Termoelementtejä

Termoelementtejä eli termoelektrisiä elementtejä ovat sähköiset komponentit, jotka voivat muuntaa lämpötilagradientin sähköiseksi jännitteeksi tai päinvastoin siirtää lämpöä sähkövirran avulla. Ne perustuvat Seebeckin ilmiöön: kahden erilaista johtavaa materiaalia muodostavien liitosten välillä syntyy jännite, kun liitosten lämpötilat eroavat toisistaan. Jännite kasvaa lämpötilaeron kasvaessa, ja sen suuruus riippuu käytettyjen materiaalien Seebeck-kertoimista. Hyötysuhdetta kuvataan usein ZT-arvolla, joka kuvaa materiaalin kykyä muuntaa lämpöenergia sähköenergiaksi ottaen huomioon sähkö- ja lämmönjohtavuuden sekä lämpötilan.

Termoelementit koostuvat tavallisesti kahdesta tai useammasta materiaalista, joilla voi olla samansuuntaiset tai vastakkaiset Seebeck-tekijät. Yleisiä rakennetyyppejä ovat kaksiosaiset elementit sekä useista pareista muodostuvat moduulit, jotka kytketään sarjaan sähköjännitteen kasvattamiseksi. Materiaalivaihtoehdoista mainitaan muun muassa puolijohde- ja metalliseoksia kuten Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe sekä SiGe.

Käyttökohteita ovat lämpötila-anturit, joissa termoelementtien jännite muunnetaan lämpötilakseen, sekä Peltier-ilmiön hyödyntämiseen perustuvat jäähdytys- ja lämmityslaitteet, joissa sähkövirta siirtää lämpöä elementtien kautta. Suuritehoisina termoelektrisinä generaattoreina (TEG) termoelementtejä käytetään lämpöenergian muuntamiseen sähköksi, esimerkiksi avaruuslennoilla ja eräillä teollisuuden sovelluksilla.

Termoelementtien etuja ovat no moving parts -ongelma, luotettavuus ja kompakteus, kun taas haasteina ovat matala hyötysuhde ja tarve tehokkaalle lämpötilan hallinnalle sekä materiaalien rajoitukset korkeissa tai matalissa lämpötiloissa. Termoelektriikka on kehittynyt parantamalla materiaalien ZT-arvoja ja kytkentätekniikoita, jotta sovellukset voivat olla tehokkaampia ja kestävämpiä.