Явление возникновения термо-ЭДС было открыто немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком в далеком в 1821 году. А заключается это явление в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из соединенных последовательно разнородных проводников, при условии что их контакты находятся в условиях различных температур, возникает ЭДС.
Данный эффект, названный по имени его первооткрывателя эффектом Зеебека, называют теперь просто термоэлектрическим эффектом .
Если цепь состоит всего из пары разнородных проводников, то такая цепь называется . В первом приближении можно утверждать, что величина термо-ЭДС зависит лишь от материала проводников и от температур холодного и горячего контактов. Таким образом, в небольшом интервале температур термо-ЭДС пропорциональна разности температур холодного и горячего контактов, а коэффициент пропорциональности в формуле называется коэффициентом термо-ЭДС.
Так например, при разности температур в 100°С, при температуре холодного контакта 0°С, пара медь-константан обладает термо-ЭДС величиной в 4,25мВ.
Между тем, термоэлектрический эффект имеет в своей основе три составляющих:
Первый фактор — различие у разных веществ зависимости средней энергии электронов от температуры. В результате, если при нагреве проводника на одном его конце температура выше, то там электроны приобретают большие скорости, чем электроны на холодном конце проводника.
Кстати, у полупроводников с нагревом растет и концентрация электронов проводимости. Электроны с высокой скоростью устремляются к холодному концу, и там происходит накопление отрицательного заряда, а на горячем конце получается нескомпенсированный положительный заряд. Так возникает составляющая термо-ЭДС, называемая объемной ЭДС.
Второй фактор — у разных веществ контактная разность потенциалов зависит от температуры по-разному. Это связано с различием энергии Ферми у каждого из проводников, сведенных в контакт. Контактная разность потенциалов, возникающая при этом, оказывается пропорциональной разности энергий Ферми.
Получается электрическое поле в тонком приконтактном слое, причем разность потенциалов с каждой стороны (у каждого из сведенных в контакт проводников) будет одинаковой, и при обходе цепи по замкнутому контуру, результирующее электрическое поле будет равно нулю.
Но если температура одного из проводников будет отличаться от температуры другого, то в связи с зависимостью энергии Ферми от температуры, изменится и разность потенциалов. В результате возникнет контактная ЭДС — вторая составляющая термо-ЭДС.
Третий фактор — фононное увеличение ЭДС . При условии, что в твердом теле имеет место температурный градиент, количество фононов (фонон - квант колебательного движения атомов кристалла), движущихся в направлении от горячего конца к холодному будет преобладать, в результате чего вместе с фононами большое количество электронов будет увлекаться в сторону холодного конца, и там станет накапливаться отрицательный заряд, пока процесс не придет в равновесие.
Это дает третью составляющую термо-ЭДС, которая в условиях низких температур может в сотни раз превосходить две упомянутые выше составляющие.
В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье открыл обратный эффект. Он обнаружил, что при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников выделяется или поглощается тепло.
Количество поглощаемого или выделяемого тепла связано с видом спаянных веществ, а также с направлением и величиной протекающего через спай электрического тока. Коэффициент Пельтье в формуле численно равен коэффициенту термо-ЭДС, умноженному на абсолютную температуру. Это явление известно теперь как .
В сути эффекта Пельтье в 1838 году разобрался русский физик Эмилий Христианович Ленц. Он экспериментально проверил эффект Пельтье, поместив каплю воды на место спая образцов сурьмы и висмута. Когда Ленц пропускал через цепь электрический ток, вода превращалась в лед, но когда ученый изменил направление тока на противоположное, лед быстро растаял.
Ученый установил таким образом, что при протекании тока не только выделялось джоулево тепло, но происходило также поглощение или выделение дополнительного тепла. Это дополнительное тепло получило название «тепло Пельтье».
Физическая основа эффекта Пельтье заключается в следующем. Контактное поле в месте спая двух веществ, созданное контактной разностью потенциалов, либо препятствует прохождению пропускаемого через цепь тока, либо способствует ему.
Если ток пропускается против поля, то требуется работа источника, который должен затратить энергию на преодоление контактного поля, в результате чего и происходит нагрев места спая. Ежели ток направлен так, что контактное поле поддерживает его, то работу совершает контактное поле, и энергия отнимается у самого вещества, а не расходуется источником тока. В результате вещество в месте спая охлаждается.
Наиболее выразителен эффект Пельтье у полупроводников, благодаря чему стали возможными модули Пельтье или термоэлектрические преобразователи .
В основе элемента Пельтье два полупроводника, контактирующие между собой. Эти полупроводники отличаются энергией электронов в зоне проводимости, поэтому при протекании тока через место контакта, электроны вынуждены приобретать энергию, чтобы смочь перейти в другую зону проводимости.
Так, при перемещении в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника, электроны поглощают энергию, охлаждая место перехода. При обратном направлении тока электроны отдают энергию, и происходит нагрев дополнительно к джоулеву теплу.
Полупроводниковый модуль Пельтье состоит из нескольких пар , имеющих форму маленьких параллелепипедов. Обычно в качестве полупроводников используют теллурид висмута и твердый раствор кремния и германия. Полупроводниковые параллелепипеды соединены между собой попарно медными перемычками. Эти перемычки служат контактами для теплообмена с керамическими пластинками.
Перемычки расположены так, что с одной стороны модуля только перемычки обеспечивающие переход n-p, а с другой стороны — только перемычки обеспечивающие переход p-n. В результате, при подаче тока, одна сторона модуля нагревается, другая — охлаждается, а если полярность питания сменить на противоположную, то сторона нагрева и охлаждения соответственно поменяются местами. Таким образом, при прохождении тока происходит перенос тепла с одной стороны модуля на другую, и возникает разность температур.
Если теперь одну сторону модуля Пельтье нагревать, а другую охлаждать, то в цепи возникнет термо-ЭДС, то есть будет реализован эффект Зеебека. Очевидно, эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) и эффект Пельтье — две стороны одной медали.
Сегодня можно легко приобрести модули Пельтье по относительно доступной цене. Наиболее популярны модули Перьтье типа ТЕС1-12706, содержащие 127 термопар, и рассчитанные на питание 12 вольт.
При максимальном потреблении в 6 ампер, достижима разница температур в 60°С, при этом заявляемый производителем безопасный диапазон рабочих температур — от -30°С до +70°С. Размер модуля 40мм х 40мм х 4мм. Модуль может работать как в режиме охлаждения-нагревания, так и в .
Есть и более мощные модули Пельтье, например TEC1-12715, рассчитанный на 165 Вт. При питании напряжением от 0 до 15,2 вольт, с силой тока от 0 до 15 ампер, данный модуль способен развить разность температур в 70 градусов. Размер модуля также 40мм х 40мм х 4мм, однако диапазон безопасных рабочих температур шире - от -40°С до +90°С.
В таблице ниже приведены данные по модулям Пельтье, широко доступным сегодня на рынке:
Андрей Повный
Элементом Пельтье принято называть преобразователь, который способен работать от разности температур. Происходит это путем протекания электрического тока по проводникам через контакты. Для этого в элементах предусмотрены специальные пластины. Тепло от одной стороны переходит в другую.
На сегодняшний день указанная технология является востребованной в первую очередь из-за значительной мощности теплоотдачи. Дополнительно устройства способны похвастаться компактностью. Радиаторы для многих моделей устанавливаются слабенькие. Связано это с тем, что тепловой поток довольно быстро остывает. В результате нужная температура поддерживается постоянно.
Подвижных частей указанный элемент не имеет. Работают устройства абсолютно бесшумно, и это является несомненным преимуществом. Также следует сказать, что эксплуатироваться они способны очень долго, а случаи поломок возникают крайне редко. Самый простой тип состоит из медных проводников с контактами и соединительными проводами. Дополнительно с охлаждающей стороны имеется изолятор. Изготовляют его, как правило, из керамики или
Зачем нужны элементы Пельтье?
Элементы Пельтье чаще всего используются для изготовления холодильников. Обычно речь идет о компактных моделях, которые могут применяться, к примеру, автомобилистами в дороге. Однако на этом область применения устройств не подходит к концу. В последнее время элементы Пельтье активно начали устанавливать в звуковую, а также акустическую технику. Там они способны выполнять функции куллера.
В результате охлаждение усилителя устройства происходит без какого-либо шума. Для портативных компрессоров элементы Пельтье являются незаменимыми. Если говорить о научной отрасли, то ученые применяют данные устройства для охлаждения лазера. При этом можно добиться значительной стабилизации волны изучения у светодиодов.
Недостатки моделей Пельтье
Казалось бы, такое простое и эффективной устройство лишено недостатков, однако они имеются. В первую очередь специалисты сразу отметили малую пробивную способность модуля. Это говорит о том, что у человека возникнут определенные проблемы, если он захочет охладить прибор, который работает от сети с напряжением 400 В. В данном случае частично поможет решить эту проблему специальная диэлектрическая паста. Однако пробой тока все равно будет высоким и обмотка элемента Пельтье может не выдержать.
Дополнительно указанные модели не советуют применять для точной электроники. Поскольку в конструкции элемента имеются металлические пластины, то чувствительность транзисторов может нарушаться. Последним недостатком элемента Пельтье можно назвать малый коэффициент полезного действия. Достигнуть значительной разности температур указанные устройства не способны.
Модуль для регулятора
Сделать элемент Пельтье своими руками для регулятора довольно просто. Для этого следует заранее заготовить две металлические пластины, а также проводку с контактами. В первую очередь для установки готовят проводники, которые будут располагаться у основания. Обычно их закупают с маркировкой "РР".
Дополнительно для нормального контроля температуры следует предусмотреть полупроводники на выходе. Они необходимы для того, чтобы быстро отдавать тепло на верхнюю пластину. Для установки всех элементов следует использовать паяльник. Чтобы доделать элемент Пельтье своими руками, в последнюю очередь подсоединяют два провода. Первый монтируется у нижнего основания и фиксируется у крайнего проводника. Соприкосновения при этом с пластиной следует избегать.
Далее крепят второй провод у верней части. Фиксация осуществляется также к крайнему элементу. Для того чтобы проверить работоспособность устройства, применяют тестер. Для этого два провода нужно подсоединить к прибору. В результате отклонение напряжения должно составить примерно 23 В. В данной ситуации многое зависит от мощности регулятора.
Холодильники с терморезистором
Как сделать элемент Пельтье своими руками для холодильника с терморезистором? Отвечая на этот вопрос, важно отметить, что пластины для него подбираются исключительно из керамики. При этом проводников используется около 20 штук. Это необходимо для того, чтобы перепад температуры был более высоким. Повысить можно до 70 %. В данном случае важно рассчитать
Сделать это можно исходя из мощности оборудования. Холодильник на жидком фреоне в этом случае походит идеально. Непосредственно элемент Пельтье устанавливается возле испарителя, который располагается рядом с мотором. Для его монтажа потребуется стандартный набор инструментов, а также прокладки. Они необходимы для того, чтобы оградить модель от пускового реле. Таким образом, охлаждение нижней части устройства будет происходить намного быстрее.
Чтобы добиться получения разницы в температурах (эффект Пельтье) своими руками, проводников может понадобиться не менее 16 штук. Главное при этом - надежно изолировать провода, которые будут подключаться к компрессору. Для того чтобы сделать все правильно, нужно в первую очередь отсоединить осушитель холодильника. Только после этого есть возможность соединить все контакты. По завершении установки предельное напряжение следует проверить при помощи тестера. При нарушении работы элемента в первую очередь страдает терморегулятор. В некоторых случая происходит его
Модель для холодильника 15 В
Делается холодильник Пельтье своими руками с малой Крепятся модули в основном возле радиаторов. Для того чтобы надежно их закрепить, специалисты используют уголки. К фильтру элемент не должен прислоняться, и это следует учитывать.
Чтобы доделать термоэлектрический модуль Пельтье своими руками, нижнюю пластину в основном выбирают из нержавеющей стали. Проводники, как правило, применяются с маркировкой "ПР20". Нагрузку они максимум способны выдерживать на уровне 3 А. Максимальное отклонение температуры способно достигать 10 градусов. В этом случае коэффициент полезного действия может составлять 75 %.
Элементы Пельтье в холодильниках 24 В
Используя элемент Пельтье, холодильник своими руками сделать можно только из проводников с хорошей герметизацией. При этом они для охлаждения должны укладываться в три ряда. Рабочий ток в системе обязан поддерживаться на уровне 4 А.. Проверить его можно при помощи обычного тестера.
Если использовать керамические пластины для элемента, то максимального отклонения температуры можно добиться в 15 градусов. Провода к конденсатору устанавливаются только после того, как будет подложена прокладка. Закрепить ее на стенке устройства можно разными способами. Главное в данной ситуации - не использовать клей, который чувствителен к температурам свыше 30 градусов.
Элемент Пельтье для автомобильного охладителя
Чтобы сделать качественный автохолодильник своими руками, Пельтье (модуль) подбирается с пластиной, толщина которой не более 1.1 мм. Провода лучше всего использовать немодульного типа. Также для работы потребуются медные проводники. Их пропускная способность должна составлять не менее 4А.
Таким образом, максимальное температурное отклонение будет доходить до 10 градусов, это считается нормальным. Проводники чаще всего используют с маркировкой "ПР20". Они в последнее время показали себя более стабильными. Также они подходят для различных контактов. Для соединения устройства с конденсатором используют паяльник. Качественная установка возможна только на блок реле прокладку. Перепады в данном случае будут минимальными.
Как сделать элемент для кулера питьевой воды?
Для фиксации их можно воспользоваться обычными гаечками. Появление излишнего шума при эксплуатации говорит том, что устройство работает не должным образом. В данном случае необходимо проверит целостность проводки. Также нужно осмотреть проводники.
Элемент Пельтье для кондиционера
Чтобы качественно сделать элемент Пельтье своими руками для кондиционера, пластины используют двойные. Минимальная их толщина должна составлять не менее 1 мм. В таком случае можно надеяться на температурное отклонение в 15 градусов. Производительность кондиционеров после оснащения модулей в среднем увеличивается на 20 %. Многое в данной ситуации зависит от температуры окружающей среды. Также следует учитывать стабильность напряжения от сети. При небольших помехах нагрузка устройством выдерживается примерно 4 А.
При пайке проводников их следует размещать не слишком близко друг к другу. Чтобы правильно доделать модули Пельтье своими руками, входные и выходные контакты надо устанавливать только на одну из двух пластин. В таком случае прибор получится более компактным. Грубой ошибкой в данной ситуации будет подключать модуль непосредственно к блоку. Это приведет к неминуемой поломке элемента.
Установка модуля на конденсатор
Чтобы установить модуль Пельтье своими руками, важно оценить мощность конденсатора. Если она не превышает 20 В, то элемент следует монтировать с проводниками, на которых указана маркировка "ПР30" или "ПР26". Для того чтобы закрепить модуль Пельтье (элемент) своими руками на конденсаторе, используют маленькие металлические уголки.
Лучше всего их устанавливать по четыре на каждую из сторон. По производительности конденсатор, в конечном счете, способен прибавить плюс 10 %. Если говорить о теплопотерях, то они будут незначительными. Коэффициент полезного действия прибора в среднем равняется 80 %. Для высоковольтных конденсаторов модули не рассчитаны. В данном случае не поможет даже большое количество проводников.
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.
Ну чтож, все графики начерчены, все таблицы заполнены, теперь можно и помечтать. В целом если прикидывать энергопотребление в походе по максимуму, то получается следующее:
GPS-навигатор - 0,3 Вт х 10 ч = 3 Вт*ч в день;
фотоаппарат (зеркалка Canon) - аккумулятор 8 Вт*ч на 4 дня = 2 Вт*ч в день;
видеокамера (видеорегистратор для запечатления интересных моментов поездки, около 1 часа видео в день) - 1,6 Вт*ч в день;
сотовый телефон - около 0,2 Вт*ч в день;
светодиодный фонарик для подсвечивания стоянки вечером - 2 Вт*ч в день.
Итого получаем: 3 + 2 + 1,6 + 0,2 + 2 = 8,8 Вт*ч в сутки. С учётом потерь при зарядке аккумуляторов этих устройств и непредвиденные траты можно с лёгкостью округлить эту цифру до 10 Вт*ч в сутки, что приблизительно равно трём NiMH аккумуляторам формфактора АА (по 3,2 Вт*ч). Будем считать, что именно это количество электроэнергии позволяет комфортно путешествовать по ранее запланированному маршруту не ограничивая свои творческие позывы. Этот расчёт более-менее верен для одиночной вылазки или группы из двух человек. Если народу больше, то тут на каждого добавляется дополнительный потребитель, будь то сотовый или ещё один фотоаппарат. Я думаю что на каждого "лишнего" участника можно смело прибавлять по 1 Вт*ч, то есть для группы из 6-ти человек комфортный уровень энергопотребления составит 14 Вт*ч или около 4,5 аккумулятора АА. Предположим что поход длиться 10 дней, то для группы из 2-х человек понадобится 100 Вт*ч энергии, это 31 NiMH аккумулятор общей массой 31 х 31,5 = 976,5 г. То есть почти 1 кг аккумуляторов. Если брать щелочные батарейки, то самые лучшие отдают 2,2 Вт*ч и их потребуется 45 штук. Массу их не знаю, но даже если они по 25 г, то в сумме уже больше килограмма набирается. Для группы из 6-ти человек общее количество электроэнергии составляет 140 Вт*ч, это почти 44 аккумулятора массой 1386 г или 64 батарейки ещё большей массой. Если брать с собой LiPo аккумуляторы, какие используют моделисты, то для двух человек это будет аккумулятор массой 100 Вт*ч ÷ 160 Вт*ч/кг = 0,625 кг или 625 г. Для группы из 6-ти человек масса LiPo аккумулятора составит 875 г.
Теперь прикинем как обстоят дела с термогенератором. Допустим у нас модуль (или модули) ТЕС1-12709, греем его не выше 150 °С, охлаждаем в ручье с температурой 15 °С, то есть на холодной стороне будет 20 °С, перепад температур 150 - 20 = 130 °С. Для такого значения разности температур у меня нет показателя эффективности, придётся считать. Берём два максимальных значения на графике зависимости эффективности от тока для ТЕС1-12709, например 13,6 мВт/°С для усреднённой разности температур 71 °С и 15,7 мВт/°С для 87 °С и рассчитываем на какую величину увеличилась эффективность при повышении разности температур на 87 - 71 = 16 °С. Получается на 2,1 мВт/°С. А дальше по пропорции: если увеличение разности в 16 °С привело к увеличению эффективности на 2,1 мВт/°С, то увеличение разности на 130 - 87 = 43 °С приведёт к увеличению эффективности на (43 х 2,1) ÷ 16 = 5,6 мВт/°С. Значит эффективность при разности температур в 130 °С будет равна 15,7 + 5,6 = 21,3 мВт/°С. В итоге получаем 21,3 х 130 = 2769 мВт или 2,8 Вт. Это довольно близкое к реальности значение если судить по тому, что в некоторых видеоэкспериментах два модуля выдавали 4...6 Вт. Чтобы с помощью одного модуля получить 10 Вт*ч энергии, надо чтобы генератор работал 10 ÷ 2,8 = 3,57 ч, а для 14 Вт*ч - 5 часов. То есть если использовать термогенератор состоящий из 2-х элементов Пельтье, то выработка электроэнергии даже для большой группы не занимает очень много времени.
Единственная серьёзная проблема, возникающая при производстве электричества в походе этим методом - это рассеяние тепла на холодной стороне. Самый лучший и оптимальный - водяное охлаждение, так как вода имеет большую теплоёмкость. В этом плане водным туристам повезло больше, чем велосипедистам: у них способ передвижения связан именно с водой и если продумать конструкцию генератора (очень странно, почему она до сих пор не продумана и не реализована в промышленных объёмах), то выработка электроэнергии у них может происходить во время движения. Генератор частично погружён в воду, частично плавает на поверхности. В печь по мере расходования подгружается топливо, снаружи это всё охлаждается водой. Топливо собирается и готовиться на привале.
Если заморачиваться с собиранием дров и сосновых шишек не
хочется, то можно подумать над конструкцией газовой печи. Тут стоит немного посчитать. Итак, имеем:
баллон сжиженного газа для газовых горелок с топливом массой 450 г.;
состав: изобутан - 72%, пропан - 22%, бутан - 6%, в пересчёте на массу это 324 г, 99 г и 27 г соответственно;
теплоты сгорания для этих газов равны соответственно 49,22 МДж/кг, 48,34 Мдж/кг и 49,34 МДж/кг.
После умножения и сложения имеем 22,07 МДж в одном баллоне сжиженного газа. Принимаем КПД нашего генератора равное 1%, следовательно получаем в качестве электроэнергии 220 кДж, что составляет 61,3 Вт*ч. С чем можно сравнить? Ну например с 19-тью NiMH аккумуляторами АА. Не густо и довольно накладно, газ не дешёв.
Раз использовать газ дорого, то можно придумать что-то с использованием жидкого топлива, например бензина. Я немного порылся в интернете на предмет дешёвого катализатора для каталитических горелок, но кроме оксида хрома (VI), полученного из бихромата аммония ничего не нашёл. Да и с ним не всё так гладко, но при желании, путём некоторого количества экспериментов можно и тут добиться стабильных положительных результатов. В каталитических грелках китайского производства скорее всего используются элементы платиновой группы в микроколичествах. Вот бы катализатор как в этой грелке, но большего размера для элементов Пельтье. Получился бы компактный и лёгкий генератор. Теплота сгорания бензина 44,5 МДж/кг, плотность 0,74 кг/л, с одного литра бензина имеем 33 МДж энергии, при 1%-ном КПД это 330 кДж или 91,6 Вт*ч электроэнергии (28 аккумуляторов АА). Более бюджетный вариант, но всё таки собирать и заготавливать имеющееся в природе бесплатное
топливо естественно выгоднее, и у него нет одной очень неприятной особенности, присущей тем запасам, которые покупаются в магазине - оно не заканчивается в самый неподходящий момент.
Количество электронных устройств в мире постоянно растет как снежный ком. Все они потребляют электроэнергию, и людям приходится постоянно возить и носить с собой аккумуляторы или вырабатывать ее на громоздких устройствах. В качестве не так давно стали применяться модули Пельтье - элементы, образующие электрический ток при создании разности температур на их противоположных сторонах.
Эффекты Пельтье и Зеебека
Несмотря на то что почти 2 века назад был создан первый элемент Пельтье, принцип работы нашел применение только сейчас, когда появились подходящие материалы и необходимость в использовании. Он заключается в тепловыделении на контакте разнородных проводников, когда по ним протекает электрический ток. При изменении полярности место контакта начинает охлаждаться. Процесс обратимый: при искусственном поддерживании разности температуры на контактах проводников в их цепи протекает электрический ток (эффект Зеебека).
На базе двух термоэлектрических эффектов создали модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя параллельными керамическими пластинами в виде разнородных проводников. Проходящий ток через контакт проводников одинаков, а энергетические потоки в каждом из них различаются. Когда энергии в контакт поступает больше, чем вытекает из него, это значит, что электроны затормаживаются в переходной области, вызывая ее разогрев. При изменении полярности электроны ускоряются, забирая энергию у кристаллической решетки, что вызывает ее охлаждение.
Особенно активно эффект Пельтье проявляется на границах полупроводниковых элементов, где наиболее высокие энергетические процессы.
Термоэлектрический модуль
Элементы Пельтье применение нашли в устройстве, состоящем из множества полупроводников p и n типов. В отличие от транзисторов и диодов, переходные области находятся на границе металла с полупроводником. В модуле Пельтье элементы в большом количестве располагаются между керамическими пластинами, что позволяет сделать устройство мощней.
Каждый элемент содержит 4 перехода на контакте полупроводник-металл. Когда электрическая цепь замкнута, электроны перемещаются от минуса батареи питания к плюсу, проходя через все переходы.
На первом переходе термоэлектрического модуля (ТЭМ) между медной шиной и р-полупроводником в последнем выделяется тепло, так как поток зарядов попадает в область с меньшей энергией.
На другом контакте в полупроводнике поглощается энергия, поскольку электроны "высасываются" электрическим полем, совпадающим с направлением их движения. Там происходит процесс охлаждения.
На третьем контакте энергия электронов поглощается, поскольку полупроводник типа n имеет энергию больше, чем металл.
На четвертом переходе выделяется тепло, так как электроны снова тормозятся электрическим полем.
Таким образом, на одной стороне выделяется тепло, а другая - охлаждается. На одном элементе это явление будет незаметно, но модуль Пельтье, элементы которого располагаются между двумя керамическими пластинами, создает значительный температурный перепад.
Модуль можно применять как генератор электроэнергии, если поддерживать разную температуру пластин. При этом каждый термоэлектрический элемент Пельтье последовательно подключается к соседнему через медные перемычки, и токи их суммируются.
Достоинства и недостатки
Преимущества ТЭМ:
- небольшие размеры;
- обратимость процесса;
- применение как электрогенератора или холодильника.
К недостаткам ТЭМ относят высокую стоимость, низкий КПД (не более 3 %), высокие энергозатраты и необходимость поддерживания разности температур.
Холодильник из модуля Пельтье
Элемент Пельтье для охлаждения процессора эффективнее стандартных элементов. При этом последние остаются, но применяются только для вывода тепла из замкнутого пространства компьютера.
При их конструировании в качестве охладителя электронных средств нужно учитывать следующие особенности.
- Мощность напрямую связана с размерами модуля. Небольшие устройства не создадут требуемый уровень охлаждения. Например, они не обеспечат нормальный температурный режим процессора. Слишком мощный модуль вызывает появление влаги, являющейся причиной коротких замыканий в электронике, поскольку расстояния между токопроводящими элементами на печатных платах незначительны.
- Модули Пельтье сами нуждаются в охлаждении с помощью вентиляторов и радиаторов, поскольку они выделяют много тепла. Это необходимо для снижения температуры в замкнутом пространстве компьютера и нормализации условий работы других элементов.
- Модуль Пельтье является дополнительной нагрузкой в блоке питания.
- Холодильник после выхода из строя является изолятором между радиатором и охлаждаемым элементом, что может привести к быстрому выходу последнего из строя от перегрева.
- Современные процессоры могут изменять потребление энергии при работе, что благоприятно влияет на тепловой баланс, но не всегда при применении модулей Пельтье. Простейшие холодильники рассчитаны на непрерывную работу, и их не рекомендуется использовать вместе с программами охлаждения.
Выделение тепла
Холодильный эффект у ТЭМ небольшой, а тепла он выделяет много. Когда его применяют в системном блоке, внутри значительно повышается температура, влияющая на работу остального оборудования. Дополнительными средствами для ее снижения служат вентиляторы и радиаторы, создающие тепловой выхлоп.
Тепловой режим модуля нужно правильно рассчитать, чтобы не было перегрева и не образовывался конденсат на электронных платах. Кулер Пельтье выбирается с оптимальной мощностью, где важно обеспечить правильное соотношение температуры внутри корпуса, объекта охлаждения и влажностью воздуха.
Элемент Пельтье: характеристики
ТЭМ выбирается по термоэлектрическим параметрам.
Расчет мощности состоит в следующем.
- Выбирается максимально допустимое напряжение U max (V) и по графику зависимости U(I) находят максимальную силу тока I max (A), который протекает через модуль Пельтье. Здесь важно, чтобы его значение находилось в пределах роста зависимости температурного перепада от тока dT(I) = T h - T с.
- По установленной величине I выбирается характеристика dT(Q), где Q - тепловая мощность охлаждаемого элемента.
- По известным значениям dT и T h определяется T с = T h - dT.
Характеристики dT(Q) показывают, что с ростом выделяемой тепловой мощности снижается разность dT. Ее можно сделать больше, если увеличить силу тока через модуль, которая, в свою очередь, должна быть ограничена.
Пример расчета
Исходные данные: U = 12 В, Q с = 60 Вт и T h = 50 °C.
При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим ток I = 5 А.
Для силы тока 5 А разница температур dT = 4 К. Тогда T с = T h - dT = 50 - 4 = 46 °C.
Взяв более мощный модуль, можно увеличить dT. Для модуля на 131 Вт, где I max = 8,5 А, U max = 28,8 В и объекта с мощностью теплообразования 60 Вт разность температур составит 40 °C. Тогда T с = 50 - 40 = 10 °C.
Выбирая по мощности ТЭМ, не следует забывать о том, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами. Когда традиционные средства не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.
Кондиционер
Кондиционер на элементах Пельтье по эффективности пропорционален своим размерам. Его принцип действия и преимущества те же самые, что и у холодильника. Проблемой является отвод тепла за пределы охлаждаемого пространства.
Для кондиционера требуются 2 кулера, где один из них отводит холодный воздух, а другой - горячий. в автомобиле служит аккумулятор, а для комнаты подойдет старый БП от персонального компьютера.
Одного модуля для работы устройства будет мало. Обычно применяются несколько элементов, склеенных между собой термопастой.
Холодильник своими руками
Эффект Пельтье применяется при создании портативных холодильников. Модуль можно купить за 300-500 руб., а радиатор с вентилятором берется от старого компьютера. В качестве контейнера можно использовать любую пластиковую, фанерную или металлическую емкости, оклеенные снаружи и изнутри теплоизолирующими пластинами (пенопласт, пеноплекс и т. п.) с отражающими слоями из алюминиевой фольги.
Модуль Пельтье удобней встраивать в крышку, но можно и в стенку корпуса. Если он располагается в верхней части емкости, холод перемещается вниз, обеспечивая равномерную температуру внутри.
Изнутри к модулю приклеивается на термопасту радиатор, который также крепится к крышке. Можно приклеить два модуля друг к другу, но при этом нельзя путать полярность. Горячая сторона нижнего элемента должна контактировать с холодной верхнего. Эффективность охлаждения при этом увеличится.
Снаружи к модулю приклеивается радиатор с вентилятором от кулера компьютера, а также дополнительно крепится к крышке саморезами или винтами. Крепеж с горячей и холодной сторон должен быть друг от друга изолирован, а шляпки залиты термоклеем.
Важно! Затяжку крепежа радиаторов нужно делать аккуратно, чтобы не треснули керамические пластины модулей.
Изнутри на крышку устанавливается теплоизолирующая прокладка. Чтобы улучшить теплоизоляцию, элементы с торцов закрываются рамкой из теплоизола.
Электрика подключается к блоку питания.
Электрогенераторы из модулей Пельтье
Элемент Пельтье, принцип работы которого обратим, применяется для создания миниэлектростанций в условиях отсутствия источников электроэнергии. Для сборки ТЭГ нужны элементы:
- Модуль Пельтье, способный выдержать температуру от 300 °C. Распространены модели ТЕС-12712 с размерами сторон квадратных пластин 40, 50 и 60 мм. Если выбрать изделие максимального размера, достаточно одного элемента для подзарядки мобильного телефона. Максимальный ток показывают две последние цифры маркировки - 12 а.
- Повышающий преобразователь. Генератор может не обеспечить нужное напряжение, и его следует увеличить. Чтобы заряжать гаджеты, следует подобрать устройство с разъемом USB.
- Нагреватель и охладитель. Для походных условий или дачи подходит источник огневого подогрева: самодельная печка, лампа, свеча, костер. Современным решением является каталитический нагреватель, что позволяет производить подзарядку мобильника на ходу. Для охлаждения можно использовать воздух или воду.
- Конструкция. Самодельный элемент Пельтье состоит из емкости, в которой разводится огонь, а снаружи на термопасту крепится модуль. Через провода он подключается к преобразователю напряжения. Здесь важно не перегреть устройство. Для этого на холодную сторону модуля приклеивается радиатор.
Заключение
Модули Пельтье - элементы, которые широко применяются для охлаждения современной электронной техники. Особенно они необходимы для нормализации теплового режима мощных процессоров. Из них изготавливают своими руками небольшие холодильники для авто или дачи.
Поскольку процесс обратимый, элементы применяют в качестве портативных мини-электростанций в местах, где нет источников электроэнергии.
