Entiendo que los refrigeradores termoeléctricos son quizás un cuarto de eficientes que las bombas de calor. ¿Por qué? ¿Cuál es la fuente de este límite de eficiencia? ¿Qué tendría que cambiar para que los refrigeradores termoeléctricos sean más eficientes?
Respuestas
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Liza
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548
El efecto Peltier se produce entre dos uniones de materiales eléctricamente conductores con diferentes estructuras de red atómica. El flujo de corriente crea una diferencia de temperatura entre dos uniones, pero también genera el calor Joule en los conductores. Además, el enlace entre dos uniones es conductor térmico. Por lo tanto, la eficiencia del elemento termoléctrico está limitada por el "cortocircuito" térmico entre la superficie refrigerada y la superficie caliente y el calor parásito de la disipación en los conductores. Para aumentar la eficiencia del elemento (también conocida como "figura de mérito", zT) es necesario minimizar la conductancia térmica y aumentar la conductividad eléctrica.
Desgraciadamente, la física de la conductividad térmica y de la conductividad eléctrica está ligada al mismo mecanismo interno: las oscilaciones colectivas de la red atómica, o fonones. Los estudiosos se dieron cuenta de que que la conductividad térmica tiene el límite inferior para el estado amorfo de los materiales, que, por desgracia, tiene la conductividad eléctrica más baja. Por lo tanto, los requisitos de eficiencia de los elementos termoeléctricos son intrínsecamente contradictorios, y no se puede hacer mucho para mejorar la situación con la ingeniería de la estructura de bandas mediante la adición de diferentes impurezas.
Jun
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55
Los módulos peltier de consumo constan de un semiconductor dopado con P conectado en serie (por cable) a un semiconductor dopado con N. Esto se encadena en una cadena larga para que sea útil a un voltaje más alto. Los portadores mayoritarios de cada sección son empujados en una dirección por un campo eléctrico para crear un gradiente de temperatura. Los portadores mayoritarios, ya sean electrones o huecos, transportan físicamente su propio calor de un lado a otro. La ineficacia debería ser obvia cuando uno se da cuenta de que mientras los electrones y los huecos viajan hacia un lado, los fonones (vibraciones de la red) pueden viajar en la dirección opuesta. Así que mientras intentas mover el calor utilizando los portadores libres, los fonones están constantemente intentando que todo el elemento alcance el equilibrio térmico. Básicamente, hay que minimizar la conductividad térmica y aumentar la eléctrica.
Normalmente estos dos tipos de conductividad están bastante relacionados, pero hay algunos materiales únicos que los separan. El aerogel de carbono es un ejemplo de material que puede ser un buen dispositivo peltier si se puede dopar para que tenga portadores mayoritarios con carga opuesta.
