Toplota spremlja človeka še od pradavnine in dvomimo lahko, če bi brez toplote lahko preživel vse klimatske spremembe, ki so se dogajale na Zemlji, odkar ga naseljuje tudi naša vrsta. Vprašanje je tudi, kakšno krzno bi krasilo naše telo… Vsekakor, brez ognja in toplote bi bili danes najbrž drugačni mi, naša civilizacija in stopnja tehnološke razvitosti. Danes lahko po zaslugi znanja, ki smo ga večinoma »nabrali« v zadnjih dvesto letih (!) na toploto gledamo še bolj spoštljivo: v večini primerov je stranski produkt slabega izkoristka pri energijskih pretvorbah in še včeraj smo se z njo kar nekako sprijaznili. Danes pa je trenutek, ko bomo poskusili vsaj del te »izgubljene« energije ujeti, preden jo za vedno izgubimo (porabimo, vendar brez učinka). S termoelektričnimi pretvorniki temperaturno razliko spremenimo v razliko potencialov, torej napetost, ta pa lahko požene tok…
Termoelektrični pretvornik
Če kar nadaljujem s človekom: človeško telo ima dovolj energije, da s svojo toploto (37°C) napaja zapestno uro. Tloris elementa za termoelektrično pretvorbo v uri znamke Seiko meri le 2,14 x 2,36 mm in med nošenjem ure na zapestju zaradi temperaturne razlike na termoelementu zbere dovolj električne energije, da z njo napaja uro, poleg tega pa polni še pomožno baterijo, iz katere se ura napaja v obdobjih, ko oseba ure nima pritrjene na zapestju. Vse skupaj ni ravno kakšna »huda« elektrarna, saj lahko na ta način pridobimo le nekaj milivatov električne energije, pomembno pa je, da jo dobimo in izkoristimo vsaj delček tistega, kar bi v vsakem primeru brez koristi izpuhtelo v zrak.
Morda boste tudi sami “padli” v veliko zmedo imen znanstvenikov, ko skušate dobiti nekaj več informacij v zvezi s termoelektrično pretvorbo, zato je prav, da pripišemo vsakemu svoje zasluge in stvari postavimo na pravo mesto.
Seebeckovo načelo
Načelo, na katerem temelji termoelektrična pretvorba je leta 1821 odkril nemški fizik Thomas Johann Seebeck, vendar pa ga vse do odkritja elektronov v poznih letih istega (devetnajstega) stoletja delovanja nihče ni znal v celoti
pojasniti. Od leta 1950 naprej je prišlo z uporabo tehnologije polprevodnikov do razvoja praktično izvedljivih različic termoelektričnih generatorjev, ki so jih najprej uporabljali v zvezi z vesoljskimi programi.
Termoelektrični generator je polprevodniški pretvornik toplotne energije v električno s pomočjo Seebeckovega učinka. Ta učinek se pojavi, ko med sabo na obeh koncih spojimo dve različni kovini. S segrevanjem ene tako spojene točke in ohlajanjem druge nastane majhna razlika v električnih potencialih, ki povzroči, da steče majhen enosmerni tok. Ta napetost, ki požene električni tok, se imenuje Seebeckova napetost in je sorazmerna temperaturni razliki med vročo in hladno točko. Za kovine je ta napetost tipično od 0,4 do 0,6 mV/100 ºC. Poskusimo na preprost način pojasniti, kako nastane Seebeckova napetost!
Segrevanje kovinskega vodnika na enem koncu povzroči, da se prosti elektroni začnejo premikati proti hladnemu koncu. Če sta dva konca vodnika povezana prek vodnika, ki je iz drugačnega materiala, bo v tokokrogu stekel tok. To, da steče tok je posledica dejstva, da količina elektronov v vsakem posameznem vodniku ni enaka, kar povzroči razliko potencialov in s tem električni tok. Če se za vodnika uporabijo podobne kovine, ne bo potencialne razlike in tudi tok ne bo stekel. Stik dveh različnih kovin sicer imenujemo tudi termo-par, ki skupaj tvorita termo-člen. No, če bi želeli s sestavljanjem posameznih termočlenov doseči napetost enega volta, bi jih morali povezati skupaj res ogromno število, poleg tega pa bi morale biti temperaturne razlike med »vročo« in »hladno« točko zelo velike, tudi nekaj sto voltov!
Praktično ni nikoli prišlo do kakšne bolj resne uporabe termočlenov kot vira električne energije, vse dokler proti koncu 50-tih let prejšnjega stoletja niso prej omenjenih žic iz različnega materiala zamenjali s polprevodnikom P in N tipa in tako dosegli tudi do 50-krat višjo Seebeckovo napetost v primerjavi z običajnim termočlenom. Poleg te lastnosti imajo polprevodniški termočleni v primerjavi s kovinami majhno toplotno prevodnost, kar je dokončno oblikovalo sodobno izvedbo termogeneratorja. Omeniti pa moramo, da ne gre za P-N polprevodniški spoj in da to nikakor ni polprevodniška dioda. Čeprav sta znotraj enega modula uporabljena polprevodniška materiala P in N tipa, je to le zaradi zagotavljanja različnih prevodnih materialov (žic, vodnikov) za ustvarjanje potencialne razlike, ki ob temperaturni razliki požene tok. Kako so ti polprevodniški »vodniki« povezani med seboj znotraj modula, pa je zelo lepo prikazano na sliki 3. Vidimo, da sta polprevodnika P in N tipa vsakega posameznega termočlena na eni strani povezana skupaj, druga stran pa se serijsko spoji z naslednjim členom, tako da dobimo zaporedno vezavo velikega števila termočlenov in seveda tudi višjo napetost, saj se napetosti posameznih termočlenov seštevajo.
V različnih aplikacijah uporabljamo različne moči termoelektričnih generatorjev, vse od zapestnih ur v razredu nanovatov (toplotna energija roke), termoelektrične generatorje v razredu stotih vatov, ki izkoriščajo tako rekoč že izgubljeno energijo na izpušnih sistemih vozil, pa vse do orbitalnih vesoljskih postaj, ki imajo vgrajene termoelektrične generatorje moči tudi do 100 kW!
Obnovljivi viri za začetnike (5)
AX elektronika d.o.o.
2014_SE216_56
