- Co to jest?
- Urządzenie i zasada działania
- Specyfikacje techniczne
- Znakowanie
- Aplikacja
- Jak się połączyć?
- Jak sprawdzić element Peltiera pod kątem wydajności?
- Jak zrobić element Peltiera własnymi rękami?
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Sprzęt chłodniczy stał się tak mocno zakorzeniony w naszym życiu, że nawet trudno sobie wyobrazić, jak można się bez niego obejść. Ale klasyczne konstrukcje czynników chłodniczych nie nadają się do użytku mobilnego, na przykład jako torba na wędrówki.
W tym celu stosowane są instalacje, w których zasada działania opiera się na efekcie Peltiera. Krótko opowiedz o tym zjawisku.
Co to jest?
Termin ten oznacza zjawisko termoelektryczne odkryte w 1834 roku przez francuskiego przyrodnika Jean-Charlesa Peltiera. Istota efektu polega na uwolnieniu lub absorpcji ciepła w strefie, w której stykają się heterogeniczne przewodniki, przez które przepływa prąd elektryczny.
Zgodnie z klasyczną teorią istnieje następujące wyjaśnienie tego zjawiska: prąd elektryczny przenosi elektrony między metalami, co może przyspieszyć lub spowolnić ich ruch, w zależności od różnicy potencjałów kontaktowych w przewodnikach wykonanych z różnych materiałów. Odpowiednio, wraz ze wzrostem energii kinetycznej, następuje jej przekształcenie w ciepło.
Na drugim przewodzie obserwowany jest proces odwrotny, który wymaga uzupełnienia energii, zgodnie z podstawowym prawem fizyki. Jest to spowodowane fluktuacjami termicznymi, które powodują chłodzenie metalu, z którego wykonany jest drugi przewodnik.
Nowoczesne technologie umożliwiają wytwarzanie elementów półprzewodnikowych o maksymalnym efekcie termoelektrycznym. Warto krótko omówić ich projekt.
Urządzenie i zasada działania
Nowoczesne moduły to konstrukcja składająca się z dwóch płyt-izolatorów (zwykle ceramicznych) z termoparami połączonymi szeregowo między sobą. Uproszczony schemat takiego elementu można znaleźć na poniższym rysunku.
Legenda:
- I - styki do podłączenia do zasilania;
- B jest gorącą powierzchnią elementu;
- C jest stroną zimną;
- D - przewody miedziane;
- Półprzewodnik oparty na złączu E - p;
- F jest półprzewodnikiem typu n.
Konstrukcja jest wykonana w taki sposób, że każda strona modułu styka się z przejściami pn lub np (w zależności od polaryzacji). Styki pn nagrzewają się, np - chłodzą (patrz rys. 3). W związku z tym po bokach elementu występuje różnica temperatur (DT). Dla obserwatora efekt ten będzie wyglądał jak transfer energii cieplnej między bokami modułu. Warto zauważyć, że zmiana polaryzacji mocy prowadzi do zmiany gorącej i zimnej powierzchni.
Specyfikacje techniczne
Charakterystykę modułów termoelektrycznych opisują następujące parametry:
- wydajność chłodnicza (Q max ), ta charakterystyka jest określana na podstawie maksymalnego dopuszczalnego prądu i różnicy temperatur między bokami modułu, mierzona w watach;
- maksymalna różnica temperatur pomiędzy bokami elementu (DT max ), parametr jest podany dla idealnych warunków, jednostką miary są stopnie;
- dopuszczalna siła prądu wymagana do zapewnienia maksymalnej różnicy temperatur - I max ;
- maksymalne napięcie Umax wymagane dla prądu Imax do osiągnięcia różnicy pików DTmax;
- wewnętrzna rezystancja modułu - rezystancja wskazana w omach;
- współczynnik wydajności - COP (skrót od angielskiego - współczynnik wydajności), w rzeczywistości to wydajność urządzenia, pokazująca stosunek chłodzenia do zużycia energii. W przypadku tanich produktów ten parametr mieści się w zakresie 0, 3-0, 35, w przypadku droższych modeli zbliża się do 0, 5.
Znakowanie
Rozważmy, w jaki sposób typowe oznakowanie modułów jest interpretowane na przykładzie z rysunku 4.
Znakowanie dzieli się na trzy znaczące grupy:
- Oznaczenie przedmiotu. Pierwsze dwie litery są zawsze takie same (TE), mówią, że jest to termoelement. Poniżej przedstawiono rozmiar, mogą być litery „C” (standard) i „S” (małe). Ostatnia cyfra wskazuje, ile warstw (kaskad) znajduje się w elemencie.
- Liczba termopar w module pokazanym na zdjęciu wynosi 127.
- Wartość prądu znamionowego w amperach mamy - 6 A.
Oznaczenie innych modeli serii TEC1 jest również odczytywane w ten sam sposób, na przykład: 12703, 12705, 12710 itd.
Aplikacja
Pomimo raczej niskiej wydajności, elementy termoelektryczne są szeroko stosowane w urządzeniach pomiarowych, komputerowych i domowych. Moduły są ważnym elementem roboczym następujących urządzeń:
- mobilne urządzenia chłodnicze;
- małe generatory do wytwarzania energii elektrycznej;
- systemy chłodzenia w komputerach osobistych;
- chłodnice do chłodzenia i ogrzewania wody;
- osuszacze powietrza itp.
Podajmy szczegółowe przykłady wykorzystania modułów termoelektrycznych.
Lodówka Peltiera
Termoelektryczne agregaty chłodnicze są znacznie gorsze pod względem wydajności niż sprężarki i odpowiedniki absorpcyjne. Mają jednak istotne zalety, co sprawia, że wskazane jest ich używanie pod pewnymi warunkami. Korzyści te obejmują:
- prostota projektu;
- odporność na wibracje;
- brak ruchomych części (z wyjątkiem wentylatora nadmuchującego grzejnik);
- niski poziom hałasu;
- małe wymiary;
- zdolność do pracy w dowolnej pozycji;
- długa żywotność;
- niskie zużycie energii.
Te funkcje są idealne do instalacji mobilnych.
Element Peltiera jako generator energii elektrycznej
Moduły termoelektryczne mogą działać jako generatory energii elektrycznej, jeżeli jedna z ich stron jest poddawana wymuszonemu ogrzewaniu. Im większa różnica temperatur między bokami, tym wyższy prąd wytwarzany przez źródło. Niestety maksymalna temperatura termogeneratora jest ograniczona, nie może być wyższa niż temperatura topnienia lutu użytego w module. Naruszenie tego warunku spowoduje awarię elementu.
Do masowej produkcji termogeneratorów należy stosować specjalne moduły z lutem ogniotrwałym, które można podgrzać do temperatury 300 ° C. W zwykłych elementach, na przykład TEC1 12715, limit wynosi 150 stopni.
Ponieważ wydajność takich urządzeń jest niska, są one stosowane tylko w przypadkach, w których nie jest możliwe użycie bardziej wydajnego źródła energii elektrycznej. Niemniej jednak, termogeneratory 5-10 W są poszukiwane przez turystów, geologów i mieszkańców odległych obszarów. Duże i mocne instalacje stacjonarne działające z paliwa wysokotemperaturowego służą do zasilania urządzeń do dystrybucji gazu, wyposażenia stacji meteorologicznych itp.
Chłodzić procesor
Stosunkowo niedawno moduły te zaczęto stosować w systemach chłodzenia procesorów komputerów osobistych. Biorąc pod uwagę niską wydajność termoelementów, korzyści z takich konstrukcji są raczej wątpliwe. Na przykład, aby schłodzić źródło ciepła o pojemności 100-170 W (odpowiada to większości nowoczesnych modeli procesorów), trzeba wydać 400–680 W, co wymaga zainstalowania mocnego źródła zasilania.
Druga pułapka - nieobciążony procesor wytwarza mniej ciepła, a moduł może go schłodzić poniżej punktu rosy. W rezultacie zacznie się tworzyć kondensat, co gwarantuje wyłączenie elektroniki.
Ci, którzy zdecydują się stworzyć taki system na własną rękę, będą musieli przeprowadzić serię obliczeń dotyczących wyboru mocy modułu dla konkretnego modelu procesora.
W związku z powyższym korzystanie z tych modułów jako systemu chłodzenia procesora nie jest opłacalne, a ponadto może spowodować awarię sprzętu komputerowego.
Inaczej jest w przypadku urządzeń hybrydowych, gdzie moduły termiczne są używane w połączeniu z chłodzeniem wodą lub powietrzem.
Hybrydowe systemy chłodzenia okazały się skuteczne, ale wysoki koszt ogranicza zasięg ich wielbicieli.
Klimatyzator Peltiera
Teoretycznie takie urządzenie byłoby konstruktywnie znacznie prostsze niż klasyczne systemy klimatyzacji, ale wszystko sprowadza się do niskiej wydajności. Chłodzenie niewielkiej objętości komory chłodniczej to jedna rzecz, inną rzeczą jest umieszczenie lub umieszczenie w samochodzie. Klimatyzatory na modułach termoelektrycznych zużywają więcej (3-4 razy) energii elektrycznej niż urządzenia pracujące na czynniku chłodniczym.
Jeśli chodzi o wykorzystanie klimatyzacji jako systemu samochodowego, moc standardowego generatora nie wystarczy do obsługi takiego urządzenia. Zastąpienie go bardziej wydajnym sprzętem doprowadzi do znacznego zużycia paliwa, co nie jest opłacalne.
Dyskusje na ten temat pojawiają się okresowo na forach tematycznych i rozważane są różne domowe projekty, ale nie utworzono jeszcze pełnowartościowego działającego prototypu (nie licząc odżywki dla chomika). Możliwe, że sytuacja ulegnie zmianie, gdy moduły o bardziej akceptowalnej wydajności pojawią się w szerokim dostępie.
Do wody chłodzącej
Element termoelektryczny jest często używany jako chłodnica do chłodnic wody. Projekt obejmuje: moduł chłodzący, kontroler sterowany termostatem i grzejnik. Taka implementacja jest znacznie prostsza i tańsza niż obwód sprężarki, poza tym jest bezpieczniejsza i łatwiejsza w obsłudze. Ale są pewne wady:
- woda nie jest chłodzona poniżej 10-12 ° C;
- chłodzenie trwa dłużej niż odpowiednik sprężarki, dlatego taka chłodnica nie nadaje się do biura z dużą liczbą pracowników;
- urządzenie jest wrażliwe na temperaturę zewnętrzną, w ciepłym pomieszczeniu woda nie będzie chłodzona do temperatury minimalnej;
- Instalacja w zakurzonych pomieszczeniach nie jest zalecana, ponieważ wentylator może się zatkać i moduł chłodzący ulegnie awarii.
Osuszacz powietrza Peltiera
W przeciwieństwie do klimatyzatora, realizacja osuszacza powietrza na elementach termoelektrycznych jest całkiem możliwa. Projekt jest dość prosty i niedrogi. Moduł chłodzący obniża temperaturę grzejnika poniżej punktu rosy, w wyniku czego osiada na nim wilgoć zawarta w powietrzu przechodzącym przez urządzenie. Strącona woda jest kierowana do specjalnego zbiornika.
Pomimo niskiej wydajności, w tym przypadku wydajność urządzenia jest całkiem zadowalająca.
Jak się połączyć?
Nie będzie problemów z podłączeniem modułu, konieczne jest przyłożenie stałego napięcia do przewodów wyjściowych, jego wartość jest wskazana w elemencie danych. Czerwony przewód musi być podłączony do plusa, czarny - do minusa. Uwaga! Odwrócenie polaryzacji zamienia ochłodzone i nagrzane powierzchnie.
Jak sprawdzić element Peltiera pod kątem wydajności?
Najłatwiejszy i najbardziej niezawodny sposób jest dotykowy. Konieczne jest podłączenie modułu do odpowiedniego źródła napięcia i dotknięcie jego różnych stron. Element roboczy będzie miał jeden z nich cieplejszy, a drugi chłodniejszy.
Jeśli nie masz odpowiedniego źródła, będziesz potrzebować multimetru i zapalniczki. Proces weryfikacji jest dość prosty:
- łączymy sondy z wnioskami modułu;
- przenieś zapaloną zapalniczkę na jedną ze stron;
- obserwuj odczyty instrumentu.
W module roboczym, podczas ogrzewania jednej ze stron, generowany jest prąd elektryczny, który jest wyświetlany na tablicy przyrządów.
Jak zrobić element Peltiera własnymi rękami?
Niemożliwe jest stworzenie domowego modułu w domu, tym bardziej, że nie ma sensu, biorąc pod uwagę jego stosunkowo niski koszt (około 4-10 $). Ale możesz zmontować urządzenie, które będzie przydatne w kampanii, na przykład generator termoelektryczny.
Aby ustabilizować napięcie, konieczne jest zamontowanie prostego konwertera na chipie IC L6920.
Wejście takiego konwertera jest zasilane napięciem w zakresie 0, 8-5, 5 V, na wyjściu wytwarza stabilne napięcie 5 V, co wystarcza do ładowania większości urządzeń mobilnych. Jeśli używany jest zwykły element Peltiera, konieczne jest ograniczenie zakresu temperatury roboczej strony ogrzewanej do 150 ° C. Aby nie przeszkadzać w śledzeniu, lepiej jest użyć czajnika z wrzącą wodą jako źródła ciepła. W tym przypadku element ma gwarancję, że nie nagrzeje się powyżej 100 ° C