alcanza el equilibrio térmico entre dos materiales, uno con mayor densidad de carga libre que el otro. Así como la piel y el ámbar dan como resultado la separación de carga cuando los frotas, los conductores intercambian un poco de carga al contacto. El tipo habitual de circuito eléctrico, con alambre de hierro y alambre de cobre unidos en un bucle, no tiene corriente neta resultante de la diferencia de voltaje, siempre que las dos uniones estén a una temperatura común. Sin embargo, cuando se altera ese equilibrio térmico, el voltaje en una unión ya no equilibra el de la otra...

Bien, ahora que el coeficiente de Seebeck podría ser de 100 uV/C, una pequeña fracción de un voltio por grado Celsius. Con agua hirviendo y hielo, obtendrías alrededor de 1/100 de voltio en total. El efecto es reversible, y la aplicación de 1/100 de voltio haría que las cargas fluyan y (como el gas que se comprime) en una unión, el flujo hace que se genere calor, mientras que (como el gas que se expande) el flujo en la otra unión hace que el calor sea absorbido. Eso es enfriamiento Peltier.

La afirmación 'térmicamente en paralelo' nos dice que varios materiales diferentes están todos conectados térmicamente a un solo depósito CALIENTE en la unión P-a-N, y todos conectados térmicamente a un solo depósito FRÍO en la unión N-a-P .

La afirmación 'eléctricamente en serie' nos dice que esas uniones están todas en serie (si hay 100 pares de ellos, con 1/100 voltios cada uno, obtienes 1 voltio para el dispositivo).

Se realiza eléctricamente en serie para que los voltajes de accionamiento no sean imprácticamente bajos para la aplicación de una potencia significativa, y se realiza térmicamente en paralelo para que todos los pares de unión bombeen cantidades iguales de calor. Eso hace una diferencia de temperatura (posiblemente pequeña), pero un flujo de calor máximamente grande desde el aparato. Si todos los elementos de flujo de calor NO ESTUVIERAN térmicamente en paralelo, el enfriamiento se aplicaría en otro lugar que no sea su depósito objetivo.

Ahora, en cuanto a la razón para usar semiconductores: el carácter importante de los semiconductores es que se pueden dopar para conducir electricidad (y así completar el circuito eléctrico que alimenta la bomba de calor), Y se pueden dopar para que el tipo N tenga mucho de electrones (alta concentración de portadores) mientras que el tipo P tiene muy pocos portadores N. Eso maximiza el coeficiente de Seebeck porque crea una población de electrones altamente asimétrica. En lugar de metales y quizás una potencia de 1 voltio, puede usar semiconductores y una potencia de 10 voltios.

La elección de los semiconductores 'correctos' también implica la unión mecánica, la conductividad térmica (que 'pierde' calor y reduce la eficiencia) y la resistencia eléctrica (que genera calor residual). La unión eléctrica también es importante, las uniones deben llevar corriente en DOS direcciones, y eso requiere algo de magia con los materiales de contacto óhmico.