Термоэлектрический охладитель пельтье в автомобиле. Элементы пельтье или мой путь к криогенным температурам. Осушитель пельтье своими руками

В 1834 году французский учёный-физик Жан Шарль Пельтье, исследуя воздействие электричества на проводники, обнаружил очень интересный эффект. Если пропускать ток через два разнородных проводника, находящихся в непосредственной близости друг от друга, то один из этих проводников начинает сильно греться, а второй, наоборот, сильно охлаждаться. Количество выделяемого и поглощаемого тепла, напрямую зависит от силы и направления электрического тока. Если поменять направление тока, то поменяются местами холодная и горячая стороны. Чуть позже этот феномен получил название эффекта Пельтье и был благополучно забыт из-за практической невостребованности на тот момент.

И лишь спустя сто с лишним лет, с расцветом полупроводниковой эры , появилась настоятельная необходимость в компактных, недорогих и эффективных охладителях. Так, в 60х годах 20 века появились первые полупроводниковые термоэлектрические модули, которые получили название элементы Пельтье.

В основе любого термоэлектрического модуля лежит тот факт, что разные проводники имеют разные уровни энергии электронов. Иными словами, один проводник можно представить как высокоэнергетическую область, второй проводник, как низкоэнергетическую область. При контакте двух токопроводящих материалов, во время пропускания через них электрического тока, электрону из низкоэнергетической области необходимо перейти в высокоэнергетическую область.

Этого не произойдет, если электрон не приобретёт необходимое количество энергии. В момент поглощения этой энергии электроном, происходит охлаждение места контакта двух проводников. Если поменять направление протекания тока, возникнет, наоборот, эффект нагревания места контакта.

Можно использовать любые проводники , но этот эффект становится физически заметным и значимым только в случае использования полупроводников. Например, при контактировании металлов, эффект Пельтье настолько незначителен, что практически незаметен на фоне омического нагрева.

Термоэлектрический модуль (ТЭМ), независимо от своего размера и места применения состоит из разного количества, так называемых термопар. Термопара - это тот самый кирпичик, из которых строится любой ТЭМ. Она состоит из двух полупроводников различающихся типом проводимости. Как известно, существуют два типа проводимости p и n типа. Соответственно существует и два типа полупроводников. Два этих разнородных элемента соединяются в термопаре с помощью медного мостика. В качестве полупроводников применяют соли таких металлов, как висмут, теллур, селен или сурьма.

ТЭМ - совокупность подобных термопар, соединённых друг с другом последовательно. Все термопары располагаются между двух керамических пластин. Пластина Пельтье. Пластины изготовлены из нитрида или оксида алюминия. Непосредственно само количество термопар в одном элементе может варьировать в очень широких пределах , от нескольких штук, до нескольких сотен или тысяч.

Иными словами, элементы Пельтье могут быть абсолютно любой мощности, от сотых долей, до нескольких сот или тысяч ватт. Постоянный ток последовательно проходит через все термопары и в результате верхняя керамическая пластина охлаждается, а нижняя, наоборот, греется. Если поменять направление тока, то пластины поменяются местами, верхняя начнёт греться, а нижняя охлаждаться.

В работе элемента присутствует одна особенность, которую активно используют для усиления охлаждающей эффективности этого приспособления. Как известно, при пропускании тока через элемент Пельтье возникает разность температур между поверхностью, разогревающейся и поверхностью охлаждающейся. Так вот, если ту поверхность, что активно нагревается подвергнуть принудительному охлаждению. Например, с помощью специального кулера, то это приведёт к ещё более сильному охлаждению поверхности, то есть той, что охлаждается. При этом разница температур с окружающим воздухом может достигнуть нескольких десятков градусов.

Достоинства и недостатки

Как у любого технического устройства, у термоэлектрического модуля есть свои достоинства и свои недостатки:

Проблема повышения КПД у ТЭМов упирается в неразрешимую пока, техническую головоломку. Свободные электроны обладают, по сути, двойной природой, что на практике проявляется и они одновременно являются переносчиками как электрического тока, так и тепловой энергии. Как следствие, высокоэффективный элемент Пельтье должен быть изготовлен из материала, обладающего одновременно двумя взаимоисключающими свойствами. Материал этот должен хорошо проводить электрический ток и плохо проводить тепло. Пока такого материала не существует в природе, но учёные активно работают в этом направлении.

Все термоэлектрические модули обладают соответствующими техническими характеристиками:

Применение ТЭМов

Несмотря на серьёзный недостаток присущий всем без исключения элементам Пельтье, а именно очень низкий КПД, эти устройства нашли довольно широкое применение как в науке и технике, так и в быту.

Термоэлектрические модули являются важными элементами конструкции таких устройств, как:

Элемент Пельтье в руках домашнего мастера

Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.

Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.

Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1-12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.

Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.

Как сделать холодильник своими руками

Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:

• Термоэлемент марки TEC1-12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
• Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
• Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.

Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.

Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.

Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной - внутренней и горячей - внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.

Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера .

Портативный термоэлектрогенератор

Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.

Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.

В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.

Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.

В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.

Люди всегда стремились экономить, да и в эпоху постоянно растущих коммунальных платежей – это совсем не удивительно. На сегодня уже существуют способы, с помощью которых человек может добыть бесплатное для него свободное электричество. Как правило, это определенные установки, сделанные своими руками, в основе которых находится электрогенератор.

Термоэлектрический генератор и его устройство

Термоэлектрический генератор – это устройство, позволяющее вырабатывать электрическую энергию из тепла. Это прекрасный паровой источник электроэнергии, правда, с небольшим КПД.

По сути, термоэлектричество – это прямое преобразование тепла в электричество в жидких или твердых проводниках, а затем обратный процесс нагревания и охлаждения контакта различных проводников с помощью электрического тока.

Устройство теплогенератора:

• Тепловой генератор имеет два полупроводника, каждый из которых состоит из определенного количества электронов;
• Они тоже объединены между собой проводником, над которым находится слой, способный проводить тепло;
• К нему присоединен еще термоэмиссионный проводник для передачи контактов;
• Далее идет охлаждающий слой, а за ним полупроводник, чьи контакты ведут к проводнику.

К сожалению, теплоэлектрогенератор не всегда бывает в состоянии работать с большими мощностями, поэтому используется в основном в быту, а не на производстве.

На сегодняшний день теплоэлектрический преобразователь почти нигде не используется. Ресурсов он «просит» много, места занимает тоже, а вот напряжение и ток, которые он может выработать и преобразовать, очень малы, что крайне невыгодно.

Солнечный тепловой генератор электричества и радиоволны

Источники электрической энергии могут быть самыми разными. Сегодня стало набирать популярность производство солнечных термоэлектрических генераторов. Такими установками могут пользоваться на маяках, в космосе, автомобилях, а также иных сферах жизни.

РИТЭГ (расшифровывается как радионуклидный термоэлектрический генератор) работает за счет преобразования энергии изотопов в электрическую. Это весьма экономный способ, позволяющий получить практически халявное электричество и возможность освещения в условиях отсутствия электроэнергии.

Особенности РИТЭГ:

• Получить источник энергии из распадов изотопов проще, чем например, сделать то же самое нагревая горелку или керосиновую лампу;
• Получение электричества и распад частиц возможны при наличии специальных изотопов, ведь процесс их распада может длиться десятилетиями.

Используя такую установку нужно понимать, что при работе со старыми моделями оборудования есть риск получить дозу радиации, да и утилизировать такой прибор очень сложно. Если неправильно его уничтожить, он может сыграть роль радиационной бомбы.

Выбирая производителя установки, лучше остановиться на уже зарекомендовавших себя фирмах. Таких как Глобал, Алтек (Altec), ТГМ (Tgm), Криотерм, Термиона (Termiona).

Кстати, еще одним неплохим способом получить электричество на халяву, считается генератор по сбору радиоволн. Он состоит из пар пленочных и электролитических конденсаторов, а также маломощных диодов. В качестве антенны берется изолированный кабель около 10-20 метров и еще один заземляющий провод крепится к водопроводной или газовой трубе.

Как сделать элемент Пельтье своими руками

Обычный элемент Пельтье – это пластина, собранная из деталей различного металла, с разъемами для подключения в сеть. Такая пластинка пропускает через себя ток, нагреваясь с одной стороны (например, до 380 градусов) и работая от холода с другой.

Такой термогенератор имеет обратный принцип:

• Одна сторона может греться от горящего топлива (например, огня на дровах или какого-либо другого сырья);
• Другая сторона, наоборот, охлаждается жидким или воздушным теплообменником;
• Таким образом, на проводах происходит выработка тока, который можно использовать по своим нуждам.

Правда, работоспособность у прибора не сильно большая, да и эффект не впечатляющий, но, тем не менее, такой простой самодельный модуль вполне может зарядить телефон или подключить светодиодный фонарик.

Этот генераторный элемент имеет свои плюсы:

• Бесшумную работу;
• Возможность использовать то, что есть под рукой;
• Легкий вес и мобильность.

Такие печки-самоделки стали набирать популярность среди любителей заночевать в лесу у костра, пользуясь дарами земли и которые не прочь получить электричество на халяву.

Модуль Пельтье также используется для охлаждения плат компьютеров: элемент подключается к плате и как только температура становится выше допустимой, начинает охлаждать схемы. С одной стороны в прибор входит холодное воздушное пространство, с другой – горячее. Популярностью пользуется модель 50X50X4mm (270w). Такое устройство можно купить в магазине или сделать самому.

Кстати, подключение к такому элементу стабилизатора, позволит получить на выходе отличное зарядное устройство для бытовой техники, а не просто термомодуль.

Чтобы изготовить элемент Пельтье в домашних условиях, нужно взять:

• Проводники из биметалла (примерно 12 штук или больше);
• Две пластины из керамики;
• Кабели;
• Паяльник.

Схема изготовления такова: проводники припаиваются и размещаются между пластинами, после чего плотно фиксируются. При этом нужно помнить о проводах, которые потом будут крепиться к преобразователю тока.

Сфера использования такого элемента очень разнообразна. Так как одна из его сторон имеет свойство охлаждаться, с помощью этого приспособления можно сделать походный небольшой холодильник, или например, автокондиционер.

Но, как и любой прибор, этот термоэлемент имеет свои плюсы и минусы. К плюсам можно отнести:

• Компактный размер;
• Возможность работы охлаждающими или нагревающими элементами вместе или каждым в отдельности;
• Тихая, практически бесшумная работа.

Минусы:

• Необходимость осуществлять контроль разницы температур;
• Большое потребление энергии;
• Невысокий уровень КПД при высокой себестоимости.

Простой самодельный генератор

Несмотря на то, что эти приборы сейчас не пользуются популярностью, на данный момент нет ничего практичнее, чем термогенераторный агрегат, который в путешествии вполне способен заменить электрическую печь, осветительную лампочку или выручить, если сломалась зарядка к мобильному телефону, запитать электростеклоподъемник. Такое электричество поможет и дома в случае отключения электроэнергии. Его можно добыть даром, можно сказать, на шару.

Итак, чтобы сделать термоэлектрогенератор, нужно приготовить:

• Стабилизатор напряжения;
• Паяльник;
• Любой корпус;
• Радиаторы для охлаждения;
• Термопасту;
• Нагревающие элементы Пельтье.

Сборка прибора:

• Вначале делается корпус приборчика, который должен быть без дна, с отверстиями внизу для воздуха и вверху с подставкой для емкости (хотя это не обязательно, так как генератор может не работать на воде);
• Далее на корпус крепится элемент Пельтье, а к его холодной стороне через термопасту – охлаждающий радиатор;
• Затем нужно спаять стабилизатор и модуль Пельтье, согласно их полюсам;
• Стабилизатор следует очень хорошо изолировать, чтобы туда не попала влага;
• Остается проверить его работу.

Кстати, если нет возможности достать радиатор, вместо него можно использовать компьютерный кулер или автомобильный генератор. Ничего страшного не произойдет от такой замены.

Стабилизатор можно купить с диодным индикатором, который подаст световой сигнал, когда напряжение достигнет указанной величины.

Такой теплогенератор разогревается около 30 секунд, но при этом потребленное им напряжение уже достигает нескольких вольт. После нескольких минут разогрева генератор уже будет готов к работе.

Термопара своими руками: особенности процесса

Что такое термопара? Термопара – это электроцепь, состоящая из двух разных элементов с электрическим контактом.

ТермоЭДС термопары при разности температуры в 100 градусов на ее краях – величина примерно в 1 мВ. Чтобы сделать ее более высокой, можно последовательно соединить несколько термопар. Получится термобатарея, термоЭДС которой будет равна общей сумме ЭДС, входящих в нее термопар.

Процесс изготовления термопары заключается в следующем:

• Создается прочное соединение двух разных материалов;
• Берется источник напряжения (например, автомобильный аккумулятор) и к одному его концу подключаются заранее скрученные в жгут проволоки разных материалов;
• В это время к другому концу нужно подвести вывод, соединенный с графитом (тут подойдет обычный стержень от карандаша).

Кстати, для безопасности очень важно не работать под высоким напряжением! Максимальный показатель в этом плане – 40-50 Вольт. Но лучше начать с небольших мощностей от 3 до 5 кВт, постепенно их повышая.

Есть еще «водный» способ создания термопары. Он заключается в обеспечении разогрева соединенных проволок будущего сооружения дуговым разрядом, который появляется между ними и крепким раствором воды с солью. В процессе такого взаимодействия «водяные» пары скрепляют материалы между собой, после чего термопару можно считать готовой. При этом имеет значение, какого диаметра жгут изделия. Он не должен быть слишком большим.

Бесплатное электричество своими руками (видео)

Получение бесплатного электричества дело не такое уж и мудреное, как кажется. Благодаря различного рода генераторам, работающих с разными источниками, уже не страшно остаться без света при отключении электроэнергии. Немного сноровки и у вас уже готова собственная мини-станция по выработке электричества.

Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

Применение.

Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

• в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
• в охладителях воды;
• в системах охлаждения электронных приборов;
• в термоэлектрических генераторах.

Я, используя элемент Пельтье, сделал .

Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

• отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
• бесшумная работа;
• небольшие размеры;
• возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
• возможность плавного регулирования мощности охлаждения.

Недостатки:

• низкий кпд;
• необходимость в источнике питания;
• ограниченное число старт-стопов ;
• высокая стоимость мощных модулей.

Параметры элементов Пельтье.

• Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
• Delta Tmax (град) - максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
• Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
• Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
• Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
• COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

• Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор . Иначе:
  • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
  • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C (в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
  • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.
• Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
• Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5% . При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
• Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
• К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
• Недопустимо , для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию .
• Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность , т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
• Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В , или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
• Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
• Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

Мною был разработан для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

• Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
• Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
• Обеспечивает плавное включение модуля.
• Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
• Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
• Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
• Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации компании производителя – HB Corporation.

Технические параметры TEC1-12706.

Графические характеристики.

Холодильное оборудование и комплексы для охлаждения воздуха являются неотъемлемыми элементами повседневной жизни. Однако стандартные объемные конструкции на базе хладагентов нецелесообразны для мобильного применения, к примеру, в сумках-холодильниках. В таких случаях используются приборы, основанные на работе эффекта Пельтье, о котором мы детально расскажем в данном материале.

В основе элемента Пельтье или термоэлектрического охладителя лежит термопара из двух элементов с p- и n- типом проводимости, которые соединяются коммутационной медной пластиной. Детали в большинстве случаев изготовляются из висмута, теллура, сурьмы и селена. Такие устройства применяются в системах охлаждения бытового применения, также они имеют свойство вырабатывать энергию.

Что это такое?

Явление и термин Пельтье предполагают открытие, сделанное в 1834 году французским ученым Жаном-Шарлем Пельтье. Суть открытия состоит в том, что постоянно выделяется или поглощается тепло на участке, где происходит контакт двух разнонаправленных проводников, по которым течет электроток.

Классическая теория объясняет данное явление таким образом: при помощи электротока между металлами переносятся электроны, ускоряющиеся или замедляющиеся, в зависимости от контактной разности потенциалов на проводниках из металла с разным уровнем проводимости. Элементы Пельтье таким образом способствуют превращению кинетической энергии в тепловую.

На втором проводнике происходит обратный эффект, где необходимо пополнение энергии на основании фундаментального закона физики. Происходит такая ситуация благодаря процессу теплового колебания, в результате которого металл второго проводника охлаждается.

При помощи современных технологий можно изготовить модуль Пельтье с максимальным термоэлектрическим эффектом.

Устройство и принцип работы

Современные модули Пельтье являют собой конструкцию, в которой присутствуют две пластины-изолятора, а между ними в строгой последовательности соединены термопары. Стандартная схема данного элемента для лучшего понимания его функционирования приведена на рисунке.

Обозначения элементов конструкции:

• А – контакты, при помощи которых осуществляется подсоединение к источнику питания;
• В – горячая поверхность;
• С – холодная сторона;
• D – проводники из меди;
• E – полупроводник р-перехода;
• F – полупроводник типа n.

Элемент изготовляется так, что обе поверхности находятся в контакте с p-n или n-p переходами, исходя из полярности. Контакты p-n нагреваются, а n-p температура снижается. В результате на концах элемента появляется разница температур DT. Такой эффект означает, что тепловая энергия, которая перемещается между элементами модуля, регулирует температурный режим в зависимости от полярности. Также следует отметить, что в случае изменения полярности меняются горячая и холодная поверхности.

Технические характеристики

Технические параметры элемента Пельтье предполагают такие значения:

• холодопроизводительность (Qmax) – рассчитывается на базе предельного тока и разницы температурного режима между концами модуля. Единица измерения – Ватт;
• предельная температурная разница (DTmax) – измеряется в градусах, данная характеристика приводится для оптимальных условий;
• Imax – предельная сила электротока, требуемая для обеспечения большей разницы температуры;
• предельное напряжение Umax, которое требуется для электротока Imax для достижения максимальной температурной разницы DTmax;
• Resistance – внутреннее сопротивление устройства, измеряется в Омах;
• СОР – коэффициент эффективности или КПД модуля Пельтье, который отражает соотношение охлаждающей и потребляемой мощностей. В зависимости от особенностей устройства, для недорогих устройств показатель находится в пределах 0,3-0,35, для более дорогих моделей он варьируется до 0,5.

Преимуществами мобильного элемента Пельтье являются небольшие габариты, обратимость процесса, а также возможность использования в качестве переносного электрогенератора или холодильника.

Недостатками модуля являются дороговизна, невысокий КПД в рамках 3%, большие затраты электроэнергии и необходимость постоянного поддержания разницы температурных режимов.

Применение

Даже учитывая невысокий коэффициент эффективности, пластины в модуле Пельтье широко применяются в измерительных, вычислительных приборах, а также в переносной бытовой технике. Приведем перечень устройств, в которых модели являются неотъемлемой частью:

• переносные холодильные устройства;
• небольшие генераторы электричества;
• комплексы охлаждения в ПК и ноутбуках;
• кулеры для подогрева и охлаждения питьевой воды;
• осушители воздуха.

Как подключить

Подключить модуль Пельтье можно самостоятельно, это не потребует много времени и усилий. На контакты выходов требуется подать постоянное напряжение, которое указано в инструкции по эксплуатации прибора. Красный провод подсоединяется к плюсу, а черный – к минусу. Обратите внимание, что при изменении полярности поменяются местами нагреваемая и охлаждаемая поверхности.

Перед подключением рекомендуется проверить работоспособность элемента. Одним из простых и надежных способов, как проверить устройство, является тактильный метод: для этого необходимо подсоединить устройство к источнику электротока и прикоснуться к разным контактам. У нормально функционирующего устройства одни контакты будут теплыми, а другие – охлажденными.

Также можно выполнить проверку при помощи мультиметра и зажигалки. Для этого нужно подсоединить щупы в контактам устройства, поднести зажигалку к одной стороне и наблюдать за показаниями мультиметра. Если элемент Пельтье работает в стандартном режиме, в процессе нагрева на одной стороне будет вырабатываться электроток, а данные о напряжении отобразятся на экране мультиметра.

Как сделать элемент пельтье своими руками

Элемент Пельтье нецелесообразно изготовлять в домашних условиях в связи с небольшой стоимостью и необходимостью специальных знаний для создания работоспособного элемента. Однако своими руками можно собрать эффективный мобильный термоэлектрический генератор, который пригодится на даче или в туристическом походе.

С целью стабилизации электрического напряжения потребуется собрать самостоятельно стандартный преобразователь на микросхеме ИМС L6920. На вход устройства необходимо подать напряжение 0,8-5,5 В, а на выходе он будет выдавать 5 В, этого значения достаточно для зарядки аккумулятора мобильных устройств в стандартном режиме. Если применяется стандартное электронное устройство Пельтье, тогда потребуется ограничение предельного значения температуры нагреваемой поверхности до 150 градусов. Для простоты контроля температуры целесообразно применять котелок с кипящей водой, тогда модель не будет нагреваться свыше 100 градусов.

Пластины Пельтье широко используются с целью охлаждения современной бытовой техники, в кондиционерах, эффективность устройства доказали в частности для стабилизации теплового режима и охлаждения мощного процессора. На основе элемента Пельтье часто изготовляются в домашних условиях эффективные мобильные холодильники для дачи или автомобиля, питания радиатора. В силу обратимости процесса, самодельные элементы используются в роли мобильных небольших электростанций в местностях без источника электроэнергии.

При помощи простых приспособлений можно использовать теплопотери от нагревания воздуха или жидкостей. В этой статье мы расскажем, как использовать бросовую энергию печей, котлов и открытого огня, преобразовав её в постоянный электрический ток небольшой силы.

Любой химический процесс проходит с выделением разного рода энергии. Такой мощный источник, как горение использовался во все времена. Его можно назвать первичным источником тепла и света. Горят практически все вещества на Земле, выделяя при этом тепло и свет в разных количествах. Преобразовать тепловую энергию в электрическую — дело несложное, если под рукой есть рабочая паротурбина, подобная тем, что установлены на ТЭЦ. Это громоздкое и сложное устройство, которому вряд ли найдётся место в котельной загородного дома. Мы попробуем извлечь пользу из выделения тепла при печном отоплении или нагревании воды.

Эффект Пельтье — это явление перепада температур при взаимодействии термопар двух различных типов проводников (p-типа и n-типа) при прохождении через них постоянного тока. Эффект Зеебека — следствие эффекта Пельтье, когда при нагревании одной из термопар образуется электрический ток. Мы не будем подробно описывать термодинамику процесса — эту сложную для восприятия информацию можно легко найти в справочной литературе. Нас интересует результат и варианты его практического использования.

Конструкция термоэлектрического модуля

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) состоит из множества термопар, соединённых между собой медной пластиной. Поле термопар вклеивается между двух керамических пластин. Собрать такой модуль возможно только в заводских условиях. Но скомпоновать несколько ТЭМ для собственных нужд получится и дома. Элементы Пельтье-Зеебека имеются в свободной продаже в специализированных магазинах (и на сайтах) по продаже технологического оборудования .

Собираем ТЭМ на 5 В

Что понадобится:

• модуль Пельтье TEC1-12705 (40x40) — 2 шт.;
• повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
• лист дюралюминия толщиной 3 мм;
• ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
• термоклей;
• паяльник.

Вырезаем из листа дюралюминия две одинаковые пластины, размерами чуть более двух модулей, лежащих рядом. Укрепляем термоклеем пластины на модулях с обеих сторон. Фиксируем (термоклеем) получившийся «сэндвич» на дно ковша. Такую конструкцию уже можно ставить на огонь, но мы получим на выходе бесполезные 1,5 В. Для улучшения характеристик нам и нужен повышающий преобразователь, который мы впаиваем в цепь. Он повысит напряжение до 5 В, а этого уже достаточно для зарядки мобильного телефона.

Внимание! Преобразователь имеет размеры 1,5х1,5 см. При отсутствии профессиональных навыков доверьте пайку специалисту.

Разность температур в нашей конструкции получается за счёт нагрева одной стороны (от печи или пламени) и охлаждения другой (вода в ковше). Разумеется, чем больше разница, тем эффективнее работа модуля. Поэтому, для работы в режиме микрогенератора понадобится сравнительно низкая температура воды в ковше (её лучше периодически заменять). Для выработки заветных 5 В достаточно поставить конструкцию на стакан с горящей свечой.

Пропорционально комбинируя большее количество модулей, мы получим более эффективную систему выработки энергии. Соответственно, увеличивая конструкцию, пропорционально увеличиваем теплообменник. При этом охлаждаемая поверхность должна быть полностью покрыта ёмкостью с водой (самый простой и доступный вариант).

Всё так просто, что сразу возникает желание собрать побольше модулей в одну систему и вырабатывать 220 В из костра. А потом подключить масляный обогреватель или кондиционер. Такая простая система имеет свои недостатки, и главный из них — низкий КПД. Обычно этот показатель не превышает 5%. Это обуславливает сравнительно малую силу тока 0,5 — 0,8 А и очень малую мощность — до 4 Вт.

Для насоса или лампы накаливания это ничтожно мало, но вполне достаточно для:

• зарядки аккумуляторов вплоть до мотоциклетных (в вариантах, пропорциональных требованиям);
• работы светодиодных (LED) ламп;
• радиоприёмника.

В зимнее время система, помещённая на источник тепла, находящийся на улице, будет работать максимально эффективно.

Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:

*- данная модель элемента выбрана из соображений цены. Ассортимент ТЭМ у фирм-поставщиков довольно широк, что позволяет подобрать более производительные (до 8 В) модели (они ощутимо дороже).

Заводские изделия подобной конструкции только начинают появляться в продаже. Серийное производство ведётся мелкими партиями, да и ассортимент невелик. Стоимость такого «ковшика» стартует с 2500 руб.

Заводской термогенератор — устройство, основанное на эффекте Пельтье-Зеебека, которое можно закрепить прямо на разогретую поверхность. От конструкции, описанной выше, его отличает заводское исполнение (а значит, надёжность), отсутствие жидкостного теплообменника (вместо него — рёбра для воздушного охлаждения) и более высокая цена.

Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:

Как видно из таблицы, заводская надёжность и утилитарность обходится недёшево. При этом нельзя сказать, что он функционально превосходит самодельный вариант с ковшом. Впечатляющие 13,5 В ускорят зарядку мобильника, но для этого будет нужно носить с собой 2 кг веса в походе, а это непозволительная роскошь (с учётом размеров прибора). Ну и, конечно, цена заставляет задуматься. На эту сумму можно собрать уже не «термоковшик», а «термокастрюлю» и спокойно заряжать ноутбук. И ещё один нюанс — прибор всё равно требует закрепления на металлической пластине в случае использования открытого огня.

В целом это приятное и удобное дополнение для тех, у кого нет проблем с деньгами и свободным местом в багажнике.

Энергопечь

На сегодняшний день энергопечь — апофеоз применения ТЭМ в быту. Это заводское изделие, по сути дела топка-«буржуйка», для любого вида твёрдого топлива с интегрированным теплоэлектрическим модулем. Идеальный вариант для охотничьих домиков, дач, отдалённых зимовок и вообще любого вида жизни вдали от цивилизации. Рассчитана на автономное использование (без периферических теплоотводов), имеет только очаг и дымоход. Предусматривает приготовление пищи. На эту печь устанавливают самые мощные элементы Пельтье-Зеебека.

Характеристики энергопечей:

Хотя печь и переносная, безусловно, это «супертяжёлая весовая категория» среди бытовых приборов. Однако и спектр задач у энергопечи довольно широк — она может заряжать даже автомобильные аккумуляторы, освещать LED лампами целые комнаты. Ей найдётся место в экспедиционном обозе и в охотничьем вездеходе, в техническом помещении и на даче. Иными словами, в этом случае источник тепла у нас всегда с собой, осталось найти топливо.

В своей нише энергопечь незаменима, хотя и немного настораживает заявленный производителем срок службы — 10 лет. Следует отметить, что, как и в термогенераторе, есть возможность профилактической (или аварийной) замены всех деталей вплоть до корпуса.

Термоэлектрические модули — крайне занятные объекты. Помимо описанных методов применения их также используют для кондиционирования воды и воздуха. При этом на такой же элемент подаётся постоянный ток и он работает «в обратную сторону» — охлаждает воздух. Эта технология с успехом применяется в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, в автомобилестроении и при производстве микропроцессоров. Мы опишем эти устройства в следующей статье .

Виталий Долбинов, рмнт.ру