Een thermopile is een apparaat dat warmte omzet in elektriciteit door gebruik te maken van het thermoelektrische effect.

Het bestaat uit verschillende thermokoppels, die paren van draden zijn gemaakt van verschillende metalen die een spanning genereren wanneer ze blootgesteld worden aan een temperatuurverschil. Thermokoppels zijn in serie of soms parallel verbonden om een thermopile te vormen, wat een hogere spanningsuitvoer oplevert dan een enkel thermokoppel. Thermopiles worden gebruikt voor verschillende toepassingen, zoals temperatuurmeting, energieopwekking en infraroodstraling detecteren.

Hoe werkt een thermopile?

Een thermopile werkt op basis van het thermoelektrische effect, wat de directe omzetting is van temperatuurverschillen naar elektrische spanning en vice versa. Dit effect werd ontdekt door Thomas Seebeck in 1826, die observeerde dat een circuit gemaakt van twee verschillende metalen een spanning produceerde wanneer één kruising verwarmd werd en de andere gekoeld.

Een thermopile is in wezen een reeks thermokoppels, elk bestaande uit twee draden van verschillende metalen met grote thermoelektrische kracht en tegengestelde polariteiten.

Thermoelektrische kracht is een maat voor hoeveel spanning een materiaal genereert per eenheid temperatuurverschil. De draden zijn verbonden op twee kruisingen, één warm en één koud. De warme kruisingen worden geplaatst in een gebied met hogere temperaturen, terwijl de koude kruisingen worden geplaatst in een gebied met lagere temperaturen. Het temperatuurverschil tussen de warme en koude kruisingen veroorzaakt een elektrische stroom die door het circuit stroomt, waardoor een spanningsuitvoer wordt gegenereerd.

De spanningsuitvoer van een thermopile is evenredig met het temperatuurverschil over het apparaat en het aantal thermokoppelparen.

De evenredigheidsconstante wordt de Seebeck-coëfficiënt genoemd, die wordt uitgedrukt in volt per kelvin (V/K) of millivolt per kelvin (mV/K). De Seebeck-coëfficiënt hangt af van het type en de combinatie van metalen die in de thermokoppels worden gebruikt.

De onderstaande diagram toont een eenvoudige thermopile met twee sets van thermokoppelparen die in serie zijn verbonden.

De twee bovenste thermokoppelkruisingen bevinden zich op temperatuur T1, terwijl de twee onderste thermokoppelkruisingen op temperatuur T2 staan. De uitvoerspanning van de thermopile, ΔV, is recht evenredig met het temperatuurverschil, ΔT of T1 – T2, over de thermische weerstandslaag en het aantal thermokoppelparen. De thermische weerstandslaag is een materiaal dat de warmtetransfer tussen de warme en koude regio's vermindert.

Diagram van een differentiële temperatuur thermopile

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Thermische
       Weerstandslaag
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               &......