Principio di refrigerazione dei materiali termoelettrici a semiconduttore
L'applicazione di materiali termoelettrici a semiconduttore nel campo della refrigerazione ha un importante valore di ricerca e ampie prospettive di applicazione. I materiali termoelettrici utilizzano la differenza di temperatura per convertire direttamente l'energia termica in energia elettrica o utilizzare in modo refrigene di energia elettrica per la regolazione del calore, formando il principio di base della refrigerazione termoelettrica. Questo articolo esplorerà il meccanismo di refrigerazione e l'applicazione di materiali termoelettrici a semiconduttore.
Esistono due principali effetti termoelettrici: effetto Seebeck ed effetto Peltier. ( Produttore di temperatura intelligente Cina) L'effetto Seebeck si riferisce alla tensione generata quando due diversi conduttori o semiconduttori formano un ciclo e c'è una differenza di temperatura nel punto di contatto; Mentre l'effetto Peltier è quando la corrente passa attraverso la giunzione di due diversi conduttori, causerà il cambiamento della temperatura della giunzione. Quando la corrente scorre nella giusta direzione, un'estremità assorbe il calore e l'altra estremità rilascia calore e questo processo realizza il trasferimento di calore.
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Il ruolo principale dei materiali termoelettrici a semiconduttore nella refrigerazione termoelettrica è principalmente attribuito alle loro eccellenti proprietà termoelettriche, ovvero alta conducibilità elettrica e bassa conducibilità termica. L'eccellente conduttività elettrica consente al materiale di utilizzare efficacemente la corrente per generare calore, mentre la bassa conducibilità termica garantisce che il calore non venga facilmente trasferito dall'estremità fredda all'estremità calda, migliorando così l'efficienza di refrigerazione. Le prestazioni termoelettriche sono spesso caratterizzate dalla figura termoelettrica del merito ZT. Maggiore è il valore ZT, migliore è le prestazioni termoelettriche del materiale. Un materiale termoelettrico ideale dovrebbe avere un valore ZT elevato in modo che possa ottenere un effetto di raffreddamento più elevato nelle applicazioni pratiche.
Nelle applicazioni pratiche, i tipi comunemente usati di materiali termoelettrici a semiconduttore includono il bismuto telluride (Bi2te3), l'antimonide del bismuto (SB2te3) e le leghe di silicio-germanio. Tra questi, il materiale di Bismuth Telluride è diventato uno dei materiali principali per i frigoriferi termoelettrici a causa delle sue eccellenti proprietà termoelettriche a temperatura ambiente. Il suo effetto di raffreddamento è ampiamente utilizzato in piccoli dispositivi di refrigerazione, come tazze calde e fredde, raffreddamento laser e controllo della temperatura dei componenti elettronici.
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La struttura di un frigorifero termoelettrico è generalmente composta da più giunzioni a semiconduttore di materiali termoelettrici per formare un modulo. Usando l'effetto Peltier, quando la corrente passa attraverso, un lato del frigorifero assorbe il calore e l'altro lato rilascia calore, creando una differenza di temperatura per ottenere un effetto di raffreddamento. In uso pratico, questo metodo di raffreddamento presenta i vantaggi di piccole dimensioni, peso leggero e parti in movimento e può ottenere una rapida regolazione della temperatura in un ambiente altamente preciso.
Tuttavia, nonostante i numerosi vantaggi dei materiali termoelettrici a semiconduttore, la loro efficienza è ancora limitata dalle prestazioni del materiale stesso. Pertanto, i ricercatori si impegnano nello sviluppo di nuovi materiali termoelettrici, come materiali nanostrutturati e solfuri, per migliorare il valore ZT e quindi migliorare l'efficienza dei dispositivi di raffreddamento termoelettrico.
In breve, il principio di raffreddamento dei materiali termoelettrici a semiconduttore si basa sull'effetto termoelettrico. Attraverso un'efficace progettazione e ottimizzazione del materiale, è possibile ottenere effetti di raffreddamento ad alta efficienza. Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, i materiali termoelettrici mostreranno il loro potenziale di applicazione unico in una gamma più ampia di campi. La ricerca futura continuerà a promuovere il progresso di questa tecnologia di raffreddamento verde e porterà soluzioni innovative in più settori.