Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.
Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.
Что это такое?
Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.
В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.
На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.
Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.
Устройство и принцип работы
Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.
Обозначения:
- А – контакты для подключения к источнику питания;
- B – горячая поверхность элемента;
- С – холодная сторона;
- D – медные проводники;
- E – полупроводник на основе р-перехода;
- F – полупроводник n-типа.
Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.
Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная
Технические характеристики
Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:
- холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
- максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения – градусы;
- допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
- максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
- внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
- коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского – coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.
Маркировка
Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.
Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706
Маркировка разбивается на три значащих группы:
- Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
- Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
- Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.
Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.
Применение
Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:
- мобильных холодильных установок;
- небольших генераторов для выработки электричества;
- систем охлаждения в персональных компьютерах;
- кулеры для охлаждения и нагрева воды;
- осушители воздуха и т.д.
Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.
Холодильник на элементах Пельтье
Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:
- простота конструкции;
- устойчивость к вибрации;
- отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
- низкий уровень шума;
- небольшие габариты;
- возможность работы в любом положении;
- длительный срок службы;
- небольшое потребление энергии.
Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.
Элемент Пельтье как генератор электроэнергии
Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.
Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.
Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.
Для охлаждения процессора
Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.
Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.
Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.
Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.
Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.
Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.
Кондиционер на элементах Пельтье
Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело – охладить небольшой объем холодильной камеры, другое – помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.
Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.
В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.
Для охлаждения воды
Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:
- вода не охлаждается ниже 10-12°С;
- на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
- устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
- не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.
Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье
Осушитель воздуха на элементах Пельтье
В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.
Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.
Как подключить?
С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный – к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.
Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?
Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.
Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:
- подключаем щупы к выводам модуля;
- подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
- наблюдаем за показаниями прибора.
В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.
Как сделать элемент Пельтье своими руками?
Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.
Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.
На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.
Чуть чуть теории.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.
При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.
Практика.
Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.
50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось:
Подключаем воду к охладителю к одной стороне элемента Пельтье , а другую ставим на конфорку. К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат - наш генератор работает!
Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.
Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.
Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…
При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.
Использование термоэлектрического модуля.
Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.
Да, как говорится - если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone ещё в `85 изобрели бы! :-)
Термоэлектрический холодильник
Термоэлектрический холодильник (вариант 2)
Термоэлектрический холодильник (вариант 3)
Автомобильный охладитель для баночных напитков
Кулер для питьевой воды
Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа
В такой "ковшик" наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там "зарыт" Пельтье
Давайте поподробней об этой конструкции.
В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии - радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, "бросового" тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности - от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.
Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.
Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В - 6 В - 9В -12В и переходники для зарядных устройств.
БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8
Техническая спецификация
Масса без жидкости, кг, не более0,55
Габаритные размеры, мм
без ручки250х130х110 ? 123, h=100
Элемент Пельтье – это специальный термоэлектрический преобразователь, который работает по одноименному принципу Пельтье – возникновении разности температур во время подачи электрического тока. В английском языке чаще всего упоминается как ТЕС, что в переводе означает термоэлектрический охладитель.
Как работает элемент Пельтье
Работа элемента Пельтье базируется на контакте двух токопроводящих материалов, которые обладают разным уровнем энергии электронов в зоне проводимости. При подаче электрического тока через подобную связь, электрон приобретает высокую энергию , чтобы потом перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. В момент поглощения этой энергии осуществляется охлаждение места охлаждения проводников. Если же ток протекает в обратном направлении – то это приводит к нагреванию места контакта и к обычному тепловому эффекту.
Если с одной стороны сделать хороший отвод тепла, например, при использовании радиаторных систем, то холодная сторона сможет обеспечить очень низкую температуру, которая на десятки градусов будет ниже температуры окружающего мира. Величина тока пропорциональна степени охлаждения. Если же сменить полярность электрического тока, то стороны (тёплая и холодная) просто поменяются местами.
В контакте с металлической поверхностью элемент Пельтье становится настолько малым, что его практически невозможно заметить на фоне омического нагрева и других эффектов теплопроводности. Именно поэтому на практике применяется два полупроводника.
Количество термопар может быть самым разнообразным – от 1 до 100 , за счёт чего можно сделать элемент Пельтье практически с любыми показателями холодильных мощностей.
Практическое применение
В наше время элементы Пельтье активно применяются для:
- холодильников;
- кондиционеров;
- автомобильных охладителей;
- кулеров для воды
- видеокарт ПК;
Элемент Пельтье получил широкое применение в различных холодильных системах, в том числе и среди холодильников и кондиционеров. Возможность достигать очень низких температур делает его превосходным решением для охлаждения электрических приборов или технического оборудования, подвергающегося нагреву. Сегодня разработчики применяют элементы Пельтье в акустических и звуковых системах, где они выполняют роль обычного куллера. Отсутствие интенсивных звуков делает процесс охлаждения практически бесшумным, что является прекрасным преимуществом элемента.
В наше время подобная технология пользуется большой популярностью за счёт очень мощной теплоотдачи . К тому же, современные элементы Пельтье отличаются очень компактными габаритами, а их радиаторы способны хранить нужную температуру на протяжении длительного времени. Ещё одним преимуществом элементов Пельтье является их долговечность, т.к. они состоят из цельных неподвижных элементов, что уменьшает вероятность поломок. Конструкция самого распространённого типа выглядит очень просто и включает в себя два медные проводника с контактами и соединительными проводами, также изолирующий элемент, который изготовляется из нержавеющей стали или керамических материалов.
Учитывая простоту конструкции, сделать элемент Пельтье своими руками в домашних условиях совсем несложно. Его можно будет использовать для холодильников или прочих приборов
. Перед началом работ вам нужно подготовить две металлические пластины и проводку с контактами. Изначально подготовьте проводники, которые необходимо установить у основания элемента. Как правило, применяются проводники с маркировкой «РР».
Также стоит заранее позаботиться об полупроводниках на выходе. Они будут применяться для отдачи тепла на верхнюю пластину. В процессе установки задействуйте паяльник. На конечном этапе нужно присоединить два провода. Первый устанавливается у основания и прочно закрепляется возле крайнего проводника. Важно учесть, чтобы любые соприкосновения с пластиной были устранены.
Второй проводник прикрепляется у верхней части. Фиксируется он таким же образом, как и первый – к крайнему проводнику. Чтобы проверить функциональность устройства стоит применить тестер. Просто соедините два провода к прибору и проверьте вольтаж. Отклонение напряжения будет составлять где-то 23 В .
Как сделать элементы Пельтье для холодильника?
Элементы Пельтье своими руками для холодильника изготавливаются также просто и быстро. Первое, что нужно учесть перед работами, это – материал пластины. Это должна быть прочная керамика. Что касается проводников, то их нужно подготовить не меньше 20-ти штук
, что позволит добиться максимального перепада температур. При правильном расчете коэффициент полезного действия может быть увеличен на 70%.
Многое зависит от мощности используемого оборудования. Если холодильник работает на основе жидкого фреона, то проблем с мощностью никогда не будет. Элемент Пельтье, который был изготовлен своими руками устанавливается непосредственно возле испарителя, который установлен вместе с мотором. Для подобного монтажа вам понадобится запастись самым стандартным набором инструментов и прокладками. Они будут применены для элемента модели от пускового реле. С помощью подобного решения охлаждение в нижней части устройства произойдёт намного быстрее.
Стоит помнить, что перед тем как сделать элемент Пельтье для холодильника своими руками, вам нужно запастись достаточным количеством электрических проводников. Для того чтобы добиться разницы в температурах при разработке элемента своими руками, используйте не меньше 16 проводов . Обязательно обеспечьте им качественную изоляцию и только тогда подключайте к компрессору. Убедившись в надёжности и безопасности связи между проводами можно переходить к их соединению. После завершения установки ещё раз проверьте силу предельного напряжения с помощью тестера. Если работа элемента была нарушена, это первым делом скажется на терморегуляторе. Иногда случается его короткое замыкание.
Помимо холодильников, элементы Пельтье активно применяются и в автомобильных охладителях. Сделать качественный автомобильный холодильник своими руками тоже достаточно просто. Для этого необходимо найти хорошую керамическую пластину с толщиной не меньше 1.1 миллиметра. Провода должны быть немодульными. В качестве проводников лучше всего использовать медные провода с пропускной способностью не меньше 4 Ампера .
В связи с этим максимальное отклонение температур будет доходить до десяти градусов, что считается нормой. В частых случаях используются проводники с маркировкой «ПР20», которые сумели отличиться максимальной надёжностью и стабильностью работы. К тому же они подходят для различных типов контактов. При соединении устройства с конденсатором стоит применить паяльник.
Как сделать элемент Пельтье для кулера питьевой воды?
Кулер питьевой воды – это очень важное и необходимое устройство, которое вовремя охлаждает или нагревает питьевую воду. Чтобы ускорить процесс охлаждения , можно применить элемент Пельтье. Сделать его можно так же просто, как и для холодильника или автомобильного охладителя:
- В качестве пластины стоит использовать исключительно керамическую поверхность.
- В устройстве применяется не меньше 12 проводников, которые смогут выдерживать высокое сопротивление.
- Для подключения нужно использовать два провода (желательно медные). Элемент устанавливается в нижней части кулера. К тому же он может соприкасаться с крышкой устройства. Но чтобы предотвратить возможные короткие замыкания фиксируйте всю проводку на решетке либо корпусе.
Элемент Пельтье для кондиционеров своими руками
Если речь идёт об элементе Пельтье для кондиционеров, то он может быть изготовлен только из проводника «ПР12». Дело в том, что этот тип проводников отлично выдерживает аномальные температуры и способен выдавать до 23В напряжения. Сопротивление при этом должно колебаться в пределах 3 Ом. Максимальные перепады температур будут достигать 10 градусов и КПД – 65 процентов. Проводники нужно укладывать в один ряд .
Стоит отметить, что элемент Пельтье может служить в качестве охладителя для видеокарты персонального компьютера. Для изготовления охладителя нужно взять 14 проводников, желательно из меди. Чтобы подключить элемент Пельтье к видеокарте ПК нужно задействовать немодульный проводник. Само устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте. Для закрепления можно использовать маленькие металлические уголки, а для фиксации обычные гаечки.
Если при работе замечаются какие-то интенсивные шумы и прочие неестественные звуки, стоит проверить работоспособность проводки и осмотреть каждый проводник.
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.
Модуль Пельтье можно использовать в 4 разных схемах: как нагревательный элемент (в инкубаторах...), как охлаждающий элемент (в холодильниках...), получать электричество (генератор...), а так же с помощью элемента Пельтье можно получать воду. Об этом и будет моя статья
Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler - термоэлектрический охладитель).
Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.
Принцип действия
В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.
Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются - или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.
Достоинства и недостатки
Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание - это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством являются отсутствие механических частей и отсутствие шума.
Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами - хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.
В батареях элементов Пельтье возможно достижение теоретически очень большой разницы температур, более 70 градусов по цельсию, в связи с этим лучше использовать импульсный метод регулирования температуры, благодаря которому можно снизить также потребление энергии. При этом желательно сглаживать пульсации тока для продления срока службы элемента Пельтье.
Применение термоэлектрического модуля : в куллерах для воды, системах охлаждения компьютеров или микросхем различных малогабаритных приборов,в электрических термогенераторах,охлаждение видеокарт, северных или южных мостов, автомобильные холодильники, охладители воздуха, Arduino, для охлаждение ПЗС матриц и инфрокрасных фотоприемников, в электрических термогенераторах, в термостатах, в научных лаболаторных приборов, термокалибраторов, термостабилизаторов. В общем там где требуется достижения перепадов температур более 60 градусов.
Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления
Размеры пластин Пельтье и характеристики потребления (потребляемая мощность, напряжение, сила тока, максимальная разница температур). Маркировки этих термоэлектрических генераторов могут быть на разных сайтах разные, все зависит от производителя (например: TEG1-241-1.4-1.2; СР1.4-127-06L отечественные; TB-127-1.4-1.5 Frost-72; SP1848-27145; термогенератор Зеебека TEP1-142T300). Характеристики, в свою очередь будут не сильно отличаться, но некоторые показатели не значительно разнятся.
| Qmax | Umax | Imax | dTmax | Размеры,(мм) | ||
| (Вт) | (В) | (A) | (град) | A | B | H |
| 36,0 | 16,1 | 3,6 | 71 | 30,0 | 30,0 | 3,6 |
| 36,0 | 16,1 | 3,6 | 71 | 40,0 | 40,0 | 3,6 |
| 62,0 | 16,3 | 6,2 | 72 | 40,0 | 40,0 | 3,9 |
| 65,0 | 16,7 | 6,3 | 74 | 40,0 | 40,0 | 3,9 |
| 80,0 | 16,1 | 8,0 | 71 | 40,0 | 40,0 | 3,4 |
| 80,0 | 16,1 | 8,0 | 71 | 48,0 | 48,0 | 3,4 |
| 94,0 | 24,9 | 6,1 | 70 | 40,0 | 40,0 | 3,9 |
| 115,0 | 24,6 | 7,6 | 69 | 40,0 | 40,0 | 3,6 |
| 120,0 | 24,6 | 7,9 | 69 | 40,0 | 40,0 | 3,4 |
| 131,0 | 24,6 | 8,6 | 69 | 40,0 | 40,0 | 3,3 |
| 172,0 | 24,6 | 11,3 | 69 | 40,0 | 40,0 | 3,2 |
| 156,0 | 15,7 | 16,1 | 70 | 48,0 | 48,0 | 3,4 |
| 223,0 | 15,5 | 23,4 | 68 | 55,0 | 59,0 | 3,3 |
| 310,0 | 24,6 | 20,6 | 69 | 62,0 | 62,0 | 3,2 |
USB Холодильник своими руками (Модуль Пельтье)
Для постройки нашего мини-холодильника нам необходимо найти или купить элемент Пельтье (что это такое и как работает Вы сможете прочитать ниже) и два радиатора.
Вот этот самый элемент Пельтье, я выдрал его из сломанного компа, он там стоял между процессором и кулером. Счистил с него старую термопасту. В двух словах — этот элемент Пельтье при подаче на него постоянного тока начинает работать следующим образом: одна сторона у него начинает греться, а вторая — охлаждаться, если поменять полярность источника питания, то стороны элемента будут вести себя наоборот!
Далее я взял два массивных радиатора от ненужного усилка. Потом смазал элемент новой термопастой, которую купил в радио магазине, и зажал элемент Пельтье между радиаторов. Использование термопасты в данном случае обязательно!
Подключил провода к элементу от USB кабеля и воткнул в комп — одна радиатор начал греться, а второй — охлаждаться! Значит, всё пучком!
Материал, из которого я склеил холодильник, похож на прессованный пенопласт или пористый пластик. В общем, материал может быть любым, его главное качество термоизоляция.
Стекло — органическое, выглядит довольно хрупко, но на самом деле материал прочный.
Клей — суперклей.
Потом для удобства сделал застёжку на магнитиках.
Получилось нормально — туда спокойно влезает бутылка минералки.
Генератор — получение электричества с помощью элемента Пельтье
Плюсы этого генератора:
— Топливо – всё что горит или греет.
— Выход USB 5 Вольт, 500mA.
— Не зависит от солнца, ветра и т.д.
— Простая и крепкая конструкция, которая может служить вечно.
— Можно готовить на нем еду, пока ваш телефон заряжается.
— Универсальность.
— Может собрать любой у себя дома за 1 вечер (даже работник АвтоВАЗа=)).
— Дешевизна конструкции.
Изобрел не я, есть коммерческие экземпляры, которые на много лучше моего. Например, BioLite CampStove, его цена 7900 руб. Мой экземпляр сделан на скорую руку для написания этой статьи и дальнейших экспериментов.
Основой является элемент Пельтье. Это термоэлектрический модуль, используемый в кулерах для воды и переносных холодильниках, так же его применяют для охлаждения процессора. При подаче на него напряжения, одна сторона охлаждается, а другая нагревается. Мы же наоборот будем греть одну сторону, чтобы получить электричество.
Главный принцип в том чтобы одна сторона нагревалась, а другая оставалась неизменной, для максимальной эффективности нужен перепад температур в 100 градусов по Цельсию.
Приступим!
Нам понадобится:
— Элемент Пельтье, я использовал TEC1-12710
— Не нужный блок питания от компа
Любой, даже тот, который сгорел, и выгорело всё кроме корпуса
— Стабилизатор напряжения
DC-DC Boost Module, Входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе всегда 5В.
— Радиатор (чем больше, тем лучше), желательно с кулером на 5В, т.к. радиатор будет постепенно нагреваться. Зимой это не грозит, так как можно поставить радиатор на лед.
— Термопаста
— Набор инструментов
Модуль TEC1-12710, рассчитан на 10 А (есть меньше, есть больше). Но более мощные будут большего размера. Чем больше сила тока, тем он эффективней и дороже. Я купил в алиэкспресс примерно за 250 руб. У нас в магазинах электроники такой стоит около 1500 руб.
Модуль рассчитан на максимальное напряжение 12В, но столько он не выдает из-за низкого КПД, когда мы используем его в обратном направлении, т.е. на получение тока.
Для того чтобы было стабильно 5 вольт и устройства заряжались безопасно, нужен повышающий стабилизатор. Он начинает выдавать 5 Вольт, когда на элементе Пельтье еще только 1. О том, что всё готово к зарядке, можно узнать по горящему светодиоду на модуле.
Можете собрать свой, я же решил довериться китайцам, они предлагают готовый модуль с USB выходом, за 80 руб. на том же сайте.
Распотрошим наш блок питания. Мне пришлось сделать дополнительные дырки для лучшей циркуляции воздуха (блок питания попался очень уж древний).
Главный принцип в том, чтобы воздух засасывало снизу, и выходил он через верх. Проще говоря, нужно сделать обычную печку. Не забудьте предусмотреть отверстие для подкидывания щепок и подставку под котелок или кружку для кипячения воды, если вам это нужно.
Далее к ровной стенке нужно прикрепить модуль Пельтье с радиатором, предварительно равномерно нанеся термопасту. Чем плотнее контакт, тем лучше. Та сторона, где написана модель – холодная, именно к ней мы прикладываем радиатор. Если вы перепутали, модуль не будет выдавать напряжение, в этом случае нужно просто поменять провода местами.
Припаиваем повышающий преобразователь, и находим, куда его спрятать. Можно вообще оставить его висеть на проводах, но обязательно нужно заизолировать, например, одеть на него термоусадку.
Собираем всё вместе. Вот что должно получиться:
Как это работает?
Закидываем внутрь ветки, щепки, в общем, всё то, что горит. Затем разжигаем. Огонь нагревает стенки печки и элемент Пельтье, который на одной из этих стенок. Другая сторона элемента, которая на радиаторе, остается при уличной температуре. Чем больше разница температур, тем больше мощность, но не переборщите.
Максимальная эффективность достигается уже при разнице в 100 градусов. Со временем радиатор начинает нагреваться, и его нужно будет охлаждать. Можно подбрасывать снег, поливать водой, поставить радиатором на лед или в воду, поставить на него кружку с холодной водой. Вариантов много, самый простой это кулер, он будет забирать часть мощности, но за счет охлаждения общий результат не измениться.
НЕ допускайте воздействие больших температур на элемент, он может перегореть и сгореть. В документации указана максимальная температура 180 °С, но особо беспокоится не стоит, с хорошим охлаждением и на простых дровах ничего с ним не будет.
Если вы не будете ленится и всё правильно сделаете, то получите вот такую простую щепочницу на которой можно подогревать еду, кипятить, воду и одновременно заряжать свои гаджеты.
Её можно использовать дома, если отключили электричество, поставив внутрь свечку. Кстати если подключить к ней светодиоды, но свет будет на много ярче чем от самой свечки.
В любом месте где можно найти что-то горящее, у вас будет электричество, тепло и возможность удобно готовить еду, расходуя меньше горючего по сравнению с костром.
Первые испытания!
Пошел после работы в лес, солнце почти село, хворост мокрый, но печь оправдала себя на 100%.
Результат превзошёл все мои ожидания. Сразу после разгорания щепок, загорелся индикатор, я подключи телефон и он начал заряжаться. Зарядка шла стабильно.
Преобразователь вообще не напрягался. Еще я брал с собой охлаждающую подставку для ноутбука, на ней 2 кулера и светодиоды, должно прилично потреблять. Подключил, всё крутится, светится, ветерок дует. Брал еще USB вентилятор, подключил в конце, когда остались одни угли. Всё отлично крутится, даже не знаю что еще можно попробовать.
Результат:
Всё прекрасно работает выдает свои пол Ампера. Все таки нужен кулер, т.к. за пол часа радиатор нагрелся порядка 40 градусов, летом это будет еще больше. Пускай крутиться себе.
Языки пламени вырываются высоко вверх, мне лично такого костра не надо, буду закрывать часть отверстий, чтобы горело медленней.
Буду делать все по новой, возьму за основу стандартную щепочницу которую делают из консервных банок, но сделаю из метала потолще и прямоугольной формы. Куплю хороший радиатор с кулером подходящей формы и постараюсь сделать разборный вариант, чтобы при переноске занимало меньше места.
Получение питьевой воды с помощью модуля Пельтье
