Czym jest element Peltiera, jego budowa, zasada działania i praktyczne zastosowanie. Efekt Peltiera Termoelektryczny efekt Peltiera

Odkryty w 1834 roku przez J. Peltiera, który odkrył, że gdy prąd przepływa przez złącze dwóch różnych przewodników, zmienia się temperatura złącza. W 1838 roku E. H. Lenz wykazał to dostatecznie Wielka siła Prąd można zamrozić lub doprowadzić kroplę wody doprowadzoną do złącza do wrzenia, zmieniając kierunek prądu.

Istota efektu Peltiera polega na tym, że gdy prąd elektryczny przepływa przez styk dwóch metali lub półprzewodników w obszarze ich styku, oprócz zwykłego ciepła Joule'a, uwalniana lub pochłaniana jest dodatkowa ilość ciepła, zwana Peltierem ciepło Pytanie str. W przeciwieństwie do ciepła Joule'a, które jest proporcjonalne do kwadratu prądu, wielkość Pytanie str proporcjonalna do pierwszej potęgi prądu.

Q p = P. I. T.

T- aktualny czas przejazdu,

I- aktualna siła.

P- Współczynnik Peltiera, współczynnik proporcjonalności zależny od rodzaju materiałów tworzących styk. Koncepcje teoretyczne umożliwiają wyrażenie współczynnika Peltiera poprzez mikroskopijną charakterystykę elektronów przewodzących.

Współczynnik Peltiera P = T D A, Gdzie T - temperatura absolutna, A Δ α - różnica współczynników termoelektrycznych przewodników. Kierunek prądu określa, czy ciepło Peltiera jest uwalniane, czy pochłaniane.

Powodem tego efektu jest to, że w przypadku kontaktu metali lub półprzewodników na granicy powstaje wewnętrzna różnica potencjałów kontaktowych. Prowadzi to do tego, że energia potencjalna nośników po obu stronach styku staje się różna, ponieważ średnia energia nośników prądu zależy od ich widma energii, koncentracji i mechanizmów ich rozpraszania i jest różna w różnych przewodnikach. Ponieważ średnia energia elektronów biorących udział w przekazywaniu prądu jest różna w różnych przewodnikach, w procesie zderzeń z jonami sieci nośniki oddają nadmiar energia kinetyczna grill i wydziela się ciepło. Jeżeli podczas przejścia przez kontakt energia potencjalna nośników maleje, wówczas ich energia kinetyczna wzrasta, a elektrony zderzając się z jonami sieciowymi, zwiększają swoją energię do średniej wartości, podczas gdy ciepło Peltiera jest pochłaniane. Zatem, gdy elektrony przechodzą przez kontakt, elektrony albo przekazują nadmiar energii atomom, albo uzupełniają ją na ich koszt.

Podczas przejścia elektronów z półprzewodnika do metalu energia elektronów przewodnictwa półprzewodnika jest znacznie wyższa niż poziom Fermiego (patrz energia Fermiego) metalu, a elektrony oddają swoją nadwyżkę energii. Efekt Peltiera jest szczególnie silny w półprzewodnikach, które wykorzystuje się do tworzenia urządzeń półprzewodnikowych chłodzących i grzewczych, w tym do tworzenia mikrolodówek w urządzeniach chłodniczych.

Początek XIX wieku. Złoty wiek fizyki i elektrotechniki. W 1834 roku francuski zegarmistrz i przyrodnik Jean-Charles Peltier umieścił kroplę wody pomiędzy elektrodami bizmutowymi i antymonowymi, a następnie przepuścił ją przez obwód Elektryczność. Ku swemu zdumieniu zobaczył, że kropla nagle zamarła.

Znany był wpływ termiczny prądu elektrycznego na przewodniki, ale efekt odwrotny przypominało magię. Można zrozumieć odczucia Peltiera: to zjawisko na styku dwóch różnych dziedzin fizyki – termodynamiki i elektryczności – do dziś wywołuje poczucie cudu.

Problem chłodzenia nie był wówczas tak dotkliwy jak dzisiaj. Dlatego też na efekt Peltiera zaczęto zwracać uwagę dopiero prawie dwa wieki później, kiedy pojawiły się urządzenia elektroniczne, których działanie wymagało miniaturowych systemów chłodzenia. Godność Elementy chłodzące Peltiera to małe wymiary, brak części ruchomych, możliwość łączenia kaskadowego w celu uzyskania dużych różnic temperatur.

Ponadto efekt Peltiera jest odwracalny: przy zmianie polaryzacji prądu płynącego przez moduł chłodzenie zostaje zastąpione ogrzewaniem, dzięki czemu można na nim łatwo zastosować systemy precyzyjnego utrzymania temperatury - termostaty. Wadą elementów (modułów) Peltiera jest ich niska sprawność, co wymaga dostarczenia dużych wartości prądu, aby uzyskać zauważalną różnicę temperatur. Trudno jest także usunąć ciepło z płyty znajdującej się naprzeciwko chłodzonej płaszczyzny.

Ale najpierw najważniejsze. Na początek spróbujmy rozważyć procesy fizyczne odpowiedzialne za obserwowane zjawisko. Nie zagłębiając się w otchłań obliczeń matematycznych, spróbujemy po prostu zrozumieć naturę tego interesującego zjawiska fizycznego.

Ponieważ mówimy o zjawiskach temperaturowych, fizycy dla wygody opisu matematycznego zastępują drgania sieci atomowej materiału pewnym gazem składającym się z cząstek - fononów.

Temperatura gazu fononowego zależy od temperatury środowisko i właściwości metalu. Wtedy dowolny metal jest mieszaniną gazów elektronowych i fononowych, które są w równowadze termodynamicznej. Kiedy dwa różne metale stykają się przy braku pola zewnętrznego, „gorętszy” gaz elektronowy przenika do strefy „zimniejszego”, tworząc. dobrze znana różnica potencjałów kontaktowych.

Przy zastosowaniu różnicy potencjałów do przejścia, tj. Kiedy prąd przepływa przez granicę dwóch metali, elektrony pobierają energię z fononów jednego metalu i przekazują ją gazowi fononowemu drugiego. Kiedy zmienia się polaryzacja, transfer energii, czyli ogrzewanie i chłodzenie, zmienia znak.

W półprzewodnikach za przekazywanie energii odpowiadają elektrony i „dziury”, jednak mechanizm przenoszenia ciepła i pojawiania się różnicy temperatur pozostaje taki sam. Różnica temperatur wzrasta, aż do wyczerpania się elektronów o wysokiej energii. Następuje równowaga temperaturowa. To jest współczesny obraz opisu Efekt Peltiera.

Z tego jasno wynika sprawność elementu Peltiera zależy od doboru pary materiałów, natężenia prądu i szybkości usuwania ciepła ze strefy gorącej. W przypadku nowoczesnych materiałów (zwykle półprzewodników) wydajność wynosi 5-8%.

A teraz o praktycznym zastosowaniu efektu Peltiera. Aby go zwiększyć, poszczególne termopary (połączenia dwóch różnych materiałów) łączy się w grupy składające się z dziesiątek i setek elementów. Głównym celem takich modułów jest chłodzenie małych obiektów lub mikroukładów.

Termoelektryczny moduł chłodzący

Moduły efektu Peltiera są szeroko stosowane w noktowizorach wyposażonych w szereg odbiorników podczerwieni. Układy scalone urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), które są obecnie stosowane również w aparatach cyfrowych, wymagają głębokiego chłodzenia, aby zarejestrować obrazy obszar podczerwieni. Moduły Peltiera chłodzą detektory podczerwieni w teleskopach, elementy aktywne laserów w celu stabilizacji częstotliwości promieniowania oraz w precyzyjnych układach czasu. Ale to wszystko są zastosowania wojskowe i specjalne.

Ostatnio moduły Peltiera znalazły zastosowanie w produktach gospodarstwa domowego. Głównie w technice motoryzacyjnej: klimatyzatory, lodówki przenośne, chłodnice wodne.

Przykład praktycznego wykorzystania efektu Peltiera

Najbardziej interesującym i obiecującym zastosowaniem modułów jest technologia komputerowa. Najważniejsze są wysokowydajne mikroprocesory, procesory i chipy kart graficznych duża liczba ciepło. Do ich chłodzenia stosuje się wysokoobrotowe wentylatory, które wytwarzają znaczny hałas akustyczny. Zastosowanie modułów Peltiera w ramach kombinowanych systemów chłodzenia eliminuje hałas przy znacznym odprowadzeniu ciepła.

Kompaktowy USB -lodówka wykorzystująca moduły Peltiera

I na koniec logiczne pytanie: czy moduły Peltiera zastąpią zwykłe systemy chłodzenia w domowych lodówkach kompresyjnych? Dziś jest to nieopłacalne pod względem wydajności (niska wydajność) i ceny. Koszt wydajnych modułów jest nadal dość wysoki.

Ale technologia i materiałoznawstwo nie stoją w miejscu. Nie można wykluczyć możliwości pojawienia się nowych, tańszych materiałów o wyższej wydajności i wysokim współczynniku Peltiera. Już dziś pojawiają się doniesienia z laboratoriów badawczych o niesamowitych właściwościach materiałów nanowęglowych, które dzięki skutecznym systemom chłodzenia mogą radykalnie zmienić sytuację.

Istnieją doniesienia o wysokiej sprawności termoelektrycznej klastratów – roztworów stałych o strukturze zbliżonej do hydratów. Kiedy te materiały opuszczą laboratoria badawcze, całkowicie ciche lodówki o nieograniczonej żywotności zastąpią nasze zwykłe modele domowe.

P.S. Jedna z najciekawszych funkcji technologia termoelektryczna polega na tym, że można go nie tylko używać energia elektryczna uzyskać ciepło i chłód, ale także dzięki niemu możemy ale rozpocznij proces odwrotny i na przykład uzyskaj energię elektryczną z ciepła.

Przykład jak można uzyskać energię elektryczną z ciepła za pomocą modułu termoelektrycznego () Spójrz na to wideo:

Co o tym myślisz? Czekam na Wasze komentarze!

Andriej Powny

Wykonywany przez studenta z grupy AT-11

Mukharlyamov Ildar

Efekt Peltiera

Wejście: prąd elektryczny.

Wyjście: ilość ciepła, temperatura.

Istota

Kiedy w obwodzie składającym się z różnych przewodników płynie stały prąd elektryczny, ciepło jest pochłaniane lub uwalniane w punktach styku (połączeniach) przewodników, w zależności od kierunku prądu. Ciepło Peltiera uwolnione lub pochłonięte w warstwie jest proporcjonalne do całkowitego ładunku przechodzącego przez złącze lub iloczynu prądu i czasu. Współczynnik Peltiera zależy od rodzaju stykających się przewodników i ich temperatur.

R Lub N) (widzieć zdjęcie). Wyjaśnienie efektu Peltiera polega na oddziaływaniu elektronów przewodzenia, spowolnionych lub przyspieszonych w potencjale stykowym złącza pn, z drganiami termicznymi atomów układu półprzewodnikowego. W rezultacie, w zależności od kierunku ruchu elektronów i odpowiednio prądu, następuje nagrzewanie () lub chłodzenie (T Z ) odcinek półprzewodnika bezpośrednio sąsiadujący ze złączem (R-N lub złącze n-p).

Opis matematyczny

Gdzie – Ciepło Peltiera, J

P – współczynnik Peltiera;

Q– ładunek przechodzący przez styk, C;

I- Prąd w przewodniku, A;

T– czas, s.

Ciepło Peltiera zmienia znak, gdy zmienia się kierunek prądu. Limity zmiany parametrów:

do 1 V – półprzewodnik;

I– do kilku amperów;

Q– od 0 do 50 J (w 1 sek.)

Współczynnik Peltiera można wyrazić w postaci współczynnika Thomsona:

qT,

Gdzie
Thomsona;

Aplikacja

Moduł Peltiera wyróżnia się tym, że przepływając przez niego prąd elektryczny, działa jak pompa cieplna, tj. pompuje ciepło z jednej strony na drugą, dzięki czemu jest ono aktywnie wykorzystywane w różnych układach chłodzenia, od lodówek do napojów po układy chłodzenia potężnych laserów półprzewodnikowych i różnych chipów, szczególnie tam, gdzie konieczne jest przyspieszenie procesu odprowadzania ciepła z Element grzewczy. Główne obszary praktycznego wykorzystania efektu Peltiera w półprzewodnikach: pozyskiwanie zimna do tworzenia termoelektrycznych urządzeń chłodzących, ogrzewanie do celów grzewczych, termostatowanie, sterowanie procesem krystalizacji w stałych warunkach temperaturowych.

Aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu fotopowielaczy (PMT), zaproponowano metodę chłodzenia fotokatod za pomocą elementów termoelektrycznych umieszczonych wewnątrz osłony próżniowej PMT (patent USA 3757151).

Urządzenie do pobierania próbek gazu, w którym spust kondensatu jest zintegrowany z lodówką. NA wewnątrz Zimne złącza elementów Peltiera są przymocowane do pustego stożka, z którego odchodzi rurociąg do pobierania próbek gazu pomiarowego. Lodówka różni się tym, że jako generator prądu pobieranego przez elementy Peltiera służy bateria termoelementów, której gorące złącza znajdują się w kanale spalin, a zimne złącza znajdują się w przestrzeni zewnętrznej (aplikacja 1297U02 Niemcy).

Obraz urządzenia

Plusy i minusy korzystania z TEM

Często do zalet modułów Peltiera zalicza się:

stosunkowo małe wymiary;

zdolność do pracy zarówno w celu chłodzenia, jak i ogrzewania systemu;

żadnych ruchomych części ani elementów mechanicznych podlegających zużyciu.

Jednocześnie TEM mają szereg wad, które znacząco utrudniają ich powszechne praktyczne zastosowanie. Wśród nich są następujące:

niska wydajność modułu;

potrzeba źródła prądu do ich działania;

duży pobór mocy w celu uzyskania zauważalnej różnicy temperatur, a co za tym idzie znacznego wytwarzania ciepła;

ograniczone wymiary

Pytania kontrolne:

Jaka jest istota efektu Peltiera?

(Kiedy w obwodzie składającym się z różnych przewodników płynie stały prąd elektryczny, ciepło jest pochłaniane lub uwalniane w punktach styku (połączeniach) przewodników, w zależności od kierunku prądu.)

Od czego zależy współczynnik Peltiera?

(Współczynnik Peltiera zależy od rodzaju stykających się przewodników i ich temperatur.)

Jakie przewodniki stosowane są w efekcie Peltiera?

Efekt Peltiera jest najbardziej wyraźny na stykach półprzewodników o różnych rodzajach przewodności ( R Lub N)

Jak współczynnik Peltiera jest powiązany ze współczynnikiem Thomsona?

qT,

Gdzie
Thomsona;

T – współczynnik temperaturowy, K.

Główne zastosowanie efektu?

(Stosowany w różnych układach chłodzenia)

Zadania:

Znajdź współczynnik Peltiera, wiedząc, że w ciągu 3 sekund przepłynął prąd o natężeniu 10 A i wyzwolił 50 J ciepła.

Ile będzie równy współczynnik Thomsona, jeśli ładunek wyniesie 70 C, a temperatura bezwzględna 300 K. Współczynnik Peltiera wynosi 1,7 V.

Ile ciepła zostanie uwolnione w punktach styku różnych przewodników, jeśli współczynnik Peltiera wynosi 73 mV, a ładunek przechodzący przez moduł termiczny wynosi 40 C.

Rozwiązanie: Qp=P*q=2,92 (J).

Znajdź czas przepływu prądu przez przewodnik, wiedząc, że napięcie wynosi 120 V, a rezystancja 10 omów. W tym przypadku uwalniany jest 1 J ciepła, a współczynnik Peltiera wynosi 60 mV.

Sprzęt chłodniczy na stałe zagościł w naszym życiu, że nawet trudno sobie wyobrazić, jak moglibyśmy bez niego żyć. Jednak klasyczne konstrukcje na czynnik chłodniczy nie nadają się do użytku mobilnego, na przykład jako podróżna torba termoizolacyjna.

W tym celu stosuje się instalacje, w których zasada działania opiera się na efekcie Peltiera. Porozmawiajmy krótko o tym zjawisku.

Co to jest?

Termin ten odnosi się do zjawiska termoelektrycznego odkrytego w 1834 roku przez francuskiego przyrodnika Jeana-Charlesa Peltiera. Istotą tego efektu jest wydzielanie lub pochłanianie ciepła w obszarze styku różnych przewodników, przez które przepływa prąd elektryczny.

Zgodnie z teoria klasyczna Istnieje następujące wyjaśnienie tego zjawiska: prąd elektryczny przenosi elektrony pomiędzy metalami, co może przyspieszać lub spowalniać ich ruch, w zależności od różnicy potencjałów stykowych w przewodnikach wykonanych z różnych materiałów. Odpowiednio, wraz ze wzrostem energii kinetycznej, zamienia się ona w energię cieplną.

Na drugim przewodniku obserwuje się proces odwrotny, wymagający uzupełnienia energii, zgodnie z podstawowymi prawami fizyki. Dzieje się tak na skutek drgań termicznych, które powodują ochłodzenie metalu, z którego wykonany jest drugi przewodnik.

Nowoczesne technologie umożliwiają produkcję elementów półprzewodnikowych-modułów o maksymalnym efekcie termoelektrycznym. Warto krótko porozmawiać o ich projekcie.

Konstrukcja i zasada działania

Nowoczesne moduły to konstrukcja składająca się z dwóch płyt izolacyjnych (najczęściej ceramicznych), pomiędzy którymi umieszczone są szeregowo połączone termopary. Uproszczony schemat takiego elementu można zobaczyć na poniższym rysunku.

Oznaczenia:

A – styki do podłączenia do źródła zasilania;
B – gorąca powierzchnia elementu;
C – strona zimna;
D – przewody miedziane;
E – półprzewodnik oparty na złączu p;
F – półprzewodnik typu n.

Konstrukcja jest wykonana w taki sposób, że każda strona modułu styka się albo p-n, albo przejścia n-p(w zależności od polaryzacji). Kontakty p-n rozgrzać, n-p – ochłodzić (patrz rys. 3). W związku z tym po bokach elementu występuje różnica temperatur (DT). Dla obserwatora efekt ten będzie wyglądał jak transfer energii cieplnej pomiędzy bokami modułu. Warto zauważyć, że zmiana polaryzacji zasilania prowadzi do zmiany gorących i zimnych powierzchni.

Ryż. 3. A – strona gorąca termoelementu, B – strona zimna

Dane techniczne

Charakterystykę modułów termoelektrycznych opisują następujące parametry:

wydajność chłodnicza (Q max), tę charakterystykę określa się na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu i różnicy temperatur pomiędzy bokami modułu, mierzonej w watach;
maksymalna różnica temperatur pomiędzy bokami elementu (DT max), parametr podany jest dla warunków idealnych, jednostką miary są stopnie;
dopuszczalny prąd wymagany do zapewnienia maksymalnej różnicy temperatur – I max;
maksymalne napięcie U max wymagane, aby prąd I max osiągnął różnicę szczytową DT max ;
rezystancja wewnętrzna modułu – Rezystancja wyrażona w omach;
współczynnik wydajności - COP (skrót od angielskiego - współczynnik wydajności), w skrócie jest to wydajność urządzenia, pokazująca stosunek chłodzenia do zużycia energii. Dla niedrogich elementów parametr ten mieści się w przedziale 0,3-0,35, dla droższych modeli zbliża się do 0,5.

Cechowanie

Przyjrzyjmy się, jak rozszyfrowane są typowe oznaczenia modułów na przykładzie rysunku 4.

Rysunek 4. Moduł Peltiera oznaczony TEC1-12706

Oznakowanie dzieli się na trzy znaczące grupy:

Oznaczenie elementu. Pierwsze dwie litery pozostają zawsze niezmienione (TE), co oznacza, że jest to termoelement. Następny wskazuje rozmiar, mogą znajdować się litery „C” (standardowy) i „S” (mały). Ostatnia liczba wskazuje, ile warstw (kaskad) znajduje się w elemencie.
Liczba termopar w module pokazanym na zdjęciu wynosi 127.
Prąd znamionowy jest w amperach, dla nas jest to 6 A.

W ten sam sposób odczytuje się oznaczenia pozostałych modeli serii TEC1, np.: 12703, 12705, 12710 itd.

Aplikacja

Pomimo dość niskiej wydajności elementy termoelektryczne są szeroko stosowane w urządzeniach pomiarowych, komputerowych i gospodarstwa domowego. Moduły są ważnym elementem wykonawczym następujących urządzeń:

mobilne agregaty chłodnicze;
małe generatory do wytwarzania energii elektrycznej;
systemy chłodzenia w komputerach osobistych;
Chłodnice do chłodzenia i podgrzewania wody;
osuszacze itp.

Podajmy szczegółowe przykłady zastosowania modułów termoelektrycznych.

Lodówka wykorzystująca elementy Peltiera

Termoelektryczne urządzenia chłodnicze mają znacznie gorszą wydajność niż analogi sprężarkowe i absorpcyjne. Mają jednak znaczące zalety, co sprawia, że ich stosowanie jest wskazane w pewnych warunkach. Te zalety obejmują:

prostota projektu;
odporność na wibracje;
brak ruchomych elementów (z wyjątkiem wentylatora nadmuchującego chłodnicę);
niski poziom hałasu;
małe wymiary;
możliwość pracy na dowolnym stanowisku;
długa żywotność;
niskie zużycie energii.

Te cechy są idealne do instalacji mobilnych.

Element Peltiera jako generator prądu

Moduły termoelektryczne mogą pracować jako generatory prądu, jeśli jedna z ich stron zostanie poddana wymuszonemu nagrzewaniu. Im większa różnica temperatur pomiędzy stronami, tym większy prąd generowany przez źródło. Niestety maksymalna temperatura generatora ciepła jest ograniczona i nie może być wyższa niż temperatura topnienia lutu użytego w module. Naruszenie tego warunku doprowadzi do awarii elementu.

Do masowej produkcji generatorów ciepła stosuje się specjalne moduły z lutem ogniotrwałym, które można nagrzać do temperatury 300°C. W zwykłych elementach, na przykład TEC1 12715, granica wynosi 150 stopni.

Ponieważ wydajność takich urządzeń jest niska, stosuje się je tylko w przypadkach, gdy nie jest możliwe wykorzystanie bardziej wydajnego źródła energii elektrycznej. Jednak generatory ciepła o mocy 5-10 W są poszukiwane wśród turystów, geologów i mieszkańców odległych obszarów. Duże i mocne instalacje stacjonarne zasilane paliwem wysokotemperaturowym służą do zasilania jednostek dystrybucji gazu, urządzeń stacji meteorologicznych itp.

Do chłodzenia procesora

Stosunkowo niedawno moduły te zaczęto stosować w układach chłodzenia procesorów komputerów osobistych. Biorąc pod uwagę niską wydajność termoelementów, zalety takich konstrukcji są raczej wątpliwe. Na przykład, aby schłodzić źródło ciepła o mocy 100–170 W (odpowiadające większości nowoczesnych modeli procesorów), trzeba będzie wydać 400–680 W, co wymaga zainstalowania mocnego zasilacza.

Drugą pułapką jest to, że nieobciążony procesor wydzieli mniej energii cieplnej, a moduł może go schłodzić poniżej punktu rosy. W rezultacie zacznie się tworzyć kondensacja, która z pewnością uszkodzi elektronikę.

Ci, którzy zdecydują się na samodzielne stworzenie takiego układu, będą musieli przeprowadzić szereg obliczeń, aby dobrać moc modułu do konkretnego modelu procesora.

W związku z powyższym użycie tych modułów jako układu chłodzenia procesora jest nieopłacalne; ponadto mogą powodować awarie wyposażenie komputera nieczynne.

Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w przypadku urządzeń hybrydowych, gdzie moduły termiczne wykorzystuje się w połączeniu z chłodzeniem wodnym lub powietrznym.

Hybrydowe systemy chłodzenia udowodniły swoją skuteczność, jednak wysoki koszt ogranicza krąg ich wielbicieli.

Klimatyzator oparty na elementach Peltiera

Teoretycznie takie urządzenie będzie konstrukcyjnie znacznie prostsze niż klasyczne systemy klimatyzacji, ale wszystko sprowadza się do niskiej wydajności. Co innego schłodzić niewielką objętość lodówki, a co innego schłodzić pomieszczenie lub wnętrze samochodu. Klimatyzatory wykorzystujące moduły termoelektryczne będą zużywać więcej energii elektrycznej (3-4 razy) niż urządzenia zasilane czynnikiem chłodniczym.

Jeśli chodzi o wykorzystanie go jako systemu klimatyzacji samochodowej, moc standardowego generatora nie będzie wystarczająca do obsługi takiego urządzenia. Zastąpienie go bardziej wydajnym sprzętem będzie prowadzić do znacznego zużycia paliwa, co nie jest opłacalne.

Na forach tematycznych okresowo pojawiają się dyskusje na ten temat i rozważane są różne domowe projekty, ale nie powstał jeszcze pełnoprawny działający prototyp (nie licząc klimatyzatora dla chomika). Całkiem możliwe, że sytuacja ulegnie zmianie, gdy moduły o bardziej akceptowalnej wydajności staną się powszechnie dostępne.

Do chłodzenia wody

Element termoelektryczny jest często stosowany jako chłodziwo w chłodnicach wodnych. Projekt obejmuje: moduł chłodzący, sterownik sterowany termostatem oraz grzałkę. Ta realizacja jest znacznie prostsza i tańsza niż obwód sprężarki, a ponadto jest bardziej niezawodna i łatwiejsza w obsłudze. Ale są też pewne wady:

woda nie schładza się poniżej 10-12°C;
chłodzenie trwa dłużej niż jego odpowiednik kompresorowy, dlatego taka chłodnica nie nadaje się do biura z dużą liczbą pracowników;
urządzenie jest wrażliwe na temperaturę zewnętrzną, w ciepłym pomieszczeniu woda nie ostygnie do temperatury minimalnej;
Nie zaleca się montażu w zakurzonych pomieszczeniach, gdyż może to spowodować zatkanie wentylatora i awarię modułu chłodzącego.

Stołowa chłodnica wody wykorzystująca element Peltiera

Osuszacz powietrza oparty na elementach Peltiera

W przeciwieństwie do klimatyzatora, wdrożenie osuszacza za pomocą elementów termoelektrycznych jest całkiem możliwe. Projekt jest dość prosty i niedrogi. Moduł chłodzący obniża temperaturę grzejnika poniżej punktu rosy, w efekcie czego osadza się na nim wilgoć zawarta w powietrzu przepływającym przez urządzenie. Osadzona woda jest odprowadzana do specjalnego zbiornika magazynowego.

Pomimo niskiej wydajności, w tym przypadku wydajność urządzenia jest całkiem zadowalająca.

Jak się połączyć?

Nie będzie problemów z podłączeniem modułu, do przewodów wyjściowych należy przyłożyć stałe napięcie, jego wartość jest podana w arkuszu danych elementu. Czerwony przewód musi być podłączony do dodatniego, czarny przewód do ujemnego. Uwaga! Odwrócenie polaryzacji powoduje odwrócenie położenia chłodzonych i nagrzanych powierzchni.

Jak sprawdzić działanie elementu Peltiera?

Najprostszą i najbardziej niezawodną metodą jest dotyk. Należy podłączyć moduł do odpowiedniego źródła napięcia i dotknąć jego różnych stron. W przypadku elementu roboczego jeden z nich będzie cieplejszy, drugi zimniejszy.

Jeśli nie masz pod ręką odpowiedniego źródła, będziesz potrzebować multimetru i zapalniczki. Proces weryfikacji jest dość prosty:

podłączyć sondy do zacisków modułu;
przesuń zapaloną zapalniczkę na jeden z boków;
Obserwujemy odczyty urządzenia.

W module roboczym po nagrzaniu jednej ze stron powstaje prąd elektryczny, który zostanie wyświetlony na wyświetlaczu urządzenia.

Jak zrobić element Peltiera własnymi rękami?

Wykonanie modułu w domu w domu jest prawie niemożliwe, zwłaszcza że nie ma to sensu, biorąc pod uwagę ich stosunkowo niski koszt (około 4-10 dolarów). Można jednak złożyć urządzenie, które przyda się na wędrówce, np. generator termoelektryczny.

Aby ustabilizować napięcie, należy zamontować prosty konwerter na chipie L6920.

Wejście takiego konwertera zasilane jest napięciem z zakresu 0,8-5,5 V, a na wyjściu wytworzy stabilne 5 V, które w zupełności wystarczy do naładowania większości urządzeń mobilnych. W przypadku zastosowania konwencjonalnego elementu Peltiera konieczne jest ograniczenie zakresu temperatur pracy strony podgrzewanej do 150°C. Aby uniknąć kłopotów ze śledzeniem, lepiej jest użyć garnka z wrzącą wodą jako źródła ciepła. W takim przypadku gwarantuje się, że element nie nagrzeje się powyżej 100°C.

W tym celu stosuje się instalacje, w których zasada działania opiera się na efekcie Peltiera. Porozmawiajmy krótko o tym zjawisku.

Co to jest?

Zgodnie z klasyczną teorią zjawisko to można wytłumaczyć następująco: prąd elektryczny przenosi elektrony pomiędzy metalami, co może przyspieszać lub spowalniać ich ruch w zależności od różnicy potencjałów stykowych w przewodnikach wykonanych z różnych materiałów. Odpowiednio, wraz ze wzrostem energii kinetycznej, zamienia się ona w energię cieplną.

Nowoczesne technologie umożliwiają produkcję elementów półprzewodnikowych-modułów o maksymalnym efekcie termoelektrycznym. Warto krótko porozmawiać o ich projekcie.

Konstrukcja i zasada działania

Oznaczenia:

A – styki do podłączenia do źródła zasilania;
B – gorąca powierzchnia elementu;
C – strona zimna;
D – przewody miedziane;
E – półprzewodnik oparty na złączu p;
F – półprzewodnik typu n.

Konstrukcja została wykonana w taki sposób, że każda strona modułu styka się ze złączami p-n lub n-p (w zależności od polaryzacji). Styki p-n są podgrzewane, styki n-p są chłodzone (patrz rys. 3). W związku z tym po bokach elementu występuje różnica temperatur (DT). Dla obserwatora efekt ten będzie wyglądał jak transfer energii cieplnej pomiędzy bokami modułu. Warto zauważyć, że zmiana polaryzacji zasilania prowadzi do zmiany gorących i zimnych powierzchni.

Ryż. 3. A – strona gorąca termoelementu, B – strona zimna

Dane techniczne

Charakterystykę modułów termoelektrycznych opisują następujące parametry:

wydajność chłodnicza (Q max), tę charakterystykę określa się na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu i różnicy temperatur pomiędzy bokami modułu, mierzonej w watach;
maksymalna różnica temperatur pomiędzy bokami elementu (DT max), parametr podany jest dla warunków idealnych, jednostką miary są stopnie;
dopuszczalny prąd wymagany do zapewnienia maksymalnej różnicy temperatur – I max;
maksymalne napięcie U max wymagane, aby prąd I max osiągnął różnicę szczytową DT max ;
rezystancja wewnętrzna modułu – Rezystancja wyrażona w omach;
współczynnik wydajności - COP (skrót od angielskiego - współczynnik wydajności), w skrócie jest to wydajność urządzenia, pokazująca stosunek chłodzenia do zużycia energii. Dla niedrogich elementów parametr ten mieści się w przedziale 0,3-0,35, dla droższych modeli zbliża się do 0,5.

Cechowanie

Przyjrzyjmy się, jak rozszyfrowane są typowe oznaczenia modułów na przykładzie rysunku 4.

Rysunek 4. Moduł Peltiera oznaczony TEC1-12706

Oznakowanie dzieli się na trzy znaczące grupy:

Oznaczenie elementu. Pierwsze dwie litery pozostają zawsze niezmienione (TE), co oznacza, że jest to termoelement. Następny wskazuje rozmiar, mogą znajdować się litery „C” (standardowy) i „S” (mały). Ostatnia liczba wskazuje, ile warstw (kaskad) znajduje się w elemencie.
Liczba termopar w module pokazanym na zdjęciu wynosi 127.
Prąd znamionowy jest w amperach, dla nas jest to 6 A.

W ten sam sposób odczytuje się oznaczenia pozostałych modeli serii TEC1, np.: 12703, 12705, 12710 itd.

Aplikacja

mobilne agregaty chłodnicze;
małe generatory do wytwarzania energii elektrycznej;
systemy chłodzenia w komputerach osobistych;
Chłodnice do chłodzenia i podgrzewania wody;
osuszacze itp.

Podajmy szczegółowe przykłady zastosowania modułów termoelektrycznych.

Lodówka wykorzystująca elementy Peltiera

prostota projektu;
odporność na wibracje;
brak ruchomych elementów (z wyjątkiem wentylatora nadmuchującego chłodnicę);
niski poziom hałasu;
małe wymiary;
możliwość pracy na dowolnym stanowisku;
długa żywotność;
niskie zużycie energii.

Te cechy są idealne do instalacji mobilnych.

Element Peltiera jako generator prądu

Do chłodzenia procesora

Ci, którzy zdecydują się na samodzielne stworzenie takiego układu, będą musieli przeprowadzić szereg obliczeń, aby dobrać moc modułu do konkretnego modelu procesora.

W związku z powyższym użycie tych modułów jako układu chłodzenia procesora jest nieopłacalne; ponadto mogą powodować awarie sprzętu komputerowego.

Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w przypadku urządzeń hybrydowych, gdzie moduły termiczne wykorzystuje się w połączeniu z chłodzeniem wodnym lub powietrznym.

Hybrydowe systemy chłodzenia udowodniły swoją skuteczność, jednak wysoki koszt ogranicza krąg ich wielbicieli.

Klimatyzator oparty na elementach Peltiera

Do chłodzenia wody

woda nie schładza się poniżej 10-12°C;
chłodzenie trwa dłużej niż jego odpowiednik kompresorowy, dlatego taka chłodnica nie nadaje się do biura z dużą liczbą pracowników;
urządzenie jest wrażliwe na temperaturę zewnętrzną, w ciepłym pomieszczeniu woda nie ostygnie do temperatury minimalnej;
Nie zaleca się montażu w zakurzonych pomieszczeniach, gdyż może to spowodować zatkanie wentylatora i awarię modułu chłodzącego.

Stołowa chłodnica wody wykorzystująca element Peltiera

Osuszacz powietrza oparty na elementach Peltiera

Pomimo niskiej wydajności, w tym przypadku wydajność urządzenia jest całkiem zadowalająca.

Jak się połączyć?

Jak sprawdzić działanie elementu Peltiera?

Jeśli nie masz pod ręką odpowiedniego źródła, będziesz potrzebować multimetru i zapalniczki. Proces weryfikacji jest dość prosty:

podłączyć sondy do zacisków modułu;
przesuń zapaloną zapalniczkę na jeden z boków;
Obserwujemy odczyty urządzenia.

W module roboczym po nagrzaniu jednej ze stron powstaje prąd elektryczny, który zostanie wyświetlony na wyświetlaczu urządzenia.

Jak zrobić element Peltiera własnymi rękami?

Aby ustabilizować napięcie, należy zamontować prosty konwerter na chipie L6920.