Peltier' element

Peltier' element on termoelektriline pooljuht-element, mis tänu Peltier' efektile võimaldab elemendiga termilises kontaktis olevat objekti jahutada või soojendada, vastavalt elementi läbiva elektrivoolu polaarsusele. Tänu Peltier’ efekti pöördnähtusele – Seebecki efektile – on võimalik kasutada Peltier' elementi ka termoandurina või elektrigeneraatorina.

Termoelektriline generaator

Ühendades N- ja P-tüüpi pooljuhtide kuumad otsad elektriliselt ning lisades koormuse külmade otste vahele, tekib tänu Seebecki efektile ahelas elektrivool. Temperatuuride vahe põhjustab elektripinge ning soojusliikumine võimaldab elektrivoolu tekke.
Termoelektriline generaator on pingeallikas, mille sisetakistus tuleneb termoelektrilise materjali takistusest. 
Vastavalt Ohmi seadusele () on pingeallika sisetakistuse tõttu pinge koormisel väiksem kui pinge avatud vooluringi korral.
Efektiivsus on maksimaalne, kui koormise takistus ühtib pingeallika sisetakistusega.

Rakendusi

Seebecki efekt võimaldab kasutada Peltier’ elemente elektrigeneraatorina. Element toimib nagu soojusmasin, kuid ei sisalda liikuvaid osi ja seda on lihtsam väiksemaks skaleerida. Samas on Peltier’ element aga kallim ja vähem efektiivne kui tüüpiline soojusmasin.
Peltier’ elemente kasutatakse elektrijaamades heitsoojuse elektriks muundamisel ning autodes kütuse efektiivsuse tõstmisel. Kosmosesondides kasutatakse termoelektrilisi generaatoreid, et muundada radioaktiivsete isotoopide lagunemisel eralduv soojusenergia elektrienergiaks.
Inimkeha toodab paigal istudes 116 W, mis on piisav, et toita leedlampi või sülearvutit. Termoelektrilisi generaatoreid kasutatakse ka elektriliste stimulaatorite (nt südamerütmur) ning tehisorganite toitmiseks.
Mikroprotsessorite transistoritiheduse kasvades kasvab ka pinnaühiku kohta eralduv soojusenergia, millest osa on võimalik uuesti muundada elektrienergiaks. Operatsioonisüsteemi Windows XP jooksutava 2,4 GHz taktsagedusega Intel Pentium 4 protsessori heitsoojusest on saadud kuni 3,729 V ja 11,9 mA, kasutades protsessorile kinnitatud termoelektrilist generaatorit kasuteguriga .

Ehitus

Peltier’ element koosneb omavahel ühendatud erineva elektronide tihedusega N- ja P- tüüpi pooljuhtidest. Pooljuhid on omavahel soojuslikult rööbiti ühendatud ning kontaktis kahel küljel oleva soojusjuht-plaadiga. Elektriliselt on pooljuhid omavahel ühendatud jadamisi. Rakendades pinge otsmiste pooljuhtide küljes olevatele elektrikontaktidele, läbib pooljuhte alalisvool, mis põhjustab temperatuuride erinevuse kahe soojusjuht-plaadi vahel. Külm külg neelab soojust ning kannab selle kuumale küljele, mille külge ühendatakse tavaliselt radiaatorjahutus.
Suurendamaks jahutusvõimet, moodustatakse elemente üksteise otsa ladudes mitmekihilisi jahutusseadmeid, mille jahutusvõime on proportsionaalne kokku ühendatud elementide arvuga.

Integreeritud Peltier’ elemendid

Mikrokontrollerite töö käigus tekivad kõrgema temperatuuriga piirkonnad ning temperatuurist sõltuvate lekkevoolude tõttu mikrokontrollerite voolutarve kasvab. Jahutuselementide ning soojushajutite integreerimine võib aidata langetada mikrokontrolleri voolutarvet. Jahutada on võimalik kogu mikrokontrolleri pinda või, kasutades integreeritud Peltier’ elemente, kindlaid piirkondi mikrokontrolleris. Jahutades vaid kuumemaid piirkondi, on võimalik vältida mikroskeemi jahedamate piirkondade alajahutust ning hoida kokku jahutamisele kuluvat elektrienergiat.
Transversaalsetes Peltier’ elementides on p- ja n- pooljuhid laotud üksteise peale. Tänu sellele, et kuum ja külm külg on võimalik viia üksteisele väga lähedale (kuni ) ning et elemendi saab tekitada suure ristlõikepindalaga, on võimalik kiiresti teisaldada suuri soojushulkasid. Transversaalsete elementide heast soojusjuhtivusest tingituna on nad aga keskkonna temperatuurikõikumiste suhtes väga tundlikud ning ei sobi temperatuuri stabiliseerimiseks. Elektriliste kontaktide paigutamisel tuleb arvestada ka nende soojusjuhtivust, mis võib elemendi efektiivsust märkimisväärselt kahandada.
Lateraalsetes Peltier’ elementides on elektrivoolu ja soojusliikumise jaoks vaid üks tee elemendi külmalt küljelt kuumale. Võrreldes transversaalsete elementidega, pakuvad lateraalsed elemendid seega stabiilsemat ja kergemini ennustatavat temperatuuride vahet kuuma ja külma külje vahel. Lateraalsed elemendid on ka väiksema soojusjuhtivusega, tänu millele ei ole nad niivõrd tundlikud keskkonna temperatuuri kõikumiste suhtes. Kuid külma ja kuuma külge ei saa viia üksteisele nii lähedale kui seda on võimalik transversaalsetel elementidel, mistõttu on lateraalsetes elementides külgede vaheline elektriline takistus on suurem. Suurema elektritakistuse tõttu on teisaldatav soojushulk piiratud. Kuigi ka lateraalseid Peltier’ elemente üksteise otsa ladudes on võimalik jahutusvõimsust tõsta, teeb see tootmisprotsessi ebapraktiliselt keeruliseks.
Mikrokiipidesse integreeritud Peltier’ elemente kasutatakse kastepunkti andurites, temperatuuri stabiliseerimiseks optilistes sensorites ning kiirgusandurite tugipingeallikates.