Элемент пельтье как генератор электроэнергии схема: Генератор на элементе Пельтье. — Генераторы и преобразователи — Электроника — Каталог статей

Термоэлектрический генератор своими руками: видео, фото, инструкция

Многих электриков интересует один очень популярный вопрос – как автономно и бесплатно получить небольшое количество электроэнергии. Очень часто, к примеру, при выезде на природу или походе катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы в экстренной ситуации. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примерами!

Кратко о принципе действия

Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает. Данный модуль состоит из последовательно соединенных полупроводников – pn переходов, находящихся между керамическими пластинами, как показано на картинке ниже.

Когда через такую цепь проходит электрический ток, происходит так называемый эффект Пельтье — одна сторона модуля нагревается, а вторая – охлаждается. Для чего это нам нужно? Все очень просто, данный эффект работает и в обратном направлении: если одну сторону пластины нагреть, а второю охладить, то можно получить электроэнергию небольшого напряжения и силы тока. Огромное преимущество данного метода в том, что можно использовать любой источник тепла, будь то костер, или горячая кружка с кипятком, остывающая плита и так далее. Для охлаждения можно применять воздух или для более мощных вариантов – обыкновенную воду, которая обязательно найдется даже в условиях похода. Далее переходим к мастер-классам, которые наглядно покажут из чего и как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Мастер-класс по сборке

У нас есть очень подробная и в то же время простая инструкция по сборке самодельного генератора электроэнергии на базе мини-печи и элемента Пельтье. Она пригодится каждому путешественнику в походе. Для начала Вам необходимо подготовить следующие материалы:

• Непосредственно сам элемент Пельтье с параметрами: максимальный ток 10 А, напряжение 15 Вольт, размеры 40*40*3,4 мм. Маркировка – TEC 1-12710.
• Старый нерабочий блок питания от компьютера (с него нужен только металлический корпус).
• Стабилизатор напряжения, со следующими техническими характеристиками: входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе – 5 Вольт. В данной инструкции по сборке термоэлектрического генератора используется модуль с USB выходом, что упростит и сделает безопасным процесс подзарядки современного телефона либо планшета. Эту деталь можно приобрести в магазине радиокомпонентов или в интернете.
• Радиатор. Можно взять от процессора сразу с кулером (вентилятором), как показано на фото.
• Термопаста, продается в компьютерном магазине.

Подготовив все материалы, можно переходить к изготовлению устройства своими руками. Итак, чтобы Вам было понятнее, как самому сделать генератор, предоставляем пошаговый мастер-класс с картинками и подробным объяснением:

1. Разберите старый блок питания и оставьте только корпус. Он будет использоваться, как место розжига огня (так называемая печь). Будьте внимательны, даже на старых блоках питания в высоковольтной части на конденсаторах может остаться опасное для жизни напряжение. Поэтому перед работой оденьте диэлектрические перчатки, убедитесь в отсутствии потенциала на конденсаторе, для уверенности замкните его контакты, и будьте предельно осторожны во время разборки!
2. На радиатор нанесите термопасту тонким, однородным слоем и прислоните элемент Пельтье. Устанавливать нужно маркировкой к радиатору, это будет холодная сторона. Если Вы перепутаете стороны местами, в дальнейшем нужно будет поменять полярность проводов, чтобы термоэлектрический генератор работал правильно и не испортил преобразователь. Вместо термопасты вы можете использовать специальный теплопроводный клей, это будет даже лучше: не придется дополнительно крепить радиатор к корпусу.
3. К обратной стороне модуля прислоните корпус блока питания, как показано на фото ниже.
4. Прикрепите радиатор к корпусу с помощью металлической проволоки.
5. К выводам элемента припаяйте стабилизатор напряжения с выходом USB. Кстати, для этого можно сделать паяльник сделать своими руками.
6. Аккуратно поместите 5-вольтовый преобразователь в радиаторе и переходите к испытаниям самодельного термоэлектрического генератора. Не забудьте заизолировать преобразователь с помощью изоленты.

Работает термоэлектрический генератор следующим образом: внутрь печи Вы засыпаете дрова, мелкие щепки, поджигаете их и ждете несколько минут, пока одна из сторон термоэлемента не нагреется. Параллельно можно вскипятить воду на решетке. Для подзарядки телефона нужно, чтобы разница между температурами разных сторон была около 100^оС. Если охлаждающая часть (радиатор) будет нагреваться, его нужно будет остужать – аккуратно поливать водой, поставить на него кружку с жидкостью, льдом и т. д. Лучше крепить радиатор так, чтобы его ребра были расположены вертикально, это улучшает отдачу тепла воздуху.

А вот и видео, на котором наглядно показывается, как работает самодельный электрогенератор на дровах:

Генерация электричества из огня

Также можно установить на холодную сторону устройства вентилятор от компьютера, что несколько изменит его конструкцию. Давайте рассмотрим этот вариант по подробнее:

В этом случае кулер будет затрачивать небольшую долю мощности генераторной установки, но в итоге система будет работать с более высоким КПД. Помимо телефонной зарядки модуль Пельтье можно использовать в качестве источника электроэнергии для фонарика, что не менее полезный вариант применения генератора. Еще одна особенность данной конструкции — это способность регулировать высоту над огнем. Для этого автор использует деталь от CD-ROMа (на одном из фото хорошо видно, как самому можно изготовить конструкцию).

Если сделать термоэлектрический генератор своими руками по такой методике, на выходе у Вас может быть до 8 Вольт напряжения, поэтому для подзарядки телефона, нужно подключить понижающий преобразователь, который сделает на выходе стабильные 5 В.

Ну и последний вариант самодельного источника электроэнергии для дома может быть представлен такой схемой: элемент между двух алюминиевых «кирпичиков», медная трубка (водяное охлаждение) и конфорка. Как результат – эффективный генератор, позволяющий получить бесплатное электричество в домашних условиях! Например, при остывании конфорки, когда ей никто не пользуется. Или очень часто люди используют печь для обогрева, так вот часть этой энергии может пойти на зарядку вашего гаджета.

Оригинальная идея — горячая вода, как источник тепла

Второй эксперимент с водой

Вот мы и предоставили три простых варианта самодельного аппарата, который можно собрать из подручных средств. Теперь Вы знаете как сделать термоэлектрический генератор своими руками, на чем основан принцип работы элемента Пельтье и для чего его можно использовать!

Будет интересным к прочтению:

Термоэлектрический генератор: принцип работы

Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.

В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.

В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.

Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.

Требования к термоэлектрикам:

• высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
• устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
• доступность и безопасность окружающей среды;
• устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
• долгосрочная стабильность и дешевизна;
• автоматизация процесса изготовления.

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».

Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.

Достоинства ТЭГ

Достоинства термоэлектрогенераторов:

• выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
• отсутствие рабочих жидкостей и газов;
• отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
• устройство длительного автономного функционирования;
• использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
• работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
• выработка постоянного тока при малом напряжении;
• невосприимчивость к короткому замыканию;
• неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.

Сферы применения термоэлектрического генератора

Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:

• изучение океана и космоса;
• применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
• использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
• в системах переработки мусора;
• в системах охлаждения и кондиционирования;
• в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
• нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
• зарядка электронных устройств и часов;
• питание сенсорных браслетов для спортсменов.

Термоэлектрический преобразователь Пельтье

Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).

Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.

Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.

К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.

Сегодня ЭП широко применяется:

• в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
• в осушителях для извлечения воды из воздуха;
• в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
• для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
• для охлаждения компьютерных компонентов.

В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:

• в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
• в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
• в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.

Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.

РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.

В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.

Устройство термоэлектрогенератора своими руками

Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.

С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.

1. Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
2. Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
3. Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
4. Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.

Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.

В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.

Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.

Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.

Новое. Системы охлаждения на интернет-аукционе Au.ru

в наличии нет ожидается поставка

Технические параметры

Модель: TEC1-12715.

Размеры: 40mm x 40mm x 4.1mm.

Номинальный рабочий ток: 8-10 A (при напряжении 12В)

Максимальный рабочий ток: 15A

Максимальное напряжение 15. 4В

Рабочая температура: -30 до 70С.

Тепловая мощность (охлаждение)*1: 137Вт

Тепловая мощность (нагрев)*2: 368Вт

Максимальная электрическая мощность 231Вт

1) это максимальная мощность при нулевой разнице температур между пластинами

2) это максимальная мощность выделяемая на горячей стороне,при нулевой разнице температур между пластинами и максимальном напряжении и токе.

Элемент Пельтье представляет собой керамическую пластинку размером 40х40х4мм с двумя проводами.

При пропускании тока одна сторона нагревается, другая — охлаждается (тепловой полупроводниковый насос).

Для охлаждения процессоров холодную сторону прикладывают на термопасте к чипу, а на горячую сажают мощный радиатор. Однокаскадная схема способна создать разницу температур градусов в 30-40, т.е. при определённом старании процессор можно охладить почти до нуля градусов.

Модули обратимы — те при изменении полярности поверхности нагрева и охлаждения поменяются местами.

Подробнее можно прочитать здесь:

http://Мощность 150Вт

Мощность 200Вт

В наличии водоблоки

Универсальный водоблок

Теплозащитная прокладка против конденсата

Теплозащитная прокладка

В наличии много светодиодов для оформления

Синий 3мм

Белый 3мм

Пурпурный 5мм

Салатно-зеленый 3мм

Изумрудный Зеленый 5мм

Красный 5мм

Красный 3мм

Желтый 3мм

RGB c общим анодом

ВНИМАНИЕ!

элементы пельтье нельзя включать без радиатора с на горячей стороне

нельзя допускать нагрев горячей стороны выше 80С

фото поврежденного элемента пельтье

видно как на горячей стороне (в данном случае это нижняя на фото)

припой вытек, а полупроводниковые кристаллы повреждены

Пример неправильной установки элемента пельтье на процессор

при такой установке

— будет образовываться конденсат (края элемента пельтье оказались в воздухе)

— существенно снизится кпд охлаждения за счет переохлаждения краев элемента пельтье

правильно — между процессором и элементом пельтье установить медную пластину-темплораспределитель 40х40х5мм

Теплоизоляция нужна для предотвращения образования конденсата

один из примеров

ссылки и видео по теме защиты от конденсата

http://www. hwp.ru/articles/Ohlazhdenie_elementom_Pelte/

http://www.thg.ru/cpu/20031231/print.html

Модуль Пельтье. Генератор термоэлектрический

Автор Alexey На чтение 5 мин. Просмотров 721 Опубликовано 09.12.2016
Обновлено 14.12.2016

Современный мир предлагает устройства, с помощью которых можно зарядить фонарик, мобильный телефон или другие гаджеты если поблизости нет розетки. Но внешние аккумуляторы тоже имеют лимит энергии. И тут на выручку придет термоэлектрический генератор, который в любой нестандартной ситуации поможет и согреться, и приготовить пищу, и зарядить телефон, и сможет стать источником света.

Такой прибор можно, как и приобрести, так и сделать своими руками. Промышленные генераторы значительно больших размеров и соответственно могут дать больше энергии. Приборы, сделанные самостоятельно, не отличаются большой силой, но будут спасителями вдали от цивилизации.

Самодельный генератор в действии

Как работает?

Генератор работает на основе модуля Пельтье. Одна часть этого модуля постоянно нагревается, а другая — охлаждается. Если нагретую часть охлаждать, а охлажденную нагревать, то за счет перепадов температур можно генерировать электрический ток, которого будет достаточно для работы небольшого прибора.

Почему же у сторон модуля разная температура? Этот прибор сделан из пластин двух разных металлов. Один из них имеет много электронов на своей поверхности, а другой — очень мало. С первой пластины негативно заряженный частицы пытаются перейти на другую. Но поскольку два элемента соединены проводником, электроны не могут преодолеть этот барьер и скапливаются на поверхности первой пластины нагревая ее.

Если эту часть охладить, то частицы смогу перейти на другую пластину, занимая на ней пустые места. При значительном скоплении электронов на этой стороне, они постепенно начинают перебираться на первую и так далее. Таким образом, получится поток электронов. А как известно, электрический ток — это и есть движение электронов в определенном направлении.

Как же сделать термоэлектрический генератор самостоятельно?

Конечно же, дома данное устройство использовать никто не будет. Поэтому если вы идете в длительный поход, то стоит запастись всем необходимым для того чтобы сделать генератор. А понадобятся:

• элемент Пельтье;
• преобразователь;
• нагреватель;
• холодильник;
• провода.

Элемент Пельтье покупаем или делаем своими руками. Желательно выбирать тот, который выдерживает высокие температуры приблизительно до 3500С. Поскольку даже небольшое превышение температурного режима может привести к непригодности прибора.

Модуль Пельтье

Наличие преобразователя необходимо для получения постоянного тока, поскольку генератор может продуцировать ток со скачками напряжения. Если планируете заряжать гаджеты, выбирайте с USB-входом.
Нагреватель и холодильник необходимы для получения большего количества энергии. Это могут быть обычные консервные банки, но нужно учитывать их размеры и размеры элемента Пельтье. А без наличия проводов конструкция просто не будет работать.

Итак начинаем собирать генератор термоэлектрический. Берем две консервные банки или кастрюли разной величины. Если это кастрюли, то стоит отпилить заранее ручки. Донышки емкостей нужно хорошо отполировать. Вставляем меньшую в большую, между ними помещаем термоэлектрический генераторный модуль. Его можно приклеить термопастой для надежности.

Термоэлектрический генератор из жестяных банок

К модулю обязательно присоединить провода и преобразователь. Не нужно забывать об изоляции. В меньшую емкость наливаем холодную воду (зимой можно использовать снег или лед) и всю конструкцию помещаем на огонь. И все. Через некоторое время получаем такую необходимую электрическую энергию. Не забываем добавлять холодную воду, чтобы разница температур была больше. При этом и энергии будет больше.

Термоэлектрический генератор своими руками сделать несложно, но использовать такое устройство нужно с осторожность и придерживаясь правилам безопасности. Если купить готовый прибор, то он будет намного надежнее, им легче пользоваться. Пригодность генератора, как и срок хранения неограничен.

Модуль Пельтье своими руками.

Как уже упоминалось выше главный элемент можно сделать самостоятельно. Для этого будут необходимы:

Проводники соединяются между собой с помощью паяльника и припоя. Далее, конструкция размещается между двумя керамическими пластинами и прочно фиксируется. Обязательно нужно помнить о двух проводах, которые будут в дальнейшем крепиться к преобразователю электрического тока.
Поскольку данный модуль имеет еще и сторону, которая охлаждается, то его можно применять и для холодильных установок. Используя этот элемент, изготавливают небольшие автомобильные холодильники для путешествий, автомобильные охладители, кондиционеры.

Данный принцип применяется и в охладительных системах компьютерной техники (охлаждение чипов видеокарт и микропроцессоров).В некоторых кулерах питьевой воды обе стороны модуля задействованы, поскольку можно получить на выходе как охлажденную, так и хорошо нагретую жидкость.

Принципы данного модуля используются в приборах ночного виденья, в новейших цифровых фотоаппаратах, для стабилизации частоты излучения в лазерах, в телескопах с инфракрасными детекторами, которые нужно быстро и эффективно охлаждать. То есть этот элемент нашел свое применение не только в так называемых бытовых условиях, но и для военных и научных приспособлений и установок.

Плюсы и минусы термоэлектрического модуля.

Казалось бы, это незаменимый элемент, но и здесь есть свои нюансы. Прибор имеет достоинства и недостатки.
К плюсам можно отнести:

• небольшие размеры;
• возможность работы как нагревательным, так и охлаждающим элементом;
• отсутствие частей, которые постепенно изнашиваются и требуют замены;
• бесшумность работы.

Из минусов можно отметить:

• высокую себестоимость;
• необходимость поддерживать перепад температуры;
• большое потребление энергии;
• низкий уровень КПД.

Но несмотря на все недостатки модуль целесообразно использовать в тех случаях, когда большая энергоемкость не имеет особого значения.
Сомнений не остается если правильно выполнить сборку термоэлектрического генератора, то можно пережить любые катаклизмы в результате которых будет отключена электроэнергия.

Присоединив небольшой вентилятор, можно немного охладиться в жаркое время года. Горячая сторона поможет нагреться, приготовить пищу, вскипятить воду. А вырабатываемое электричество подзарядит средства связи (мобильные телефоны, радиоприемники или рации).

Зарядка аккумуляторной батареи от элементов Пельтье

Выходное напряжение термоэлектрического генератора на элементах Пельтье зависит от температурных условий и нагрузки. В предлагаемой конструкции режим работы преобразователя этого напряжения в необходимое для зарядки свинцово-кислотной аккумуляторной батареи автоматически поддерживается таким, что генератор всегда отдаёт максимально возможную мощность. Это позволяет получить от генератора и запасти в батарее максимально возможное количество энергии.

Известно, что для получения максимального количества энергии во внешней цепи необходимо, чтобы сопротивление нагрузки генератора равнялось его внутреннему сопротивлению, а последнее у элемента Пельтье зависит от условий работы. Поскольку обеспечить одинаковые условия нагрева большого числа элементов и отвода от них тепла проблематично, выход заключается в разбиении всего их множества на отдельные группы с примерно одинаковыми характеристиками и тепловыми условиями. Оптимальная нагрузка при этом обеспечивается раздельно для каждой группы. По этому принципу и построено рассматриваемое устройство, состоящее из двух идентичных каналов, работающих на общую нагрузку — заряжаемую аккумуляторную батарею.

Основные технические параметры

Число каналов преобразования ……………………….2

Минимальное напряжение на входе канала, В …………..3

Максимальное напряжение на входе канала, В ………….12

Максимальный ток генератора, А ……………………..5

Максимальное выходное напряжение, В……………..14

Частота преобразования, кГц ……80

КПД (при входном напряжении 9 В, токе 1 А), %, не менее ……………………80

Ток потребления от батареи в спящем режиме, мА……….0,4

Схема устройства показана на рис. 1. Термоэлектрические генераторы G1 и G2 подключены к входам двух идентичных каналов преобразования. Каждый канал представляет собой повышающий импульсный преобразователь напряжения на накопительном дросселе L1 (L2) и мощном полевом транзисторе VT3 (VT4), управляемый путём широтно-импульсной модуляции. Контролирует работу преобразователей микропроцессор DD1 (ATmega88-20AU). Коды из приложенного к статье файла TERMPR. hex необходимо загрузить в его FLASH-память. Конфигурацию микроконтроллера программируют в соответствии с таблицей, где цветом выделены значения разрядов, отличающиеся от установленных изготовителем микросхемы.

Рис. 1.

На рис. 2 приведена диаграмма изменения напряжения на выходе термоэлектрического генератора одного канала в течение рабочего цикла устройства. Масштаб по оси времени не соблюдён. Цикл начинается с приостановки работы преобразователя в момент t₀, после чего напряжение генератора нарастает до напряжения холостого хода U_xx, которое по окончании переходного процесса микроконтроллер измеряет за время t_изм. В момент времени t₁ микроконтроллер включает преобразователь и в несколько приёмов изменяет длительность управляющих им импульсов, каждый раз измеряя напряжение генератора. После очередного изменения длительности импульсов напряжение генератора попадает в зону с центром вблизи U = 0,5U_xx (в данном случае это момент t₄). Это соответствует оптимальной нагрузке на генератор, поэтому преобразователь продолжает работать при установленной длительности импульсов, пока вследствие изменения условий напряжение генератора не выйдет за пределы зоны ΔU. Затем процесс повторяется.

Рис. 2.

Так происходит зарядка аккумуляторной батареи GB1. По достижении напряжением батареи приблизительно 14 В зарядный ток уменьшается, чтобы не допустить её перезарядки. Устройство переходит в режим стабилизации напряжения батареи.

Питание микроконтроллера DD1 может происходить как от батареи GB1 через интегральный стабилизатор DA1, так и от термогенераторов G1 и G2 через стабилизаторы тока на транзисторах VT5 и VT6. Благодаря такой организации питания напряжение на зажимах для подключения аккумуляторной батареи имеется даже в её отсутствие. Достаточно, чтобы работал хотя бы один термогенератор.

Если напряжение обоих термогенераторов опустилось ниже минимального значения, микроконтроллер DD1 переходит в «спящий» режим, предварительно закрыв транзисторы VT7 и VT8 и отключив этим стабилизатор DA1. При этом ток потребления от аккумуляторной батареи (если она подключена) уменьшается до 0,4 мА.

Как только напряжение хотя бы одного генератора становится выше минимального (примерно 3 В), микроконтроллер «пробуждается», включает стабилизатор DA1 и управляет преобразователями, как описано выше. Если напряжение холостого хода генератора превышает напряжение аккумуляторной батареи, то происходит непосредственная зарядка аккумулятора через диод VD7 или VD8 и установить оптимальный режим нагрузки становится невозможно. Отсюда ограничение на максимальное напряжение термогенератора.

Светодиоды HL1-HL3 используются для сигнализации соответственно о включении устройства и работе преобразователей напряжения генераторов G1 и G2. Предусмотрена сигнализация о перегреве термогенераторов — звуковой сигнал подаёт излучатель звука HA1 и мигает светодиод.

Температура каждого из генераторов контролируется с помощью термовыключателей SK1 и SK2 с температурой срабатывания +120 ^оС. Наиболее распространённые и дешёвые элементы Пельтье могут эксплуатироваться при температуре до +138 ^оС. Если применить высокотемпературные элементы, то нужно использовать и другие термовыключатели или отказаться от них совсем.

Чертёж печатной платы устройства показан на рис. 3, а размещение элементов на ней — на рис. 4. Многие из необходимых для изготовления устройства деталей можно найти на ненужной материнской плате от компьютера. Например, полевые транзисторы ARM2014N используются в преобразователях напряжения для питания процессора и памяти на платах фирмы ASUS. Хорошо подходят также полевые транзисторы STB70NF3LL. Главное требование, предъявляемое к этим транзисторам, — пороговое напряжение не выше 1,5 В (лучше 1 В). Использование приборов с более высоким пороговым напряжением приводит либо к их чрезмерному нагреву, либо преобразователь вообще не работает, так как транзисторы не открываются имеющимся напряжением.

Рис. 3.

Рис. 4.

Дроссели L1 и L2 также изготовлены из найденных на материнской плате. Использованы их магнитопроводы — ферритовые кольца размерами 15x8x6 мм. На них намотаны по 15 витков провода диаметром 1 мм.

Вместо диодов VS80SQ040 и BAS86 могут быть применены другие диоды Шотки соответственно на 40 В, 10 А и 40 В, 0,1 А.

Программа микроконтроллера имеется здесь

Авторы: С. Ткачук, г. Боярка, Украина

Лучшие элементы пельтье. Элемент пельтье он же термоэлектрический модуль

Элементы Пельтье – казалось бы, давно уже не новость, однако многие не полностью представляют принцип их работы, и не знают, что можно сделать из модулей и зачем они нужны. Изобретатель Игорь Белецкий покажет несколько наглядных экспериментов, чтобы у вас сложилось понимание того, на что способны эти пластинки.

Их легко приобрести в интернете и заказать доставку по почте. Купить Пельтье лучше всего в этом китайском магазине . Есть и специальный кулер охлаждения .

Модуль (элемент) Пельтье

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой . Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов – полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

Некоторые думают что модули Peltier, это что-то типа солнечных панелей – ведь они такие же плоские, торчат проводки, и те и другие могут генерировать электрический ток. Увы, это не совсем так на самом деле. Чтобы понять, как функционируют загадочные пластинки, посмотрите видео И. Белецкого, описание в текстовом формате ниже.

Эффекты Пельте и Зебека – функции модуля

У этого девайса есть целых два режима работы – 1. выработка холода и тепла; 2 – генерация электрического тока.

1. Итак, знаменитый эффект Пельтье
(тепло и холод). Это когда вы подводите к элементу постоянный ток и замечаете, что одна из его сторон стала теплее, а другая холоднее. Таким образом он работает как тепловой насос. Очень полезное свойство. Спору нет.

2. Но оказалось, что имеет место и обратный процесс – так называемой эффект Зебека
, а именно возникновение электрического тока при установлении и поддержании определенной разности температур на сторонах самого модуля (пластинки).

Примечание. Никогда не перегревайте элементы, если хотите и далее проводить эксперимент с ними. Полупроводники в модуле спаяны припоем, температура плавления которого может лежать в пределах от восьмидесяти до двухсот градусов. А учитывая, где сегодня производится большинство этих элементов, можно только догадываться на каких соплях их спаяли.

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

Вся неприятность в том, что этот элемент будет нормально работать только при эффективном охлаждении.

Тест с получением электричества

Например, мы хотим проверить эффект Зебека. Поставим сверху кружку с кипятком. Тем самым не превышено 100 градусов, допустимых по нагреву.

Наблюдаем появление напряжения. Интересно, что если изменить направление тепловой потока через модуль, то изменится направление постоянного тока. Но со временем на второй стороне благодаря теплопроводности элемента Пельтье температура тоже поднимется и напряжение, естественно, упадет.

Чтобы эффект был постоянным, нужен постоянный отвод тепла. Для этого модуль размещают на массивным радиаторое и желательно с активным охлаждением. Показатели явно лучше, как вы понимаете. Это требует дополнительных энергозатрат.

Допустим, вы хотите сделать из этого элемента походную зарядку для мобильников. Тогда на природе радиатор можно поместить в холодную воду, возможно даже проточную или ледяную, что несомненно еще лучше. Применение этих модулей зимой при хорошем дармовом минусе – наиболее перспективно.

Правда, одного элемента для зарядки телефона явно будет маловато. А вот два – это уже лучше. Естественно, если увеличить нагрев, то выходная мощность тоже возрастет. Но это очень рискованный шаг, который можно сделать только ради эксперимента. Работа такого генератора будет длиться недолго.

Теперь перейдем к эффекту Пельтье, то есть к производству холода.

Холодильник на модулях Пельте – насколько он эффективен?

Для эксперимента будет использован автомобильный холодильник. Полезный объем его 20 литров. Обратите внимание – заявленная мощность – 48 ватт при токе 4 ампера и постоянном напряжении 12 вольт. А это значит, что внутри стоит всего лишь 1 маленький элемент Пельтье. Для тех кто не в теме откроем секрет – такую же мощность имеет обычный домашний холодильник, размеры которого в разы больше. Ну да ладно, сейчас не об этом. Проверим его эффективность. Например поставим ему минимальную задачу охладить стаканчик с водой, имеющей комнатную температуру 26 градусов. Для работы холодильника будем использовать блок питания, идеально подходящий по своим параметрам. Дополнительно в цепь будем помещен ваттметр. Он будет в реальном времени отображать ток, напряжение и мощность. Но самое главное – потребление, так называемый ватт в час. Таким образом мы сможем примерно оценить энергозатраты нашего холодильника.

Включаем и видим, все прекрасно работает. Вот ток 4,29 А. Напряжение 11,15 Вольт. Мощность 47,9 Ватт. 0,1 Ватт-часов.

Пока процесс идет, проведем более наглядный эксперимент, который покажет, что же именно происходит в холодильнике. Когда подадим на элемент постоянный ток, он начнет перекачивать тепло с одной стороны на другую.

Кстати, если поменять направление тока, то изменится и направление перекачки тепла, что весьма удобно. Главное не забываем об активном охлаждении, потому что пятьдесят ватт электрической мощности нагревает элемент мгновенно. Чем эффективнее мы отведем тепло с горячий стороны, чем холоднее на другой.

Как видите, на самой поверхности модуля вода замерзает очень быстро, ну еще бы – столько энергии сжирает.

Но вернемся к нашему холодильнику. Спустя один час работы температура воздуха внутри упала до пятнадцати градусов, а у воды опустилась до 20. Удивило, что за час работы он съел четко 48 ватт. Через два часа у воздуха было 13 градусов, а у воды 17. И наконец, после трех часов работы температура воздуха остановилась на 13-ти градусах, а в стакане с водой была 15 и ниже 12 она уже не опустится. Ну так себе холодильник, учитывая что он был забит напитками не полностью. Но при этом этот монстр потребил 140 Ватт. Для домашней сети может и не много, но для автомобильного аккумулятора это уже весьма ощутимо. Поэтому здесь и стоит всего лишь один элемент. Потому что больше никакой аккумулятор просто не потянет. А это значит, что кпд такого модуля ничтожно мал – буквально считанные проценты, что опять же зависит от производителя. Такой холодильник больше напоминает хороший термос. Если бы взяли из дома холодные продукты, то он бы просто не позволил им быстро нагреться. Делать такие холодильники большими энергетически невыгодно.

В каких случаях Пельтье эффективен?

Кстати это относится и к самодельщикам, пытающихся делать на этом принципе автомобильные кондиционеры. Есть более эффективные технологии, а вот использовать элементы Пельтье для охлаждения чего-то маленького и компактного – просто идеальное решение. Есть целый спектр таких устройств, например охлаждать процессоры или микросхемы различных малогабаритных приборов. В этом скорее всего и есть самый главный плюс таких элементов. Они миниатюрны и минимальны по весу. По сравнению с теми же фотоэлементами у Пельтье минусов конечно больше, ну а самый эффект безусловно заслуживает внимания. В конце концов все зависит от решаемых задач а если энергия халявная, то высокий КПД не так уж и важен.

До скольки градусов можно охладить элемент? Об этом .

Заключение

Популярные среди радиолюбителей и инженеров модули Пельтье – электронные элементы, активно использующиеся для систем охлаждения и получения электроэнергии. На их основе разрабатываются источники питания для освещения или зарядки девайсов в походных условиях, мобильные компактные холодильники для автомобилей. Существуют попытки применения для охлаждения компьютерных процессоров. Работа устройств основана на 2 механизмах: при нагреве одной стороны пластины Пельтье и охлаждении второй, вырабатывается электроток; при подаче электричества на контакты одна сторона пластины охлаждается, вторая – нагревается.

Элементы Пельтье называются специальные термоэлектрические преобразователи, работающие по принципу Пельтье. (образования разности температур при подключении электрического тока, другими словами, термоэлектрический охладитель).

Ни для кого не секрет, что электронные устройства при работе греются. Нагрев отрицательно влияет на процесс работы, поэтому, чтобы как-то охладить приборы, в корпус устройств встраивают специальные элементы, называющиеся по имени изобретателя из Франции – Пельтье. Это малогабаритный элемент, который может охлаждать радиодетали на платах устройств. При его установке собственными силами никаких проблем не возникнет, монтаж в схему производится обычным паяльником.

1 — Изолятор керамический
2 — Проводник n — типа
3 — Проводник p — типа
4 — Проводник медный

В ранние времена вопросы охлаждения никого не интересовали, поэтому это изобретение осталось без применения. Два века спустя, при использовании электронных устройств в быту и промышленности, стали применять миниатюрные элементы Пельтье, вспомнив об эффекте французского изобретателя.

Принцип действия

Чтобы понять, как работает элемент на основе изобретения Пельтье, необходимо разобраться в физических процессах. Эффект заключается в соединении двух материалов с токопроводящими свойствами, обладающими различной энергией электронов в районе проводимости. При подключении электрического тока к зоне связи, электроны получают высокую энергию, для перехода в зону с более высокой проводимости второго полупроводника. Во время поглощения энергии проводники охлаждаются. При течении тока в обратную сторону происходит обычный эффект нагревания контакта.

Вся работа осуществляется на уровне решетки атома материала. Чтобы лучше понять работу, представим газ из частиц – фононов. Температура газа имеет зависимость от параметров:

• Свойства металла.
• Температуры среды.

Предполагаем, что металл состоит из смеси электронного и фононного газа, находящегося в термодинамическом равновесии. Во время касания двух металлов с различной температурой, холодный электронный газ перемещается в теплый металл. Создается разность потенциалов.

На стыке контакта электроны поглощают энергию фононов и отдают ее на другой металл фононам. При смене полюсов источника тока, весь процесс будет обратного действия. Разность температур будет возрастать до того момента, пока имеются в наличии свободные электроны с большим потенциалом. При их отсутствии наступит уравновешивание температур в металлах.

Если на одну сторону пластины Пельтье установить качественный теплоотвод в виде радиатора, то вторая сторона пластины создаст более низкую температуру. Она будет ниже на несколько десятков градусов, чем окружающий воздух. Чем больше значение тока, тем сильнее будет охлаждение. При обратной полярности тока холодная и теплая сторона поменяются друг с другом.

При соединении элемента Пельтье с металлом, эффект становится незначительным, поэтому практически устанавливают два элемента. Их количество может быть любым, это зависит от потребности в мощности охлаждения.

Эффективность действия эффекта Пельтье зависит от того, насколько точно выбраны свойства металлов, силы тока, протекающей по прибору, скорости отвода тепла.

Сфера использования

Чтобы применить практически элемент Пельтье, ученые произвели несколько опытов, показавших, что повышение отвода тепла достигается увеличением числа соединений 2-х материалов. Чем больше число спаев материалов, тем выше эффект. Чаще в нашей жизни такой элемент служит для охлаждения электронных устройств, уменьшения температуры в микросхемах.

Вот их некоторые области использования:

• Устройства ночного видения.
• Цифровые камеры, приборы связи, микросхемы, нуждающиеся в качественном охлаждении, для лучшего эффекта картинки.
• Телескопы с охлаждением.
• Кондиционеры.
• Точные часовые системы охлаждения кварцевых электрических генераторов.
• Холодильники.
• Кулеры для воды.
• Автомобильные холодильники.
• Видеокарты.

Элементы Пельтье часто используются в системах охлаждения, кондиционирования. Есть возможность достижения довольно низких температур, что открывает возможность применения для охлаждения оборудования с повышенным нагревом.

В настоящее время специалисты используют элементы Пельтье в акустических системах, выполняющих роль кулера. Элементы Пельтье не создают никаких звуков, поэтому бесшумность является одним из их достоинств. Такая технология стала популярной из-за мощной отдачи тепла. Элементы, изготовленные по современной технологии, имеют компактные размеры, радиаторы охлаждения поддерживают определенную температуру долгое время.

Достоинством элементов является длительный срок службы, потому что они сделаны в виде монолитного корпуса, неисправности маловероятны. Простая конструкция обычного широко применяемого вида простая, состоит из двух медных проводов с клеммами и проводами, изоляции из керамики.

Это небольшой перечень мест применения. Он расширяется за счет устройств бытового назначения, компьютеров, автомобилей. Можно отметить использование элементов Пельтье в охлаждении микропроцессоров с высокой производительностью. Ранее в них устанавливались только вентиляторы. Теперь, при монтаже модуля с элементами Пельтье значительно снизился шум в работе устройств.

Будут ли меняться схемы охлаждения в обычных холодильниках на схемы с использованием эффекта Пельтье? Сегодня вряд ли это возможно, так как элементы имеют низкий КПД. Стоимость их также не позволит применить их в холодильниках, так как она достаточно высока. Будущее покажет, насколько будет развиваться это направление. Сегодня проводятся эксперименты с твердотельными растворами, аналогичными по строению и свойствам. При их использовании цена модуля охлаждения может уменьшиться.

Обратный эффект элементов Пельтье

Технология подобного вида имеет особенность с интересными фактами. Это заключается в эффекте образования электрического тока путем охлаждения и нагревания пластины модуля Пельтье. Другими словами, он служит генератором электрической энергии, при обратном эффекте.

Такие генераторы электричества существуют пока чисто теоретически, но можно надеяться на будущее развитие этого направления. В свое время французский изобретатель не нашел применения своему открытию.

Сегодня этот термоэлектрический эффект широко используется в электронике. Границы применения постоянно расширяются, что подтверждается докладами и опытами исследователей и ученых. В будущем бытовая и электронная техника станет обладать совершенными инновационными возможностями. Холодильники станут бесшумными, так же, как и компьютеры. А пока модули Пельтье монтируют в разные схемы для охлаждения радиодеталей.

Преимущества и недостатки

Достоинствами элементов Пельтье можно назвать следующие факты:

• Компактный корпус элементов, позволяет монтировать его на плату с радиодеталями.
• Нет движущихся и трущихся частей, что повышает его срок службы.
• Позволяет соединение множества элементов в один каскад, по схеме, позволяющей уменьшать температуру очень горячих деталей.
• При смене полярности питающего напряжения элемент станет работать в обратном порядке, то есть, стороны охлаждения и нагрева поменяются местами.

Недостатками можно назвать такие моменты:

• Недостаточный коэффициент действия, влияющий на увеличение подводимого тока, для достижения необходимого перепада температур.
• Довольно сложная система отведения тепла от поверхности охлаждения.

Как изготовить элементы Пельтье для холодильника

Изготовить такие элементы Пельтье можно самому быстро и просто. Для начала нужно определиться с материалом пластин. Нужно взять пластины элементов из прочной керамики, приготовить проводники в количестве больше 20 штук, для того, чтобы обеспечить наибольший перепад температур. При достаточном числе элементов КПД произойдет значительное увеличение производительности холодильника.

Большую роль играет мощность применяемого холодильника. Если он действует на жидком фреоне, то с производительностью проблем не возникнет. Пластины элементов монтируются возле испарителя, смонтированного вместе с двигателем. Для такого монтажа понадобится некоторый набор прокладок и инструмента. Таким образом, обеспечится быстрое охлаждение нижней части холодильника.

Необходима тщательная изоляция проводников, только после этого их подключают к компрессору. После окончания монтажа нужно проверить напряжение мультиметром. При нарушении работы элементов (например, короткое замыкание), сработает терморегулятор.

Другие применения термоэлектрических модулей

Эффект модуля Пельтье применяется сегодня, благодаря законам физики. Избыточная энергия элементов всегда пригодится там, где необходима бесшумный и быстрый обмен теплом.

Основные места использования модулей:

• Охлаждение микропроцессоров.
• Двигатели внутреннего сгорания выпускают отработанные газы, которые ученые стали применять для образования вспомогательной энергии с помощью термоэлектрических модулей. Полученная таким способом энергия подается снова в мотор, в виде электричества. Это создает экономию топлива.
• В бытовых устройствах, действующих на нагревание или охлаждение.

Охлаждающий кулер может превратиться в нагреватель, а холодильник может выполнять функцию теплового шкафа, если изменить полярность постоянного тока. Это называется обратимым эффектом.

Такой принцип применяют в рекуператорах. Он состоит из бокса из двух камер. Они между собой сообщаются вентилятором. Элементы Пельтье нагревают холодный воздух, поступающий снаружи, с помощью энергии, которая извлечена из теплого воздуха в помещении. Такое устройство экономит расходы на отопление помещений.

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.

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

2 июня 2012 в 23:47

• DIY или Сделай сам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями , так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…
Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Элемент Пельтье: характеристики, описание, применение

Справочник

Впервые я столкнулся с элементами Пельтье (ЭП) несколько лет назад, когда разрабатывал устройство охлаждения воды в аквариуме. Сегодня ЭП стали еще более доступными, а сфера их применения существенно расширилась. К примеру, в охладителях воды, которые часто можно встретить в офисах, используются ЭП. Там они в форме квадрата 4×4 см (рис.2)с помощью специальной термопасты и стяжных винтов закреплены между радиатором охлаждения и корпусом водяного резервуара, “холодной” поверхностью к резервуару. Распространены и другие ЭП.

Рис. 2 Элемент Пельтье

В основе работы элемента Пельтье лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В 1834 г. Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется тепло (в зависимости от направления тока). Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и пропорциональна проходящему току. Элемент Пельтье обратим. Если приложить к нему разность температур, в цепи потечет ток.

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного металла в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате, происходит охлаждение.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников (р- и n-типа проводимости). В зависимости от направления электрического тока через р-n-переходы вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (р), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется.

Рис. 3 Эффект Пельтье

Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника (ветки) p-типа и одного проводника n-типа. При последовательном соединении нескольких таких термопар теплота (Q_c), поглощаемая на контакте типа n-р, выделяется на контакте типа p-n (Q_h). В результате, происходит нагрев (Т_h) или охлаждение (Т_с) участка полупроводника, непосредственно примыкающего к р-п-переходу (рис.3), и возникает разность температур (AT=T_h-T_c) между его сторонами: одна пластина охлаждается, а другая нагревается. Традиционно сторона, к которой крепятся провода, горячая, и она изображается снизу.

Рис. 4

Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность таких термопар (рис.4), обычно соединенных между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (рис.5). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида

Рис. 5 Термоэлектрический модуль Пельтье

алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах (от нескольких единиц до нескольких сотен), что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки (селен и сурьму).

Рис. 6

Типичный модуль (рис.6) обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающейся поверхности вторая поверхность-холодильник позволяет достичь отрицательных значений температуры. Для увеличения разности температур возможно каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье (рис.7) при обеспечении их достаточного охлаждения. Устройства охлаждения на основе модулей Пельтье часто называют “активными холодильниками Пельтье” или просто “кулерами Пельтье”.

Рис. 7, каскадное включение термоэлектрических модулей Пельтье

Использование модулей Пельтье в активных кулерах делает их более эффективными по сравнению со стандартными кулерами на основе радиаторов и вентиляторов. Однако в процессе конструирования и использования кулеров с модулями Пельтье необходимо учитывать ряд специфических особенностей, вытекающих из конструкции модулей и их принципа работы.

Большое значение имеет мощность модуля Пельтье, которая, как правило, зависит от его размеров. Модуль малой мощности не обеспечит необходимого охлаждения, что может привести к нарушению работы защищаемого элемента вследствие его перегрева. Однако применение модулей слишком большой мощности может вызвать понижение температуры охлаждающего радиатора до

Рис. 8, активный кулер, на основе полупроводникового модуля Пельтье

уровня конденсации влаги из воздуха, что опасно для электронных устройств. Модули Пельтье в процессе работы выделяют сравнительно большое количество тепла. По этой причине следует применять в составе кулера мощный вентилятор. На рис.8 показан активный кулер, в котором использован полупроводниковый модуль Пельтье.

Подаваемое на модуль напряжение определяется количеством пар ветвей в модуле. Наиболее распространенными являются 127-парные модули, максимальное напряжение для которых составляет примерно 16 В. Но на эти модули обычно подается напряжение питания 12 В, т.е. примерно 75% U_max. Такой выбор напряжения питания в большинстве случаев является оптимальным: позволяет обеспечить достаточную мощность охлаждения при приемлемой экономичности. При повышении напряжения питания более 12 В увеличение холодильной мощности незначительно, а потребляемая мощность резко увеличивается. При понижении напряжения питания экономичность растет, поскольку холодильная мощность также уменьшается, но линейно.

Табл.1 элемент Пельтье, характеристики

Примечание: модули с маркировной HR1 и HR2 отличаются повышенной надежностью.

Для модулей с другим числом пар ветвей (отличным от 127) напряжение можно выбирать по тому же принципу: 75% от U_max, но при этом необходимо учитывать особенности конкретного устройства, прежде всего, условия теплоотвода с горячей стороны и возможности источников питания. Например, на модули серии “ДРИФТ” (199 термоэлектрических пар) рекомендуется подавать напряжение от 12 до 18 В.

При эксплуатации важен надежный термический контакт между теплообменником и радиатором, поэтому ТЭМ крепится с использованием термопроводящей пасты (например, КПТ-8). Если нет специальной термопасты, можно с успехом применить фармакологические средства, купленные в аптеке, например, пасту Лассари или салицилово-цинковую пасту.

Поскольку максимальная температура на горячей стороне ТЭМ достигает +80°С (в высокотемпературных охладителях фирмы Supercool — +150°С), важно, чтобы ЭП охлаждался правильно. Горячая поверхность ТЭМ должна быть обращена к радиатору, с другой стороны которого установлен вентилятор охлаждения (поток воздуха направляется от радиатора). Вентилятор и ТЭМ в соответствии с полярностью подключаются к источнику питания, который может быть простейшим: понижающий трансформатор, выпрямитель на диодах и сглаживающий оксидный конденсатор. Но пульсации питающего напряжения не должны превышать 5%, в противном случае эффективность ТЭМ уменьшается. Лучше, если вентилятор и ТЭМ управляются электронным устройством на основе компаратора и датчика температуры. Как только температура охлаждаемого объекта повышается свыше установленного порога, автоматически включаются охладитель и вентилятор, и начинается охлаждение. Степень охлаждения (или нагрева) пропорциональна проходящегому через ТЭМ току, что позволяет с высокой точностью регулировать температуру “обслуживаемого” объекта.

Термоэлектрические модули загерметизированы, так что их можно применять даже в воде. Керамическая поверхность ТЭМ зашлифована, к ламелям (выводам) припаяны черный (“-”) и красный (“+”) провода. Если ТЭМ (рис.2) расположить выводами к себе так, чтобы черный провод был слева, а красный справа, сверху будет холодная сторона, а снизу — горячая. Маркировка обычно наносится на горячую сторону.

Табл.2

Примечания:

* — сторона 1 — сторона с нанесенной маркировкой, сторона 2 — обратная сторона (относительно маркировки).

** При нагреве тыльной стороны в течение 4 с зажигалкой с открытым пламенем, касавшимся поверхности ЗП, на выводах был зафиксирован ток 200 мкА.

Наиболее «ходовые» типы модулей Пельтье — это однокаскадные модули максимальной мощностью до 65 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Обозначения модулей расшифровываются следующим образом: первое число — это количество термопар в модуле, второе — ширина сторон ветки (в мм), третье — высота ветки (в мм). Например, ТВ-127-1,4-1,5 — модуль, состоящий из 127 пар термоэлектрических веток, размеры которых 1,4×1,4×1,5 мм. Размеры модулей — 40×40 мм, толщина — около 4 мм. Стандартные однокаскадные модули выпускаются с максимальной мощностью до 70 Вт (12 В) и 172 Вт (24 В). Типовые параметры ТЭМ приведены в табл.1.

Табл.3 Параметры термоэлектрического генератора

Рис. 9 термоэлектрический генератор

В экспериментах с ТЭМ я проверил изменение его сопротивления в разных режимах. К выводам (ламелям) модуля подключался тестер М830 в режиме измерения сопротивления. Результаты сведены в табл.2. При температурном воздействии, большем чем комнатная температура, на сторону ТЭМ с маркировкой, его сопротивление уменьшалось, на оборотную сторону — пропорционально увеличивалось (в строках 2 и 3 таблицы показана реакция на прикосновение ребром ладони к поверхности ТЭМ, температура указана приблизительно 36°С).

Учитывая обратимость элементов Пельтье, на их основе можно разрабатывать источники электропитания. Например, термоэлектрический генератор “В25-12(М)” компании “Криотерм” (рис.9) позволяет заряжать аккумуляторы мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, смотреть телевизор, продолжительное время работать на ноутбуке и пр. Единственное требование — нужна нагретая поверхность размерами 20×25 см. Параметры генератора приведены в табл. 3.

А.Кашкаров.

Принципиальная схема термоэлектрического генератора (ТЭГ) на основе П-и…

Контекст 1

… исследованы высокоэффективные термоэлектрические композиции для энергетических применений [13,14]. Типовая электрическая цепь ТЭГ (модуля Пельтье) состоит из разности потенциалов разомкнутой цепи, последовательно соединенной с внутренним сопротивлением модуля ТЭГ; оба колеблются в зависимости от разницы температур между горячей стороной и холодной стороной, как показано на рис….

Контекст 2

… были изучены высокоэффективные термоэлектрические композиции для применения в энергетике [13,14]. Типовая электрическая цепь ТЭГ (модуля Пельтье) состоит из разности потенциалов разомкнутой цепи, последовательно соединенной с внутренним сопротивлением модуля ТЭГ; обе колеблются в зависимости от разницы температур между горячей и холодной сторонами, как показано на рисунке 1. Если температура поверхности источника тепла на электродах P- и N-типа ниже, это приведет к более низкому току в цепи, что означает снижение теплопроводности (или более высокое тепловое сопротивление) и наоборот [1]….

Контекст 3

… чем ниже температура поверхности источника тепла на электродах P- и N-типа, тем меньше ток в цепи, что означает снижение теплопроводности (или повышение теплового сопротивления), и наоборот наоборот [1]. Обычно короткого замыкания ТЭГ избегают, потому что это обеспечивает максимально возможную теплопроводность, в то время как очень важно количественно определить короткое замыкание экспериментально. 2 Te 3 составной: здесь показана одна пара; как правило, он состоит из множества пар в зависимости от его размера, показывающих напряжение, генерируемое разомкнутой цепью (V oc ), полученное без R L ….

Контекст 4

… это связано с ограничением ZT, так как прогнозы показывают максимум 0,43 при ∆T 390 K. Однако максимальное ZT 0,7 для Bi 2 Te 3 с достижимой эффективностью 4,5% при коэффициенте Зеебека 250 мкВ/К, как было предсказано на рисунке 9. На рисунке 10 показана линейная зависимость между эффективностью/ZT и коэффициентом Зеебека при ∆T 390 K (T h = 420 K и T c = 30 K) поддерживалась постоянной. На рисунке 10а показано увеличение коэффициента Зеебека от 1.85 до 2,04, влияя на эффективность с 0,11 до 0,13, что значительно меньше, поскольку, как показано на рисунке 10b, ZT увеличился с 0,32 до 0,4. …

Context 5

… было предсказано максимальное ZT 0,7 для Bi 2 Te 3 с достижимой эффективностью 4,5% при коэффициенте Зеебека 250 мкВ/К, как показано на рисунке 9. Рисунок 10 показана линейная зависимость между эффективностью/ZT и коэффициентом Зеебека, когда ∆T, равное 390 K (T h = 420 K и T c = 30 K), поддерживали постоянным.На рис. 10а показано увеличение коэффициента Зеебека с 1,85 до 2,04, влияющее на эффективность с 0,11 до 0,13, что значительно меньше, поскольку, как показано на рис. 10б, ZT увеличился с 0,32 до 0,4. Установлено, что производительность ТЭГ сильно зависит от ZT, так как ∆T и коэффициент Зеебека (α) прямо пропорциональны ему. …

Context 6

… было предсказано максимальное ZT 0,7 для Bi 2 Te 3 с достижимой эффективностью 4,5% при коэффициенте Зеебека 250 мкВ/К, как показано на рисунке 9.На рис. 10 показана линейная зависимость между эффективностью/ZT и коэффициентом Зеебека, когда ∆T, равное 390 K (T h = 420 K и T c = 30 K), поддерживали постоянным. На рис. 10а показано увеличение коэффициента Зеебека с 1,85 до 2,04, влияющее на эффективность с 0,11 до 0,13, что значительно меньше, поскольку, как показано на рис. 10б, ZT увеличился с 0,32 до 0,4. Установлено, что производительность ТЭГ сильно зависит от ZT, так как ∆T и коэффициент Зеебека (α) прямо пропорциональны ему. …

Контекст 7

… это связано с ограничением í µí± í µí±‡ , так как прогнозы показывают максимум 0,43 при Δí µí±‡ 390 K. Однако максимум í µí ± í µТ±‡ 0,7 для Bi2Te3 с достижимой эффективностью 4,5% при коэффициенте Зеебека 250 мкВ/К, как показано на рис. 9. На рис. 10а показано увеличение коэффициента Зеебека с 1,85 до 2,04, влияющее на КПД с 0,11 до 0,13, что значительно меньше, поскольку, как показано на рис. 10б, í µí± í µí±‡ увеличилось от 0.32 до 0,4. Установлено, что производительность ТЭГ сильно зависит от í µТ± í µТ±‡ , так как ΔТ µТ±‡ и коэффициент Зеебека (Т µТ»¼) прямо пропорциональны ему. …

Контекст 8

… это связано с ограничением í µí± í µí±‡ , так как прогнозы показывают максимум 0,43 при Δí µí±‡ 390 K. Однако максимальное í µí± í µí±‡ 0,7 для Bi2Te3 с достижимой эффективностью 4,5% при коэффициенте Зеебека 250 мкВ/К было предсказано, как показано на рисунке 9.На рис. 10а показано увеличение коэффициента Зеебека с 1,85 до 2,04, влияющее на эффективность с 0,11 до 0,13, что значительно меньше, поскольку, как показано на рис. 10б, í µí± í µí±‡ увеличилось с 0,32 до 0,4. Установлено, что производительность ТЭГ сильно зависит от í µТ± í µТ±‡ , так как ΔТ µТ±‡ и коэффициент Зеебека (Т µТ»¼) прямо пропорциональны ему. …

Контекст 9

… Проверка напряжения цепи (V oc ) На рис. 11a показаны характеристики напряжения холостого хода (V oc ) для TEG-127020 (от RS Electronics (Лондон, Великобритания), размеры 40 мм × 44 мм × 3.3 мм, элементы как P-, так и N-типа из Bi 2 Te 3 , с прямым подводом тепла с помощью нагревательной плиты, в которой минимальная T h была установлена ​​на 294 K, а максимальная T h на 418,5 K, в то время как максимальная T c была установлена ​​на уровне 40 • C с использованием радиатора, интегрированного в сетку, поддерживаемого небольшим вентилятором постоянного тока. Было достигнуто ∆T 92 К между двумя сторонами ТЭГ, что было максимальным рабочим режимом. …

Контекст 10

… Достигнута ∆T 92 K между двумя сторонами ТЭГ, что является максимальным рабочим режимом.Было проведено несколько (по крайней мере, три) экспериментальных испытаний, в результате которых было достигнуто постоянное значение V oc , равное 3,65 В. На рисунке 11b показан ток холостого хода 11,8 мА из-за влияния внутреннего сопротивления модуля Пельтье на теплопроводность, которая отражает производительность в режиме холостого хода, оказывая положительное влияние на эффективность. Испытание на ток короткого замыкания (í µí°¼ ) На рис. 12а показан максимальный ток короткого замыкания (Isc) 0,93 А, который был получен при разности температур 90 К без повреждения термоэлектрического устройства….

Контекст 11

… были проведены (не менее трех) экспериментальных испытаний, в результате которых было достигнуто стабильное значение V oc 3,65 В. На рис. эффект внутреннего сопротивления модуля Пельтье в зависимости от теплопроводности, который отражает работу в режиме холостого хода, положительно влияя на эффективность. Тест тока короткого замыкания (í µí°¼ ) На рис. 12а показан максимальный ток короткого замыкания (Isc), равный 0.93 А, что было получено при перепаде температур 90 К, без повреждения термоэлектрического устройства. Была проведена серия испытаний на короткое замыкание при тех же градиентах температуры, и было обнаружено, что максимальное зарегистрированное значение Isc составило 1,04 А, как показано на рисунке 12b. …

Контекст 12

… Испытание током цепи (í µí°¼ ) На рис. 12а показан максимальный ток короткого замыкания (Isc) 0,93 A, который был получен при разнице температур 90 K без повреждения термоэлектрический прибор.Была проведена серия испытаний на короткое замыкание при тех же градиентах температуры, и было обнаружено, что максимальное зарегистрированное значение Isc составило 1,04 А, как показано на рисунке 12b. Поскольку испытание на ток короткого замыкания проводилось после испытания на напряжение холостого хода, было обнаружено, что производительность модуля TEG не была такой же, как при первом испытании на напряжение холостого хода. …

Контекст 13

… сравнение двух тестов показывает, что производительность ТЭГ ухудшилась во время второго теста. Испытание на ток короткого замыкания (I sc ) На рис. 12а показан максимальный ток короткого замыкания (I sc ) 0,93 А, который был получен при разнице температур 90 K без повреждения термоэлектрического устройства. Была проведена серия испытаний на короткое замыкание при тех же градиентах температуры, и было обнаружено, что максимальное зарегистрированное значение I sc составило 1,04 А, как показано на рис. 12b. …

Контекст 14

… Проверка тока цепи (I sc ) На рис. 12a показан максимальный ток короткого замыкания (I sc ), равный 0.93 А, что было получено при перепаде температур 90 К, без повреждения термоэлектрического устройства. Была проведена серия испытаний на короткое замыкание при тех же градиентах температуры, и было обнаружено, что максимальное зарегистрированное значение I sc составило 1,04 А, как показано на рис. 12b. Поскольку испытание на ток короткого замыкания проводилось после испытания на напряжение холостого хода, было обнаружено, что производительность модуля TEG не была такой же, как при первом испытании на напряжение холостого хода. …

Контекст 15

… сравнение двух тестов показывает, что производительность ТЭГ ухудшилась во время второго теста. Испытание при полной нагрузке На рис. 13а показаны результаты испытаний при полной нагрузке при четырех различных Δí µí±‡ на выходной мощности нагрузки, подключенной к переменному внешнему резистору, когда RL было эквивалентно Rin. При увеличении Δí µí±‡ точка максимальной мощности (MPP) увеличивается аналогично [3,24]. …

Контекст 16

… теории, MPP возникает, когда VL и IL примерно равны половине Voc и Isc соответственно. На рис. 13b показана VL при испытании полной нагрузкой 1,68. На рис. 13a показаны результаты испытаний при полной нагрузке при четырех различных значениях ∆T на выходной мощности нагрузки, подключенной к переменному внешнему резистору, когда R L было эквивалентно R in . При увеличении ∆T точка максимальной мощности (MPP) увеличивается аналогично [3,24]. …

Контекст 17

. .. теоретически MPP возникает, когда VL и IL примерно равны половине Voc и Isc соответственно.На рис. 13b показана VL при испытании полной нагрузкой 1,68. На рис. 13a показаны результаты испытаний при полной нагрузке при четырех различных значениях ∆T на выходной мощности нагрузки, подключенной к переменному внешнему резистору, когда R L было эквивалентно R in . При увеличении ∆T точка максимальной мощности (MPP) увеличивается аналогично [3,24]. …

Контекст 18

… теория, MPP возникает, когда V L и I L примерно равны половине V oc и I sc соответственно. На рис. 13b показано значение V L, равное 1.68 В и I L 547 мА были достигнуты по сравнению с примерно половиной экспериментальных значений V oc 3,84 В и I sc 1,04 А. Однако R i зависит от ∆T и является переменной величиной. Выходная мощность нагрузки (P L ) в левой части рисунка 13а показывает ситуацию ниже MPP (или ниже I L 0,3 А) из-за меньшего прямого подвода тепла, вызывающего уменьшение тока и R L и, в этом случае, является недогруженной. …

Контекст 19

… 13b показывает, что V L 1,68 В и I L 547 мА были достигнуты по сравнению с примерно половиной экспериментального V oc 3.84 В и I sc 1,04 А. Однако R i зависит от ∆T и является переменной величиной. Выходная мощность нагрузки (P L ) в левой части рисунка 13а показывает ситуацию ниже MPP (или ниже I L 0,3 А) из-за меньшего прямого подвода тепла, вызывающего уменьшение тока и R L и, в этом случае, является недогруженной. Выходная мощность справа на рис. 13а показывает ситуацию выше MPP (или выше I L 0,3 А) из-за увеличения прямого подвода тепла. …

Контекст 20

… выходная мощность нагрузки (P L ) слева на рисунке 13a показывает ситуацию ниже MPP (или ниже I L от 0.3 А), из-за меньшего прямого подвода тепла вызывает уменьшение тока и R L и в этом случае является недогруженным. Выходная мощность справа на рис. 13а показывает ситуацию выше MPP (или выше I L 0,3 А) из-за увеличения прямого подвода тепла. Точное значение MPP было достигнуто, когда ∆T продолжалось при 64,7 К для этого одиночного ТЭГ и составляло примерно 0,42 Вт. Были достигнуты V и IL 547 мА по сравнению с примерно половиной экспериментальных значений Voc, равных 3,84 В, и Isc, равных 1,04 A. Однако , Ri зависит от Δí µí±‡ и является переменной величиной….

Контекст 21

… точная MPP была достигнута, когда ∆T была продолжена на уровне 64,7 K для этого одиночного ТЭГ и составляет приблизительно 0,42 Вт. V и IL 547 мА были достигнуты по сравнению с примерно половиной экспериментальное значение Voc равно 3,84 В, а значение Isc равно 1,04 А. Однако Ri зависит от Δí µí±‡ и является переменной величиной. Выходная мощность нагрузки (PL) слева на рис. 13а показывает ситуацию ниже MPP (или ниже IL 0,3 А) из-за меньшего прямого подвода тепла, вызывающего уменьшение тока и RL, и в этом случае недогружена.Выходная мощность в правой части рисунка 13а показывает ситуацию выше MPP (или выше IL 0,3 А) из-за увеличения прямого подвода тепла. …

Контекст 22

… выходная мощность нагрузки (PL) в левой части рисунка 13a показывает ситуацию ниже MPP (или ниже IL 0,3 A), из-за меньшего прямого подвода тепла, вызывающего снижение в токе и РЛ и в этом случае недогружен. Выходная мощность справа на Рисунке 13а показывает ситуацию выше MPP (или выше IL 0.3 А), за счет увеличения прямого подвода тепла. Точное значение MPP было достигнуто, когда Δí µí±‡ продолжалось при 64,7 К для этого одиночного ТЭГ и составляло примерно 0,42 Вт. …

Контекст 23

… (б) Рисунок 13. испытаний с полной нагрузкой при четырех различных Δí µТ±‡ на выходной мощности нагрузки (PL), подключенной к переменному нагрузочному резистору (RL), эквивалентному Ri, и (b) осциллографе DC VL и IL, что составляет примерно половину Voc и Isc показывает точку максимальной мощности. …

Контекст 24

…. влияние экстремальных температурных колебаний на Voc дает представление о неизменной работе ТЭГ коммерческого масштаба (SP1848-27145 от RS Electronics). На рис. 14 показаны характеристики Voc ТЭГ при минимальной и максимальной температурах 297,1 К и 439 К соответственно. Voc 2,55 В достигается при максимальном Δí µí±‡ 55,6 К. Пельтье не работает при температуре 439 К, так как расширяется на горячей стороне и сжимается на холодной стороне, вызывая внутренние напряжения, в частности, паяные соединения пар ПН; обычно имеется 126 пар, и если одна выходит из строя, остальные выходят из строя из-за последовательного соединения и падения Voc до нуля….

Контекст 25

… Voc 2,55 В было достигнуто при максимальном Δí µí±‡ 55,6 К. Пельтье не работал при температуре 439 К, потому что он расширялся на горячей стороне, и сжимается на холодной стороне, вызывая внутренние напряжения, в частности, в местах пайки пар PN; обычно имеется 126 пар, и если одна выходит из строя, остальные выходят из строя из-за последовательного соединения и падения Voc до нуля. И наоборот, рисунок 13. (a) Влияние испытаний с полной нагрузкой при четырех различных ∆T на выходную мощность нагрузки (PL ), подключенной к переменному нагрузочному резистору (RL ), эквивалентному R i , и (b) осциллограф DC VL и IL , что составляет примерно половину значений V oc и I sc, показывающих точку максимальной мощности. …

Контекст 26

… влияние экстремальных колебаний температуры на V oc дает представление о неизменной работе промышленного ТЭГ (SP1848-27145 от RS Electronics). На рис. 14 показаны характеристики V oc ТЭГ при минимальной и максимальной температурах 297,1 К и 439 К соответственно. V oc 2,55 В достигается при максимальном ∆T 55,6 К. Пельтье не работает при температуре 439 К, так как расширяется с горячей стороны и сжимается с холодной, вызывая внутренние напряжения, в частности, в паяные соединения пар ПН; обычно имеется 126 пар, и если одна из них выходит из строя, остальные выходят из строя из-за последовательного соединения и падения V oc до нуля….

Контекст 27

… первоначальные испытания показали, что расстояние между кварцево-галогенной лампой и линзой Френеля должно составлять примерно 1 м, а расстояние между линзой Френеля и ТЭГ должно составлять 13 см. поддерживается. Температура горячей поверхности модуля ТЭГ была измерена до и после точки максимальной концентрации, как показано на рисунке 15. Измеренная температура над линзой Френеля составила 294,2 …

Контекст 28

… можно заметить, что количество сконцентрированного тепла теперь меньше, чем измеренное ранее, но на этот раз максимальное полученное напряжение составило 0,0257 В, что больше, чем ранее полученное значение 0,0296 В. Такое поведение ТЭГ показывает, что, несмотря на то, что требуется большая разница температур между режимом электрического отказа, показанным на рис. …

Контекст 29

… первоначальные испытания показали, что расстояние между кварцево-галогенной лампой и линзой Френеля должно составлять примерно 1 м, в то время как расстояние между линзой Френеля и ТЭГ составляет 13 см. Температура поверхности горячей стороны модуля ТЭГ была измерена до и после точки максимальной концентрации, как показано на рисунке 15. Измеренная температура над линзой Френеля составила 294,2 …

Контекст 30

. … в этом эксперименте результаты оказались не такими, как ожидалось, так как он не проводился в идеальных условиях солнечного излучения, но он помог продемонстрировать кварцево-галогенный спектр; чтобы получить разумное выходное напряжение, температура должна быть равномерно распределена по поверхности термоэлектрических устройств. Равномерное и неравномерное распределение тепла по поверхности ТЭГ показано на рис. 16. На рис. 16а показан термоэлектрический модуль, где свет сфокусирован в центре устройства, это тот, где концентрация тепла больше, но его производительность плохой, так как производит меньше V oc . …

Контекст 31

… и неравномерное распределение тепла по поверхности ТЭГ показано на рисунке 16. На рисунке 16а показан термоэлектрический модуль, где свет сфокусирован в центре устройства, тот, в котором больше концентрация тепла, но его производительность плохая, так как он производит меньше V oc .Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое V oc . …

Контекст 32

… и неравномерное распределение тепла по поверхности ТЭГ показано на рисунке 16. На рисунке 16а показан термоэлектрический модуль, где свет сфокусирован в центре устройства, тот, в котором больше концентрация тепла, но его производительность плохая, так как он производит меньше V oc . Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое V oc . …

Контекст 33

… и неравномерное распределение тепла по поверхности ТЭГ показано на рисунке 16. На рис. 16а показан термоэлектрический модуль, в котором свет сфокусирован в центре устройства, это тот, где концентрация тепла больше, но его производительность плохая, так как он производит меньше Voc.Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое Voc. …

Контекст 34

… 16а показан термоэлектрический модуль, где свет сфокусирован в центре устройства, это тот, где больше концентрация тепла, но его производительность плохая, т.к. он производит меньше Voc. Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое Voc. …

Контекст 35

… и неравномерное распределение тепла по поверхности ТЭГ показано на рисунке 16. На рис. 16а показан термоэлектрический модуль, в котором свет сфокусирован в центре устройства, это тот, где концентрация тепла больше, но его производительность плохая, так как он производит меньше Voc. Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое Voc….

Контекст 36

… 16а показан термоэлектрический модуль, где свет сфокусирован в центре устройства, это тот, где больше концентрация тепла, но его производительность плохая, т.к. он производит меньше Voc. Рисунок 16b показывает, что свет и тепло равномерно распределяются по поверхности Пельтье, но, хотя концентрированное тепло не имеет высокой температуры, оно все же дает сравнительно более высокое Voc. …

Изготовление схемы термоэлектрического генератора (ТЭГ)

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) представляет собой своего рода «устройство свободной энергии», обладающее способностью преобразовывать температуру в электричество. В этом посте мы немного узнаем об этой концепции и узнаем, как мы можем использовать ее для выработки электроэнергии из тепла и холода.

Что такое ТЭГ

В одной из моих предыдущих статей я уже объяснял аналогичную концепцию изготовления небольшого холодильника с использованием устройства Пельтье

Устройство Пельтье также представляет собой ТЭГ, предназначенный для выработки электроэнергии за счет разницы температур. Термоэлектрическое устройство очень похоже на термопару, с той лишь разницей, что они состоят из двух частей.

В ТЭГ используются два разных полупроводниковых материала (p-n), тогда как термопара работает с двумя разнородными металлами для одного и того же, хотя для термопары может потребоваться значительно большая разница температур по сравнению с меньшей версией ТЭГ.

Также широко известный как эффект Зеебека, он позволяет устройству ТЭГ инициировать генерацию электроэнергии при воздействии на его оборотные стороны разницы температур. Это происходит из-за специально сконфигурированной внутренней структуры устройства, в котором для процесса используется пара легированных p- и n-полупроводников.

Эффект Зеебека

В соответствии с принципом Зеебека, когда два полупроводниковых материала подвергаются воздействию двух экстремальных уровней температуры, инициируется движение электронов через p-n переход, что приводит к возникновению разности потенциалов на внешних выводах материалов.

Хотя концепция кажется удивительной, все хорошие вещи имеют врожденный недостаток, и в этом эффекте они тоже являются одним из тех, что делает их относительно неэффективными.

Необходимость экстремальной разницы температур на двух его сторонах становится самой сложной частью системы, потому что нагрев одной из сторон также подразумевает нагрев другой стороны, что в конечном итоге приведет к отключению электричества и повреждению ТЭГ устройство.

Чтобы обеспечить оптимальный отклик и инициировать поток электронов, один полупроводниковый материал внутри ТЭГ должен быть горячим, и в то же время другой полупроводник должен быть изолирован от этого тепла, обеспечив надлежащее охлаждение с противоположной стороны. Эта критичность делает концепцию немного неуклюжей и неэффективной.

Тем не менее, концепция TEG является чем-то эксклюзивным и до сих пор не осуществимым с использованием какой-либо другой системы, и эта уникальность этой концепции делает ее очень интересной и полезной для экспериментов.

Схема ТЭГ с использованием выпрямительных диодов

Я попытался разработать схему ТЭГ с использованием обычных диодов, хотя я не уверен, будет ли она работать или нет. для улучшения.

На рисунках мы видим простую диодную сборку, зажатую радиаторами. Диоды представляют собой диоды типа 6A4, я выбрал эти диоды большего размера, чтобы получить большую площадь поверхности и лучшую скорость проводимости.

Диод 6A4

Простая схема термоэлектрического генератора, показанная выше, может быть использована для выработки электроэнергии из отработанного тепла путем надлежащего применения требуемой разницы температур между указанными теплопроводящими пластинами.

На правом рисунке показано множество диодов, соединенных последовательно-параллельно для достижения более высокой эффективности и пропорционально большего накопления разности потенциалов на выходе.

Зачем использовать диод для изготовления ТЭГ

Я предположил, что диоды подойдут для этого приложения, поскольку диоды представляют собой основные полупроводниковые блоки, состоящие из легированного материала p-n, встроенного в их два нагрузочных провода.

Это также означает, что два конца специально изготовлены из различных материалов, облегчающих применение температуры отдельно от двух противоположных концов.

Многие такие модули могут быть построены и соединены в последовательно-параллельные комбинации для достижения более высоких коэффициентов преобразования, и это приложение также может быть реализовано с использованием солнечного тепла. Сторона, которую необходимо охлаждать, может быть обеспечена за счет воздушного охлаждения или за счет улучшенного испарительного воздушного охлаждения из атмосферы для повышения коэффициента полезного действия.

Технологии и приложения термоэлектрических генераторов (ТЭГ)

https://doi.org/10.1016/j.ijft. 2021.100063Получить права и контент

Основные моменты

•

Современные термоэлектрические генераторы рассматривается всесторонне.

•

Введены материалы, используемые в ТЭГ, показатель качества, методы улучшения.

•

Изучаются различные конфигурации экспериментальных установок и прототипов.

•

Рабочие характеристики ТЭГ исследуются с помощью различных пакетов программного обеспечения для моделирования.

Abstract

В настоящее время человечество сталкивается с такими трудными проблемами, как рост стоимости электроэнергии, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление. Чтобы уменьшить их последствия, ученые концентрируются на совершенствовании генераторов энергии, ориентированных на сбор энергии. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) продемонстрировали свою способность преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую посредством эффекта Зеебека. Благодаря своим уникальным преимуществам термоэлектрические системы стали в последнее десятилетие многообещающей альтернативой другим технологиям производства «зеленой» энергии. В связи с этим прогнозирование выходной мощности термоэлектрических устройств важно как для определения будущего использования этой новой технологии, так и для определения основных конструктивных параметров термоэлектрических генераторов и систем. Кроме того, ТЭГ экологически безопасны, работают тихо, поскольку не содержат механических механизмов или вращающихся элементов, и могут быть изготовлены на самых разных подложках, таких как кремний, полимеры и керамика.Кроме того, ТЭГ не зависят от положения, имеют длительный срок службы и идеально подходят для объемных и компактных приложений. Кроме того, термоэлектрические генераторы оказались жизнеспособным решением для прямого производства электроэнергии из отработанного тепла в промышленных процессах. В этой статье представлен углубленный анализ ТЭГ, начиная с всестороннего обзора принципов их работы, таких как эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона и нагрев Джоуля, с их приложениями, используемыми материалами, показателем качества, методами улучшения, включая различные Используемые схемы и технологии термоэлектрических материалов и типы подложек. Кроме того, исследуются примеры моделирования производительности, такие как COMSOL Multiphysics и ANSYS-Computational Fluid Dynamics.

Ключевые слова

Термоэлектрические генераторы

Эффект Зеебека

Эффект Пельтье

Утилизация отходящего тепла

Энергоэффективность

Рекомендуемые статьиСсылки на статьи (0)

© 2 20002 Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Термоэлектричество с использованием полупроводниковых термопар

Термопарные электрические генераторы

Когда любой электрический проводник подвергается температурному градиенту, нагревая один конец, поддерживая другой конец при низкой температуре, он генерирует напряжение между горячим и холодным концами. Это явление известно как эффект Томсона и используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Термопары

Явление термоэлектричества впервые наблюдал в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, который заметил, что при изготовлении петли из проводов с использованием двух разнородных металлов между соединениями проводов возникает напряжение, если одно соединение горячее другого. .Такая петля, сделанная из разнородных металлов, стала известна как термопара, а явление было названо эффектом Зеебека в его честь. Напряжение, генерируемое термопарой, очень мало, и для создания практического термоэлектрического генератора требуется много термопар.

Полупроводниковые термопары

На протяжении более века термопары изготавливались из металлических проводников, и хотя было исследовано множество различных металлов, КПД редко превышал 3%. С появлением полупроводников КПД термоэлектрических генераторов значительно увеличился, и к 1950-м годам КПД генераторов достиг 5%, а охлаждение по Пельтье было достигнуто от температуры окружающей среды до температуры ниже 0°С.

См. раздел «Полупроводники» для объяснения того, как работают термопары.

Производительность термопары

Коэффициент Зеебека

Кельвин показал, что при небольшой разности температур напряжение, возникающее между горячим и холодным концами одного проводящего стержня, пропорционально разности температур между двумя концами.Константа пропорциональности S теперь известна как коэффициент Зеебека и определяется как:

S = Δ V / Δ T

, где Δ T — разность температур между двумя концами материала, а Δ V — генерируемое термоэлектрическое напряжение. Таким образом, генерируемое напряжение определяется как:

Δ V = S*Δ T

Таким образом, это мера величины индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разницу температур в материале.

Для большинства проводников создается крошечное напряжение, всего несколько микровольт на градус разницы температур. Для полупроводниковых материалов коэффициент может составлять от 100 мкВ/°К до 300 мкВ/°К, что в любом случае очень мало. Это происходит главным образом потому, что кинетическая энергия носителей заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры, тогда как в металлах она не так сильно зависит от температуры.

В более общем случае коэффициент Зеебека является нелинейным и зависит от материала проводника, его молекулярной структуры и абсолютной температуры.Напряжение Зеебека не зависит от распределения температуры вдоль проводника, а только от разности температур между концами. Коэффициент Зеебека часто ошибочно называют термоЭДС или термоЭДС (это напряжение, а не мощность).

Термоэлектрические материалы

Идеальные термоэлектрические материалы должны обладать следующими свойствами:

• Высокий коэффициент Зеебека S — для получения максимального выходного напряжения на градус разницы температур.
• Высокая электропроводность σ — для минимизации джоулева нагрева
• Низкая теплопроводность λ — для ограничения распространения тепла по устройству с целью поддержания большого температурного градиента.

В целях сравнения применимость термоэлектрических материалов для выработки электроэнергии, а также для нагрева и охлаждения можно охарактеризовать с помощью добротности, включающей эти свойства.

Показатель качества Z термоэлектрического материала является мерой его эффективности в качестве компонента преобразования энергии и определяется как:

Z = σS ²

      λ

Материалы с высокими термоэлектрическими показателями качества обычно представляют собой сильно легированные полупроводники, и в течение многих лет лучшие материалы имели показатель качества около 1.Последние достижения в области материаловедения увеличили это число примерно до 4,

.

Выходное напряжение термопары

На практике для извлечения полезного тока из концов токопроводящего стержня требуется подключение проводов к конечным точкам, по существу образуя второй проводник параллельно между источником тепла и радиатором. Таким образом, напряжение, генерируемое в проводах, будет противодействовать напряжению, генерируемому на стержне, а генерируемое чистое напряжение будет разностью между напряжениями, генерируемыми на стержне и на проводах.Схема, содержащая два разнородных металла, образует термопару.

Термоэлектрическое напряжение, генерируемое в одном проводнике, уже очень мало. Соединение проводов через проводник для извлечения электрической энергии вводит в цепь противоположное напряжение, так что доступное чистое полезное напряжение становится еще меньше.

На приведенной ниже диаграмме показано напряжение, развиваемое термопарой.

Это физическая основа термопары, которая часто используется для измерения температуры и в особых случаях для производства электроэнергии. См. Практические устройства ниже

Термоэлектрическая эффективность

Эффективность термопары зависит от основных свойств термоэлектрических материалов, используемых в ее конструкции, и единственный способ улучшить ее — разработать новые материалы с более высоким показателем качества. Несмотря на 180 лет экспериментов с множеством различных материалов, типичная эффективность термоэлектрического преобразования по-прежнему составляет всего около 3%, а эффективность выше 10% никогда не достигалась.Наилучший КПД, достигнутый на сегодняшний день в космических аппаратах, составляет от 7% до 8%, что аналогично солнечным элементам на основе аморфного кремния (Si), но уступает 24%, достигаемым солнечными элементами с использованием экзотических материалов.

Существуют гораздо более эффективные способы преобразования тепла в электричество, чем использование термоэлектрических устройств.

Практические термоэлектрические устройства

Поскольку эффективность преобразования очень низкая, применение термопар в основном ограничено маломощными устройствами.Затраты также очень высоки, что еще больше ограничивает их потенциальное использование.

Более высокая электрическая мощность может быть достигнута в устройствах Зеебека за счет использования большего количества тепла за счет увеличения разницы температур между горячими и холодными поверхностями. Ограничивающими факторами здесь являются термическая и химическая стойкость термоэлектрического материала при высоких температурах и способность отводить избыточное тепло от холодной поверхности.

Точно так же эффективность охлаждения устройств Пельтье может быть улучшена за счет использования более высоких токов, но применяются те же ограничивающие факторы, за исключением того, что в этом случае избыточное тепло должно отводиться от горячей поверхности.

• Применения с низким энергопотреблением

Типичными применениями термопар, использующих эффект Зеебека, являются измерение температуры, определение тепла и обнаружение излучения в болометрах.Термоэлектрические батареи, работающие от тепла тела, также используются в портативных медицинских устройствах мониторинга.

 

• Термобатарея

Поскольку энергия, получаемая от одной термопары, очень мала, для создания термоэлектрических устройств, способных передавать практическое количество энергии, необходимо использовать массивы термопар. Устройства большей мощности могут быть изготовлены путем последовательного соединения термопар для увеличения емкости по напряжению и параллельно для увеличения емкости по току. Такой массив термопар называется термобатареей.

Термобатарея

 

Термоэлектрические генераторы могут использоваться почти так же, как фотоэлектрические устройства, и могут использоваться те же электрические вспомогательные цепи. Например, более высокое выходное напряжение может быть достигнуто за счет использования массива для управления преобразователем постоянного тока в постоянный.

 

• Термобатареи на эффекте Пельтье по существу представляют собой тепловые насосы, которые перекачивают тепло с одной стороны устройства на другую.Они используются для обеспечения термоэлектрического охлаждения, однако эффективность устройств на эффекте Пельтье обычно составляет от 5% до 10%, что намного меньше, чем от 40% до 50%, достижимых с компрессорными холодильными установками, что ограничивает их использование небольшими портативными холодильниками. и охлаждающие плиты.

 

• Термобатареи на эффекте Зеебека используются для преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах (ТЭГ) с выходной электрической мощностью 1000 Вт и более.

 

ТЭГ

в течение некоторого времени использовались в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) для обеспечения портативной энергии в космических аппаратах с использованием тепла распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний-238. См. «Ядерные батареи».

 

Совсем недавно изучается возможность использования массивов термопар в автомобильных приложениях для рекуперации отработанного тепла выхлопных газов двигателя.При температуре выхлопных газов 250°C и температуре охлаждающей жидкости 50°C достигается выходная мощность более 300 Вт, но она падает до 150 Вт при повышении температуры охлаждающей жидкости до 90°C

См. также Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (2) Термическая батарея AMTEC

Вернуться к Обзор электроэнергии

Термоэлектрический генератор Упрощенное учебное пособие – Электротехника 123

Если вам нужно узнать все о термоэлектрическом генераторе, эта страница для вас.

Термоэлектрический генератор энергии представляет собой полупроводниковое устройство, обеспечивающее прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Термоэлектрические генераторы функционируют как тепловые двигатели, но менее громоздки, не имеют движущихся частей и совершенно бесшумны.

Самое приятное то, что с помощью термоэлектрического генератора мы можем напрямую преобразовывать отработанное тепло в электрическую энергию без дополнительных процессов, перемещений или потерь энергии.

В автомобилях термоэлектрический генератор (ТЭГ) представляет собой устройство, которое преобразует отработанное тепло в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) в электричество с использованием эффекта Зеебека.

Типовой ТЭГ состоит из трех основных элементов:

1. Теплообменник горячей стороны,
2. Теплообменник холодной стороны,
3. Термоэлектрические материалы.

Автомобильные термоэлектрические генераторы АТЭГ могут преобразовывать отработанное тепло охлаждающей жидкости или выхлопных газов двигателя в электричество. Восстанавливая эту потерянную в противном случае энергию, ATEG уменьшают потребление топлива нагрузкой электрогенератора на двигатель.

Основным принципом электрогенератора этого типа является «Эффект Зеебека».

Прежде чем перейти к дальнейшим подробностям о термоэлектрическом генераторе, давайте сначала узнаем об эффекте генератора Зеебека.

Что такое эффект генератора Зеебека

Выработка термоэлектрической энергии основана на явлении под названием «эффект Зеебека», открытом Томасом Зеебеком в 1821 году. разнородных материалов (металлов или полупроводников) генерируется напряжение, известное как напряжение Зеебека.

Q(h)= высокотемпературный теплообмен

T(h)=высокотемпературный

Q(l)=низкотемпературный теплообмен

T(l)=низкотемпературный

Вт(e)= выходная энергия

W(e)=Q(h)-Q(l)

Конструкция и работа термоэлектрического генератора

Термоэлектрический генератор состоит из множества пар элементов p-типа и n-типа.

Дырки являются носителями заряда в p-типе, которые имеют положительный коэффициент Зеебека, в то время как в n-типе электроны являются носителями заряда, которые имеют отрицательный коэффициент Зеебека.

Напряжение, возникающее на p-n переходе, пропорционально разности коэффициента Зеебека в каждом элементе и температуре перехода.

Электроны как носители заряда в n-типе и Дырки как носители заряда в p-типе перемещаются из сильно нагретой области проводника в слабо нагретую область проводника. Из-за движения носителей заряда внутри проводника будет производиться ток.

Существуют обычные термоэлектрические устройства различных размеров как для бытового, так и для коммерческого использования.Типичные размеры варьируются от 3×4 кв. мм до 75×5 кв. мм. Обычно они имеют длину 50 мм.

Высота модулей варьируется от 1 мм до 5 мм. Эти термоэлектрические модули содержат от 3 до 127 термопар.

Существуют многокаскадные термоэлектрические модули высотой 20 мм.

Ниже представлена ​​принципиальная схема, показывающая компоненты и расположение типовой одноступенчатой ​​термоэлектрической установки.

Характеристики термоэлектрического генератора

Характеристики термоэлектрических устройств зависят от добротности (ZT) материала.(2)/kr

где,

Z – добротность термоэлектрического материала

a – коэффициент Зеебека

k – общая теплопроводность

R – удельное электрическое сопротивление

ZT = a T/kR

где T=T(h)+T(l)/2

Эффективность Карно n = 1- T(l)/T(h)

Эффективность преобразования как функция температуры и добротности материала модуля .

С увеличением значения T(h) эффективность преобразования увеличивается.

Но с увеличением значения Z обратное влияние на эффективность преобразования.

Преимущества термоэлектрического генератора

• отсутствие движущихся элементов
• экологическая безопасность
• отсутствие рабочих жидкостей и газов
• малошумная работа
• уменьшенный размер и вес
• высокая надежность

93 часов

• плавная и точная регулировка холодопроизводительности и температуры
• устойчивость к механическим нагрузкам
• работа в любом пространственном положении
• легкое переключение с режима охлаждения на режим нагрева

Технология изготовления термоэлектрических микропреобразователей

1. Тип Sb2te пленка наносится путем термического совместного испарения с последующим нанесением никеля

2. Фоторезист и элементы P-типа моделируются методом фотолитографии.

3. Никель травится в травителе хрома, термоэлектрическая пленка моделируется методом жидкостного травления HNO3. HCL, фоторезист удаляется.

4. Пленка n-типа, нанесенная путем совместного испарения, с последующим нанесением слоя никеля толщиной 100 мкм.

5. Фоторезист наносится методом фотолитографии на элемент n-типа.

6. Тип N травится в HNO3, фоторезист удаляется, контакты осаждаются, начиная со слоя никеля, за которым следует слой алюминия толщиной 1 мкм, фоторезист удаляется.

7. Защитный слой Si3N4 также может быть нанесен методом низкотемпературного химического осаждения из паровой фазы с горячей проволокой, и в зависимости от области применения может быть сформирован рисунок.

Материалы, используемые для термоэлектрического генератора

Керамическая пластина из алюминия.

Горячие и холодные пластины, обычно соединенные с материалом с высокой проводимостью, таким как медь.

Коммерческие материалы: – эти материалы подразделяются на три категории.

(a) Низкотемпературный материал (около 450K, используемый материал — комбинация сплава Bi с Sb, Se, Te)

(b) Среднетемпературный материал (от 450K до 850K, используемый материал — сплав Pb)

(c ) Высокотемпературный материал (до 1300К, используемый материал-сплав Si и Ge)

Новые материалы снижают решеточную теплопроводность без типичного негативного влияния на электропроводность от одновременного повышенного рассеяния электронов.

Наиболее распространенным материалом, используемым для этого генератора, является теллурид свинца. Теллурид свинца представляет собой соединение свинца и теллура с небольшим количеством висмута или натрия.

TEC / Руководство по проектированию элементов Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока.Контроллеры TEC используются для управления элементами Пельтье.
В этом руководстве по проектированию системы содержится информация о том, как спроектировать простую систему термоэлектрического охлаждения с использованием контроллеров TEC и элементов Пельтье. При разработке термоэлектрического приложения охлаждение является критической частью. Итак, мы возьмем случай охлаждения объекта в качестве примера для руководства по проектированию.

Обзор продукта контроллера TEC

Содержимое

Разработка полной термоэлектрической системы может быть большой сложной задачей.Однако для более простой системы не стоит теряться в деталях. Это руководство является отправной точкой для оценки конструктивных параметров с некоторыми упрощениями для нового применения термоэлектрического охлаждения.
Шаг за шагом проходим все необходимые этапы проектирования, выделяем важные моменты и, наконец, просчитываем пример приложения. Рассмотрим систему с однокаскадным элементом Пельтье. Многоступенчатые элементы Пельтье достигают более низких температур, но их конструкция более сложна.

Консультации по сложным теплотехническим проектам

Мы сотрудничаем с Elinter AG, поставщиком полных, более сложных решений в области теплового проектирования.Elinter может помочь вам в разработке вашего термоэлектрического приложения. Это включает в себя моделирование, проектирование, механическую конструкцию, а также выбор подходящей электроники, радиаторов и тепловых трубок.

Термоэлектрическое охлаждение Видео

В этом видео объясняются основы термоэлектрического охлаждения. Мы приводим примеры важных шагов проектирования для успешного проектирования термоэлектрического приложения с использованием контроллеров ТЭО и элементов Пельтье.

Справочная информация

Термоэлектрическое охлаждение и нагрев используются для различных приложений, даже при активном охлаждении ниже температуры окружающей среды или высокой точности температуры (стабильность <0.01 °C). Контроллер ТЭО — источник тока для элемента Пельтье — в сочетании с элементом Пельтье активно регулирует температуру данного объекта. Это делается без акустических и электрических шумов, вибраций и механических движущихся частей. Переход от охлаждения к нагреву возможен путем изменения направления тока без каких-либо механических изменений.

Существуют температурные ограничения при работе с элементами Пельтье. Они доступны с максимальной рабочей температурой 200 °C, где этот предел определяется температурой оплавления припоя и герметика.Другим ограничением является максимальная температура между горячей и холодной сторонами элемента Пельтье. В общих приложениях разница около 50 К может быть реализована с помощью одного элемента каскада.
При использовании элемента Пельтье в качестве термоэлектрического охладителя существует предел, при котором температура снова будет повышаться по мере увеличения подаваемого тока. Это происходит из-за рассеивания мощности (I ² Ом) внутри элемента Пельтье при потреблении большего тока, чем I _max .

Типовая термоэлектрическая система

Основными частями термоэлектрической системы охлаждения, которые имеют отношение к нашему процессу проектирования, являются следующие:

• Контроллер ТЕС
• Элемент Пельтье
• Радиатор

Еще одна важная часть, напарник радиатора, не видна напрямую. Это окружающий воздух с его температурой, где тепло рассеивается.
Помимо упомянутых выше частей, в комплексном приложении важны и другие компоненты. Это, например, датчики температуры, программное обеспечение для настройки и мониторинга контроллера TEC, вентилятор и, конечно же, источник питания.

В следующем видеоролике представлен обзор контроллеров семейства TEC и их функций.

Тепловая схема

На этой схеме простой термоэлектрической системы показаны объекты, участвующие в пути теплового потока от объекта к окружающему воздуху.Это упрощенная схема, в которой мы предполагаем идеальную теплоизоляцию объектов, напр. температура объектов не зависит от конвекции. (Q — теплоемкость каждой детали.)

Упрощенная схема системы охлаждения

Следующая, еще более упрощенная схема, представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. В данном случае объект охлаждается до -5 °С холодной стороной элемента Пельтье.Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35°С. Радиатор отдает тепло окружающему воздуху, температура которого составляет 25 °C.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая диаграмма температуры

Процесс проектирования

При проектировании термоэлектрического охлаждения необходимо выполнить следующие шаги:

1. Расчет тепловой нагрузки охлаждаемого объекта
2. Определить рабочий диапазон температуры объекта и радиатора
3. Выберите элемент Пельтье, удовлетворяющий требованиям
4. Выберите контроллер TEC с подходящим диапазоном мощности
5. Выберите радиатор для элемента Пельтье
6. Выберите вентилятор для обдува радиатора (дополнительно)
7. Выберите датчик температуры объекта и дополнительный датчик раковины
8. Выберите источник питания для блока управления TEC

Это повторяющийся процесс. Протестируйте свою экспериментальную установку, улучшите ее, повторите вышеописанные шаги.

1. Оценка тепловых нагрузок

Важным параметром является количество тепла, которое должно быть поглощено от объекта холодной поверхностью ТЭМ или элемента Пельтье. (Q _C [Вт])
В зависимости от применения следует учитывать различные типы тепловой нагрузки:

• Рассеиваемая мощность
• Радиация
• Конвективный
• Проводящий
• Динамический (dQ/dT)

Эти нагрузки суммируются в тепловой нагрузке Q _C , которая передается с холодной стороны на горячую, где расположен радиатор.

2. Определение температуры

Обычно задача состоит в том, чтобы охладить объект до некоторой заданной температуры. Если охлаждаемый объект находится в контакте с холодной поверхностью термоэлектрического модуля, температуру объекта можно считать равной температуре холодной стороны элемента Пельтье через определенное время.

При определении применения термоэлектрического охлаждения важны два конструктивных параметра.

• T _O температура объекта (температура холодной стороны) [°C]
• T _HS температура радиатора (температура горячей стороны) [°C] = T _am + ΔT _HS
  См. раздел 5.Теплоотвод для получения дополнительной информации.

Разница между T _O и T _HS известна как dT (ΔT или deltaT) [K]:
dT = T _HS — T _O = T _amb + ΔT 9 Т _О

3. Выбор элемента Пельтье/модуля ТЕМ

Элемент Пельтье создает разницу температур между двумя его сторонами из-за протекания тока. Этот раздел основан на справочной информации со следующих страниц:

Одним из важных критериев является коэффициент полезного действия (COP) при выборе элемента Пельтье.Определение COP представляет собой тепло, поглощаемое на холодной стороне, деленное на входную мощность элемента Пельтье: COP = Q _C / P _el
Результатом максимального COP является минимальная входная мощность Пельтье, таким образом, минимальная общая тепло рассеивается радиатором. (Q _h = Q _C + P _el ) Следовательно, мы пытаемся найти рабочий ток, который в сочетании с определенным dT приводит к оптимальному COP.

Наконец, мы получаем оценку Q _max , что позволяет нам выбрать элемент Пельтье.

Добавляем расчетный запас на

• выбор элемента Пельтье с мощностью теплового насоса большей, чем требуется,
• путем разработки системы с рабочим током значительно ниже I _max элемента Пельтье,
• или в качестве третьего варианта, увеличив размер радиатора или добавив к нему вентилятор для поддержания низкой температуры горячей стороны.

При применении этих мер изменение температуры окружающей среды или активной тепловой нагрузки не приводит к тепловому разгону.

Список дистрибьюторов см. на странице Элементы Пельтье.

4. Выбор контроллера TEC

Контроллер TEC регулирует ток, подаваемый на элемент Пельтье, в соответствии с желаемой температурой объекта и фактической измеренной температурой объекта.

Мы выбираем рабочий ток для достижения оптимального КПД. Основываясь на этом токе, мы выбираем контроллер TEC, а не на основе I _max .

Обзор наших устройств см. на странице продукта контроллера TEC.

5. Радиатор

Радиатор поглощает тепловую нагрузку на горячей стороне элемента Пельтье и рассеивает ее в окружающий воздух.

Необходимо сделать запас по размерам радиатора, чтобы не допустить слишком высокой температуры. Следующая диаграмма показывает, что тепло Q _ч , отбрасываемое элементом Пельтье, может быть в 2,6 раза больше Q _max . Это связано с внутренним выделением тепла в элементе Пельтье во время откачки тепла.Следовательно, общее количество тепла, которое должно быть рассеяно на радиаторе, состоит из тепла объекта и тепла, произведенного внутри элемента Пельтье.

На приведенном ниже графике показана зависимость между теплом, отводимым элементом Пельтье, и током для различных значений dT. Используйте графики, предоставленные производителем элемента Пельтье, для оценки тепла, рассеиваемого радиатором.

Поскольку радиатор должен вписываться в приложение по форме и размерам, эффективность контроллера TEC также играет решающую роль, поскольку размер радиатора связан с ним.В зависимости от ваших требований, решением может стать изготовленный на заказ радиатор или тепловая трубка.

Термическое сопротивление рассчитывается по формуле: R _thHS = ΔT _HS  / Q _ч [К/Вт]
ΔT _HS = разница температур между радиатором и температурой окружающего воздуха [K]
Q _h = Общая тепловая нагрузка (объект + потери на элементе Пельтье) [Вт]

Для оценки ΔT _HS учитывайте максимально возможную температуру окружающей среды, чтобы в этом случае ваши расчеты были верны.

Зависимость отведенного тепла от dT

На следующем графике показано отношение между Q _h и Q _C для различных значений dT. Отношение возрастает экспоненциально при каждом увеличении dT. Это означает, что при больших dT большое количество тепла рассеивается радиатором при сравнительно небольшом количестве тепла, поглощаемом на холодной стороне элемента Пельтье.

Мы также можем использовать этот график для оценки результирующего теплоотвода на основе количества переданного тепла Q _C даже до выбора элемента Пельтье.

Для расчета теплового сопротивления мы принимаем реалистичное значение dT _HS . Так как мы еще не знаем настоящего Q _h , оцениваем его по приведенному выше графику.

Найти отношение Q _h /Q _C при данных токе и dT.

Выберите желаемую разницу температур радиатора и температуры окружающего воздуха ΔT _HS .

Теперь мы можем заменить в приведенной выше формуле для R _thHS Q _h нашим отношением Q _h / Q _C .

R _thHS  = ΔT _HS  / (отношение*Q _C )

Конечно, размеры остаются в силе только в том случае, если позже мы будем работать с элементом Пельтье в выбранной рабочей точке (т. е. с выбранным током).

Выбором теплового сопротивления радиатора можно влиять на dT = T _амб + ΔT _HS — T _O .
(ΔT _HS = Q _h /R _thHS )

Дистрибьюторы/Производители

6.Вентилятор

Вентилятор охлаждения радиатора снижает тепловое сопротивление радиатора окружающему воздуху.

Таким образом, вентилятор увеличивает тепловую производительность. Это уменьшает разницу температур dT или позволяет использовать радиаторы меньшего размера.

Контроллеры TEC позволяют управлять двумя вентиляторами, которые поддерживают следующие функции:

• Вход управляющего ШИМ-сигнала для управления скоростью вращения вентилятора. TEC генерирует ШИМ-сигнал частотой 1 кГц или 25 кГц в диапазоне от 0 до 100 %.
• Выходной сигнал генератора частоты, представляющий скорость вращения. Выход должен быть выходным сигналом с открытым коллектором.

Рекомендуется использовать вентилятор с таким же напряжением питания, как и напряжение питания контроллера ТЭО.

Рекомендации вентилятора

Для получения подробной информации о рекомендуемых функциях вентилятора и оптимальных настройках обратитесь к главе 6.3 Руководства пользователя семейства TEC (PDF).

Подключение вентилятора к контроллеру TEC

См. страницу примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить вентилятор.

7. Примеры расчетов

В качестве примера рассчитываем расчетные параметры термоэлектрической системы охлаждения.

Есть два тепловых параметра , которые необходимы для выбора элемента Пельтье.

• Максимальная холодопроизводительность Q _макс.
• Разность температур dT

Оценка тепловых нагрузок и определение температуры

Предположим, что объект с тепловой нагрузкой Q _C = 10 Вт охлаждается до нуля градусов Цельсия.(T _O = 0 °C) Предположим, что температура в помещении составляет 25 °C, а температура радиатора T _S ожидается на уровне 30 °C. Таким образом, разница температур между холодной и горячей сторонами элемента Пельтье dT составляет 30 К. Важно помнить, что было бы некорректно рассчитывать dT как разницу между температурой окружающего воздуха и температурой желаемого объекта.

Выбор модуля Пельтье/ПЭМ

Наша цель — найти Q _max , который будет достаточно большим, чтобы покрыть необходимое количество Q _C , и даст наилучший COP.

На графике производительности по сравнению с током мы обнаруживаем максимум кривой dT = 30 K при токе I/I _max = 0,45 . Как правило, это соотношение не должно быть выше 0,7.

Используя этот коэффициент для тока, мы находим на графике тепловой насос по сравнению с током значение Q _C /Q _max = 0,25 для данной разницы температур dT = 30 K и относительного тока 0,45.

Теперь мы можем рассчитать Q _max для элемента Пельтье. Q _макс. = Q _C  / 0,25 = 10 Вт / 0,25 = 40 Вт

На графике производительности по сравнению с текущим графиком мы находим COP = 0,6 для нашего ранее считанного I/I _max . Это позволяет нам рассчитать P _el = Q _C / COP = 10 Вт / 0,6 = 16,7 Вт .

Производители элементов Пельтье предлагают широкий ассортимент элементов. В их продуктовой линейке мы ищем элемент с Q _max мощностью 40 Вт.Поскольку у нас есть разница температур dT = 30 K, достаточно одноступенчатого элемента Пельтье.

В качестве примера выберем элемент Пельтье с Q _max = 41 Вт, dT _max = 68 K, I _max = 5 A и V _max = 15,4 В.

Рабочий ток и напряжение рассчитываются следующим образом:
I = I _max * (I/I _max ) = 5 A * 0,45 = 2,25 A
V = P _{= 16,7 Вт/3. 83 А = 7,42 В}

Выбор контроллера TEC

На основании расчетных значений выбираем ТЭО-контроллер ТЭЦ-1091 с выходным током 4 А и выходным напряжением 21 В. Хорошо добавить некоторый расчетный запас, выбрав контроллер ТЭО с более высоким, чем требуется, выходным током. Позже, когда производительность системы станет известна, может оказаться достаточным другой контроллер с меньшей производительностью.

Радиатор

Чтобы найти радиатор для элемента Пельтье, нам нужно знать требуемое тепловое сопротивление радиатора.На графике тепловыделения по сравнению с током мы находим Q _h / Q _max = 0,6 для выбранных нами тока и dT. Таким образом, Q _ч = Q _max * 0,6 = 41 Вт * 0,6 = 24,6 Вт.

Расчет теплового сопротивления радиатора:
R _thHS = ΔT _HS  / Q _ч = 5 K / 24,6 Вт = 0,2 К/Вт
чем 0,2 К/Вт.

Приведенные выше расчеты являются первой оценкой параметров термоэлектрической системы охлаждения.Тестирование реальной системы и итерация этапов проектирования необходимы для определения оптимальных параметров системы.

8. Датчики температуры

Датчики температуры используются контроллером ТЕС для измерения температуры объектов и температуры радиатора.

Измерение температуры объекта

Чтобы иметь возможность контролировать температуру объекта, необходимо разместить на объекте температурный зонд (датчик). Обратите внимание, что важно расположить датчик как можно ближе к критической точке на объекте, где вам нужна нужная температура.

Поскольку измерение температуры объекта требует более высокой точности и большего диапазона, мы предлагаем использовать датчики Pt100. Чтобы иметь возможность измерять температуры намного ниже 0 °C, необходимы датчики Pt100/1000. Это связано с тем, что, если температура становится слишком низкой, датчики NTC нельзя использовать, так как значение сопротивления становится слишком большим. Значение сопротивления датчика должно быть меньше эталонного сопротивления в контроллере ТЭО.

При использовании датчиков Pt100/1000 температура объекта измеряется с использованием четырехконтактного метода измерения (4-проводное измерение) для достижения более высокой точности при низком сопротивлении.Для измерения NTC используется двухпроводная технология.

Термин «4-проводной» не означает, что необходим датчик с четырьмя контактами. Используются отдельные пары токоведущих и чувствительных к напряжению электродов. (Дополнительная информация о четырехконтактном распознавании)

Диапазон измерения температуры контроллера TEC зависит как от датчика температуры, так и от аппаратной конфигурации. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему техническому описанию для получения подробной информации.

Подключение датчика температуры

Обратитесь к странице примечаний к контроллеру TEC, чтобы узнать, как подключить датчик температуры.

9. Требования к источнику питания

Блок питания является источником питания для контроллера ТЭО.

В зависимости от выбранного контроллера ТЭО необходимо выбрать блок питания. Убедитесь, что источник питания способен обеспечить мощность, необходимую для управления ТЭО с элементом Пельтье. (Как правило, вы можете добавить 10% резерва. Умножьте необходимую выходную мощность TEC на 1,1.) Обратитесь к техническому описанию контроллера для получения информации о соотношении входного и выходного напряжения.

Рекомендации по источнику питания

10. Проверьте настройки

Теперь, когда вы выбрали компоненты системы, вы настроили приложение и начали тестирование и оптимизацию. Чтобы упростить сборку и первоначальную настройку с помощью нашего сервисного программного обеспечения, обратитесь к нашему пошаговому руководству по настройке контроллера TEC.
Комплексное сервисное программное обеспечение можно загрузить и использовать бесплатно.

11. Термоэлектрические охлаждающие узлы

Также доступны универсальные предварительно собранные термоэлектрические охлаждающие узлы, если вы не хотите создавать систему с нуля. Эти модули обычно содержат металлическую пластину для крепления объекта, элемент Пельтье, радиатор и вентилятор. Использование таких сборок интересно на этапе прототипирования для первых экспериментов.

Полностью распечатанные термоэлектрические генераторы оригами для сбора энергии

4.

Suarez, F., Nozariasbmarz, A., Vashaee, D. & Öztürk, M.C. Разработка термоэлектрических генераторов для носимой электроники с автономным питанием. Энергетика Окружающая среда. науч. 9 , 2099–2113 (2016).

КАС
Статья

Google Scholar

21.

Шульц-Хардер, Дж. Процесс производства модулей Пельтье и модуль Пельтье. Патент США. заявл. Опубл. US200

417A1 (2009).

26.

Ядзава, К. и Шакури, А. Компромисс между затратами и эффективностью и конструкция термоэлектрических генераторов. Окружающая среда. науч. Технол. 45 , 7548–7553 (2011).

КАС
Статья

Google Scholar