Ένα thermopile είναι ένα συστηματικό όργανο που μετατρέπει θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο.

Αποτελείται από αρκετά thermocouples, τα οποία είναι ζευγάρια λωρίδων κατασκευασμένων από διαφορετικά μέταλλα που παράγουν voltage όταν εκτίθενται σε διαφορά θερμοκρασίας. Τα thermocouples είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή μερικές φορές παράλληλα για να σχηματίσουν ένα thermopile, το οποίο παράγει υψηλότερη voltage έξοδο από ένα μόνιμο thermocouple. Τα thermopiles χρησιμοποιούνται για διάφορες εφαρμογές, όπως τη μέτρηση της θερμοκρασίας, την παραγωγή ενέργειας και την ανίχνευση υπερθερμικής ακτινοβολίας.

Πώς Λειτουργεί Ένα Thermopile?

Ένα thermopile λειτουργεί βασιζόμενο στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η άμεση μετατροπή διαφορών θερμοκρασίας σε ηλεκτρικό voltage και αντίστροφα. Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Thomas Seebeck το 1826, ο οποίος παρατήρησε ότι ένας κύκλος από δύο διαφορετικά μέταλλα παρήγαγε voltage όταν ένας συνδεσμός θερμαίντηκε και ο άλλος κρύωνε.

Ένα thermopile είναι ουσιαστικά μια σειρά thermocouples, καθένα από τα οποία αποτελείται από δύο λωρίδες διαφορετικών μετάλλων με μεγάλη thermoelectric power και αντίθετες πολαρότητες.

Η thermoelectric power είναι μια μέτρηση του πόσο voltage παράγει ένα υλικό ανά μονάδα διαφορά θερμοκρασίας. Οι λωρίδες ενώνονται σε δύο συνδεσμούς, έναν ζεστό και έναν κρύο. Οι ζεστοί συνδεσμοί τοποθετούνται σε περιοχές με υψηλότερες θερμοκρασίες, ενώ οι κρύοι συνδεσμοί τοποθετούνται σε περιοχές με χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των ζεστών και κρύων συνδεσμών προκαλεί ένα electric current να ρέει μέσα στον κύκλο, παράγοντας μια έξοδο voltage.

Η έξοδος voltage ενός thermopile είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας στο σύστημα και τον αριθμό ζευγών thermocouples.

Ο σταθερός αναλογικότητας ονομάζεται Seebeck coefficient, ο οποίος εκφράζεται σε volts per kelvin (V/K) ή millivolts per kelvin (mV/K). Ο Seebeck coefficient εξαρτάται από τον τύπο και τη συνδυασμό των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στα thermocouples.

Το διάγραμμα παρακάτω δείχνει ένα απλό thermopile με δύο σειρές ζευγών thermocouples συνδεδεμένων σε σειρά.

Οι δύο άνω thermocouple συνδεσμοί είναι σε θερμοκρασία T1, ενώ οι δύο κάτω thermocouple συνδεσμοί είναι σε θερμοκρασία T2. Η έξοδος voltage από το thermopile, ΔV, είναι άμεσα ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας, ΔT ή T1 – T2, στο θερμικό resistance layer και τον αριθμό ζευγών thermocouples. Το θερμικό resistance layer είναι ένα υλικό που μειώνει τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των ζεστών και κρύων περιοχών.

Διάγραμμα ενός διαφορικού θερμοκρασιακού thermopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Thermal
       Resistance
        Layer
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Τα thermopiles μπορούν επίσης να κατασκευαστούν με περισσότερα από δύο σειρές ζευγών thermocouples για να αυξήσουν την έξοδο voltage.

Τα thermopiles μπορούν να συνδεθούν παράλληλα επίσης, αλλά αυτή η διάταξη είναι λιγότερο συνηθισμένη επειδή αυξάνει την έξοδο electric current παρά την έξοδο voltage.

Τα thermopiles δεν ανταποκρίνονται στην απόλυτη θερμοκρασία, αλλά μόνο σε διαφορές ή κλίμακες θερμοκρασίας.

Επομένως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση heat flux, ο οποίος είναι η ταχύτητα μεταφοράς θερμότητας ανά μονάδα επιφάνεια. Ο flux μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας την έξοδο voltage με το θερμικό resistance και την επιφάνεια του συστήματος.

Τα thermopiles χρησιμοποιούν την υπερθερμική ακτινοβολία ως μέσο μεταφοράς θερμότητας και χρησιμοποιούνται επίσης για μέτρηση θερμοκρασίας χωρίς επαφή.

Η υπερθερμική ακτινοβολία είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 700 nm και 1 mm, η οποία αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες μεταξύ 300 K και 5000 K. Η υπερθερμική ακτινοβολία εκπέμπεται από οποιοδήποτε αντικείμενο με μη μηδενική θερμοκρασία και μπορεί να ανιχνευθεί από έ