Элемент пельтье как повысить мощность
Перейти к содержимому

Элемент пельтье как повысить мощность

  • автор:

Элемент пельтье как повысить мощность

Элемент Пельтье

Дата распечатки 24.02.2024 21:57

Обычные стационарные холодильники, широко распространенные как в квартирах, так и частных домах, имеют охлаждающую систему на основе циркуляции хладагента от испарителя к конденсатору и обратно и оснащены одним или двумя компрессорами. В отличие от стандартной конструкции, работа сумки-холодильника основывается на совершенно иных принципах, в них отсутствуют как основные элементы, так и фреон, обеспечивающий отбор тепла. В сумках-холодильниках процесс охлаждения базируется на принципе работы элемента Пельтье, который и обеспечивает требуемое охлаждение. Данный элемент возможно собрать своими руками, для чего следует более подробно остановиться на принципе его работы и основных характеристиках.

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

  • Нижняя, горячая сторона.
  • Верхняя, холодная сторона.
  • Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
  • Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
  • Проводники из меди.
  • Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

  • p-n – нагрев.
  • n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

  • Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
  • DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона — 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
  • Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
  • Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
  • Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
  • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

  • Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
  • Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
    • С – classic, стандартный размер термоэлемента.
    • S – small, маленький размер.

    Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

    Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

    Области применения элементов Пельтье

    Хотя все подобные батареи, основанные на элементах Пельтье, имеют COP, равный 0,3-0,5, что фактически соответствует его КПД, они активно применяются в измерительных системах, разного рода вычислительной технике, а также как элемент многих бытовых приборов, а именно:

    • Как составляющие холодильных устройств (мобильных автохолодильниках).
    • В вычислительной технике, в видеокартах.
    • В бытовых кулерах для воды.
    • Как генератор электроэнергии, при этом одна из сторон элемента должна принудительно нагреваться.
    • Во всех видах цифровых устройств, где крайне важно качественное охлаждение (видеокамеры, микросхемы, приборы для осуществления связи).
    • В системах кондиционирования.
    • Для телескопической техники, которой необходимо охлаждение.
    • Как составляющий элемент приборов ночного видения.

    Некоторые примеры применения модулей на элементах Пельтье будут рассмотрены ниже.

    Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье

    Несмотря на то, что степень охлаждения, реализуемая с помощью элементов Пельтье, сильно уступает холодильникам компрессорного и абсорбционного типа, они активно применяются в качестве мобильных установок охлаждения, так как имеют следующие преимущества:

    • Простота конструктивного исполнения.
    • Нечувствительность к различному роду вибраций.
    • Наличие только статических деталей (исключение составляет система вентиляции, обеспечивающая охлаждение радиатора).
    • Бесшумность работы.
    • Компактность всего холодильника.
    • Отсутствие необходимости выравнивания всего устройства относительно одной, определенной поверхности.
    • Длительность эксплуатации без потери всех своих основных качеств.
    • Экономичность энергопотребления.

    Учитывая все вышесказанное, холодильники на элементам Пельтье идеально подходят как мобильные устройства.

    Использование элемента Пельтье в качестве генератора

    Как уже указывалось выше, термоэлектрические батареи могут быть использованы как генераторы электроэнергии при условии, что температуру одной из сторон необходимо повышать.

    Согласно эффекту Зеебека, при увеличении DT сторон модуля, будет также увеличиваться протекаемый I. Однако, максимально повышать DTmax не представляется возможным, так как слишком высокий уровень температур приведет к расплавлению припоя, что послужит причиной поломки всего устройства (стандартная максимальная температура нагрева обычных термоэлектрических модулей не превышает 150C).

    Данную проблему частично можно решить при помощи тугоплавких припоев, которые допускают Т нагрева до 300C. С учетом низкого COP, подобные конструкции применимы лишь в тех случаях, когда использование более эффективных генераторов не представляется возможным, а именно как и в случае с холодильником, для мобильных устройств.

    Подобные термогенераторы с мощностью от 25 до 10 Вт прекрасно подойдут жителям отдаленных мест, в длительных походах или при проведении геологоразведочных работ.

    Более мощные генераторы уже используют в качестве стационарных устройств и применяют для запитки ГРУ, приборов метеостанций и подобных установок.

    Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике

    В последнее время термоэлектрические модули стали активно применяться для охлаждения центрального процессора CPU в персональных компьютерах.

    Однако, рентабельность подобного применения батарей на элементах Пельтье достаточно мала по следующим причинам:

    1. Так как за счет небольшого значения коэффициента COP для эффективного охлаждения требуется запитывать устройство от достаточно мощного блока питания, это экономически невыгодно.
    2. Процессор в компьютере греется именно в тех случаях, когда ему приходится обрабатывать большой объем информации, в случаях, когда запущены или работают одновременно несколько программ. В ситуациях, когда компьютер просто включен или, к примеру, экран находится в спящем режиме, термоэлектрический модуль способен понизить температуру процессора до точки росы, при которой в любом случае начнется выпадение конденсата. А любая повышенная влажность, как известно, крайне губительна для электроники.

    Однако, при использовании гибридных систем охлаждения, при которых термоэлектрические модули работают совместно с другими видами, используемыми для понижения температуры, применение батарей на элементах Пельтье считается оправданным.

    Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях

    Согласно принципу действия, охлаждение при помощи термомодулей на элементах Пельтье вполне способно заменить мобильные системы климат-контроля в автомобилях. Однако, принимая во внимание низкий коэффициент COP, для понижения температуры в салоне автомобиля потребуется значительно большее количество электроэнергии, что экономически не рентабельно.

    С учетом того, что подобная автомобильная система климат-контроля будет запитываться от установленного в машине генератора, его мощности будет явно недостаточно, потребуется установка другого, более мощного агрегата. Однако с заменой штатного генератора на более мощный значительно вырастет расход бензина, что вряд ли устроит любого автомобилиста.

    Таким образом, применение охладителя на основе элементов Пельтье для систем кондиционирования в настоящее время не нашло должного применения.

    Применение элементов Пельтье в кулерах

    Во многих моделях современных кулеров, устанавливаемых в различных помещениях, охлаждение воды происходит посредством термоэлектрического модуля.

    При этом, конструкция всего устройства оказывается значительно проще и надежнее устройств компрессорного типа, и включает в себя следующие элементы:

    • Непосредственно модуль охлаждения на термоэлектрических элементах.
    • Управляющий контроллер.
    • Термостат.
    • Нагревательный элемент.

    Несмотря на то, что подобная схема выполнения диспенсеров для воды применяется повсеместно, она также имеет свои недостатки:

    • Минимальная температура холодной воды составляет всего лишь 10-12°C.
    • Длительное время понижения температуры до требуемых величин.
    • Данный вид кулера реагирует на температуру окружающей среды, при этом при повышенной Т в помещении он не сможет охладить воду до требуемого уровня.
    • С учетом того, что в конструкции модуля присутствует вентилятор, его нельзя устанавливать в промышленных цехах с высоким уровнем пыли, так как это приведет к поломке последнего.

    Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха

    Если в кондиционерах применение охлаждающих модулей на элементах Пельтье не рентабельно, то в компактных осушителях воздуха они нашли широкое применение, так как способны понижать температуру до точки росы. При этом происходит выпадение конденсата на специально предназначенном для этого элементе, который затем стекает в резервуар.

    Даже несмотря на то, что СОР устройства (КПД) очень невелик, его достаточно, чтобы использовать подобный прибор в качестве осушителя воздуха для небольших помещений.

    Работа с элементами Пельтье

    Подключение термоэлектрического модуля

    Подключение модуля на элементах Пельтье не представляет собой никаких сложностей, так как для этого на два выходящих конца достаточно подать U DC с источника питания ИП. При этом стоит обратить внимание на номинальное напряжение, указанное в техпаспорте.

    На красный конец провода подается «+», на черный – «-».

    Как уже указывалось выше, при ошибочном подключении начинает нагреваться другая поверхность.

    Проверка элемента Пельтье

    С учетом того, что термоэлектрический модуль должен нагреваться с одной стороны и охлаждаться с другой, самый простой вариант протестировать данное устройство – подать на него необходимое напряжение с ИП. При этом, одна сторона у него станет теплой, а вторая – холодной.

    При отсутствии ИП, можно провести проверку подручными средствами, а именно:

    • Взять обычный мультиметр и подключить его клеммы к выводам термоэлектрического модуля.
    • Зажечь пламя от спички или зажигалки и поднести к одной из пластин, прогрев ее.
    • Так как согласно закону Зеебека, разница температур вызовет протекание I, это отразится на экране прибора.

    Важно! Шкала показаний мультиметра должна быть выставлена на замер показаний по току.

    Сборка элемента Пельтье собственными силами

    Для тех, кто желает изготовить элемент Пельтье дома, своими руками, стоит отметить, что это практически невозможно. Подобные термоэлектрические модули легко можно приобрести в соответствующих магазинах радиодеталей, а их стоимость настолько невысока, что собирать его вручную становится просто невыгодным.

    Однако некоторые из подобных устройств на основе элемента Пельтье можно попробовать собрать самостоятельно. К примеру, портативный генератор на термоэлектрическом модуле сможет пригодиться в походах, поездках или долгих путешествиях.

    Для сборки генератора понадобится элемент ИМС L6920:

    Как видно из указанной схемы при входном U от 0,8 до 5,5В на выходных клеммах будет присутствовать U=5В. При использовании термоэлектрического модуля, можно ограничить его Т посредством применения походного котелка с кипятком, за счет чего по закону Зеебека на выходе пойдет ток, что и обеспечит имеющееся напряжение в 5 В.

    Элемент Пельтье своими руками посредством диодов

    Теоретически изготовить подобный элемент Пельтье на диодах вполне возможно.

    С учетом того, что с физической точки зрения работа термоэлектрического модуля заключается в разности проводимостей материалов p-n и n-p, то можно использовать обычные диоды, которые таковыми и являются. Однако, если данная схема будет работать при нагреве, то понизить температуру посредством диодов не представляется возможным.

    Диоды можно использовать как датчик температуры, причем при включении их в цепь в обратном направлении переход откроется, в результате чего I также пойдет в обратном направлении. Однако работать в качестве генератора данная схема не сможет.

    Таким образом, посредством элемента Пельтье можно осуществить сборку различных компактных приборов, что будет являться наиболее доступным и дешевым вариантом.

    Элемент пельтье как повысить мощность

    Практика применения элементов Пельтье.

    Автор: Александр Найденов, aleksandr.najdenov.1998@mail.ru
    Опубликовано 30.12.2013
    Создано при помощи КотоРед.

    Введение

    Как я знаю многие коты, которые любят ковыряться в компьютерах, задумывались о том, как охладить компьютер элементами Пельтье. Но не каждый задумывался о том, что эти элементы можно использовать в качестве источника напряжения с хорошими характеристиками. Ну так вот- спустя некоторое время родился у меня в голове вариант использования элементов Пельтье в качестве альтернативного источника электроэнергии. Так как я со своей кошечкой любим погулять на природе, и также любим мы гаджеты, которые сопровождают нас, то с помощью этой «Термоэлектрической шепотницы» (так я назвал этот агрегат), можно зарядить любой маломощный гаджет — телефон или фотоаппарат.

    Теория

    Принцип действия элемента Пельтье базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту. У элементов Пельтье есть такая особенность, что если нагреть одну и охдадить другую стороны, то элемент начинает генерировать электричество.

    Практика

    Теперь я вам расскажу о том, как можно применить элемент в качестве источника электоэнергии. Прошу извинения- фото процесса не будет так как фотоаппарат накрылся медным тазом, но расскажу подробно как могу. Для конструкции нам понадобятся сами элементы Пельтье, термопаста, радиатор(200см^2), стеклоткань или асбестовая ткань и банка с ровными стенками. Итак- берем стеклоткань, режем на куски под размер элементов и хорошенько пропитываем ее термопастой. Это нужно для лучшего теплообмена, так как термоэлементы выходят из строя при 250 градусов. Затем прикладываем этот материал на банку. Банка должна быть подготовлена, то есть в ней должны быть просверлены отверстия снизу для доступа воздуха. Как только мы положили пропитанную термопастой стеклоткань, кладем на эту поверхность термоэлектрические модули(сколько? а это по вашим возможностям). Модули должны быть подготовлены, то есть провода припаяны и выведены наружу в теплостойкой изоляции. Затем все элементы мы мажем термопастой, не жалея ее, так как нужна хорошая теплоотдача для большего КПД установки. После на термопасту мы прижимаем радиатор из алюминия и конечно прикручиваем его. Собственно и готово. Можно проверить работоспособность. Примечание Кота. Используйте обычную термопасту, без добавления металла! Металлизированная паста электропроводна, и ей можно закоротить полупроводниковые структуры элемента Пельте.

    Первое испытание

    Закидываем дровишки и подключаем мультиметр.

    Зажигаем и следим за показаниями. Показания зарегестрированы на 3 минуте после запуска.

    7 минут после поджига.

    Вот сила тока на 8 минуте.

    После 15 минут горения видно, что напряжение упало, так как нагрелся радиатор, но все же он умудряется охлаждать холодную сторону элемента.
    Испытания проводились при температуре -7 градусов.

    Мощность устройства: предпологаемая 3 ватта, получившаяся 2.5 ватт.

    Итак подведем итоги

    Конструкция получилась на скорую руку но рабочая, при этом отдавая положенное электричество. Есть одно но: напряжения одного элемента не хватает на зарядку аккумуляторов выше 3 вольт, для этого нужно собрать повышающий DC-DC преобразователь чтобы обеспечить 5 вольт для зарядки гаджета.

    Итого

    Затраты 200 рублей на термоэлектрический модуль из советского автомобильного холодильника.

    Заключение

    Аппарат был представлен на выставке по альтернативной энергетике в Усть-Каменогорске и занял 1 место. Так как была продемонстрирована возможность использования тепла огня не только для приготовления пищи и согревания, но и для получения электричества.

    XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019

    Элемент Пельтье, как генератор альтернативной электрической энергии

    Капориков А.А. 1
    1 Филиал МАГУ в г. Кировске
    Работа в формате PDF

    Текст работы размещён без изображений и формул.
    Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

    Часто приходится снабжать удаленные объекты дорогой электроэнергией в виде дизельных и бензиновых генераторов, что достаточно затратно, поэтому возникает вопрос экономии, и возможные пути решения данного осложнения. Объектом исследования для решения этой проблемы был взят альтернативный источник генерация электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя на основе элемента Пельтье (ЭП). Принцип действия, которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы ЭП (рис. 1) лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. По мере поглощения этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. А во время протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта, дополнительно к обычному тепловому эффекту. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

    Рис. 1 Строение элемента Пельтье

    Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже установленного порога.

    Недостатком ЭП является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

    Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

    В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы ЭП и продлит срок его службы.

    Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. На данных местностях для комфортной жизнедеятельности человека, как правило, имеется система отопления помещений, а, следовательно, создается необходимая разность температур. Снаружи температура может опускаться ниже 20 градусов по Цельсию, но в помещение она должна оставаться комфортной для человека. Из этого положения можно извлечь выгоду, поместив на стыке разности температур элементы Пельтье. За счет этого можно значительно снизить энергозатраты в холодное время года, получая и при необходимости запасая электроэнергию.

    Но элемент Пельтье не обязательно использовать в зонах с холодным климатом, его так же можно применить в областях с гидротермальными источниками, где стык температур будет появляться от горячей воды с одной стороны и охлаждающим радиатором, с другой стороны (рис.2). За счет этой разницы можно получить неплохой запас мощности, которую можно использовать, например, для питания оборудования, эксплуатируемого для изучения этих самых источников

    Рис.2 Применения элемента Пельтье в геотермической зоне

    Другим местом установки автономного генератора на основе элемента Пельтье, могут быть регионы с теплым или жарким климатом, где одна сторона будет повернута к источнику тепла, например, к Солнцу, а вторая помещена в землю, с естественным или принудительным охлаждением (рис.3). Одним из примеров такого расположение может являться погреб. Также эти элементы очень удобны во время походов, так как за их счет можно зарядить смартфон на энергии костра или запитать фонарик с помощью тепла организма.

    Рис.3 Элемент Пельтье в погребе

    Из выше перечисленных аргументов возникает вопрос внедрения автономных генераторов электрической энергии на основе элемента Пельтье точечно в выгодные области применения. Но на данный момент их производство не сильно развито из-за нехватки большого количества потребителей, и поэтому ЭП имеют большую стоимость. Средняя цена за 1 ячейку, стандартного размера 40 x 40 мм, составляет 80 рублей. Но как только данным генератором заинтересуется мировое сообщество, а именно выгодоприобретатели в качестве инвесторов, их производство начнет развиваться, а цена уменьшаться, и в дальнейшем появиться разнообразные размеры ячеек.

    На сегодняшний день реализуемо и выгодно использовать данный элемент в качестве компактных и переносных генераторов малой мощности. Рассмотрим мобильные устройства на основе элементов Пельтье. А именно переносное зарядное устройство для телефона и других мобильных устройств. Чем больше будет перепад температур между телом человека и окружающей средой, тем выше будет эффективность ЭП и тем меньше понадобиться элементов-ячеек, но для максимально КПД необходим перепад температур в 100 градусов по Цельсию, а один стандартный элемент-ячейка при таких условиях вырабатывает 5 В и 2 Вт мощности на холостом ходе, но при нагрузке мощность и напряжение сокращаются вдвое, из-за низкого коэффициента полезного действия. Т.к. элементы Пельтье довольно компактные их можно встроить в неподвижные области штанов, куртки и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемым человеком, другая охлаждаться от окружающей среды. А для зарядки смартфона необходимо не менее 12 В, т.е. около шести элементов Пельтье. Средняя цена на элемент Пельтье составляет 100 рублей, итоговая стоимость составит 600 рублей, это дешевле обычных переносных зарядных устройств, которые ещё нужно зарядить перед использованием.

    Следующим примером, который несложно реализуем, является установка для источника энергии в походе, как зимой, так и летом, от которой можно заряжать различные маломощные потребители, такие как телефоны, фонарики, холодильники на элементе Пельтье, а также запасать электроэнергию в аккумуляторы. Если вырабатывать энергию летом, то эффективным временным промежутком является ночное время суток, т.к. температура опускается до 10-15 градусов, от этого будет питаться сторона с меньшей температурой, а другая нагреваться от костра, который необходим для обогрева экспедиции. Другой, и более эффективный вариант, это использование данного генератора в зимний период, т.к. возможная разница температур будет существенно больше. Одна часть будет соприкасаться с костром, другая с емкостью для снега, к которой прикрепляются радиаторы с вентиляторами. Чтобы выработать мощность в 24 Вт, потребуется около 12 ЭП, кулер на 5,4 Вт, 2 алюминиевых радиатора, термопаста, умножитель напряжения, если потребуется запитать потребители с большим напряжением напряжению, и сама печка из нержавеющей стали. Экономически расчет показывает выгодность данного походного устройства, 12 элементов Пельтье за 1200 рублей (при оптовой закупке будет дешевле), кулер – 800 рублей, термопаста 600 рублей, 2 алюминиевых радиатора по 300 рублей, а для умножителя напряжения потребуется 4 диода и 4 конденсатора общей стоимостью 300 рублей. Итого 3500 рублей за походный автономный источник электроэнергии на элементах Пельтье. (рис.5). Он не занимает много места, поэтому очень удобен в походах и экспедициях. Если одного генератора будет недостаточно, есть два пути решения: — добавить ещё один генератор; — улучшить схему умножителя напряжения посредством добавления диодов и конденсаторов.

    Рис. 4 Переносной генератор Пельтье

    Но одним из самых эффективных и логических способов использования ЭП, является внедрение его в удаленные метеостанции, которые расположены по всему земному шару. Будь это холодный климат, где данный генератор будет намного эффективнее, либо же в областях, где температура окружающей среды не опускается ниже 15 градусов по Цельсию. Один из примеров такого использования будут являться метеостанции и другие объекты, находящиеся в Арктической зоне. Т.к. в наши дни значение Арктики многократно возрастает. Она становится местом самого пристального внимания стран и народов в качестве региона, от самочувствия которого во многом зависит климат планеты, и в качестве сокровищницы уникальной природы, и, как территория с колоссальными экономическими возможностями, с огромным экономическим потенциалом.

    Экономическая часть

    Объектом исследования была выбрана метеостанция в Арктической зоне.

    Для наблюдения за изменениями климата исследователю (человеку) необходимо жильё с комфортными условиями жизни, а именно: отопление и электричество. Необходимая мощность 12 кВт, включающая в себя:

    Персональные компьютеры для обработки данных, полученных в результате наблюдения — 800Вт

    Холодильник 200 Вт

    Прожектор для ночного освещения — 300 Вт

    Микроволновая печь СВЧ — 1500 Вт

    Обогреватель — 1500 Вт

    Электрочайник — 1500 Вт

    Стиральная машина — 3000 Вт

    Электроплита (2 конфорки) — 4000 Вт

    Для обеспечения энергией понадобится бензиновые генератор Robin-Subaru (Россия) EB 12.0/230-SLE. Его цена составляет 213 тысяч рублей.

    Производитель: Robin-Subaru ( Россия);

    Мощность: 12 кВт\12кВА;

    Напряжение: 230 В;

    Коэффициент мощности: 1 (сos φ);

    Коэффициент фаз: 1;

    Вид топлива: бензин;

    Расход топлива при нагрузке 75%: 3,8 литра;

    Ёмкость топливного бака: 26 литров;

    Уровень шума: 74 Дб;

    Преимущества генератора Robin-Subaru:

    Низкая цепа (в сравнении с другими генераторами мощностью 12 кВт).

    Расход генератора в час будет составлять 169,1 рубль (при нынешней цене на бензин 44,50 р за литр). Учитывая, что генератор расходует полный бак за день, можно сделать вывод , что затраты на день составят 1157 рублей.

    При установке элементов Пельтье на такую же мощность, нам понадобится 6000 штук, которые будут стоить около 550000 рублей (цена указана при поштучной покупке, оптом будет дешевле). Элементы Пельтье не требуют дополнительных расходов для производства энергии, они экологичны и бесшумны. Период самоокупаемости начнётся меньше чем через год, т.к. заправлять генератор необходимо каждый день, в течении года необходимо затратить 420 тысяч, это без учёта цены на доставку бензина. И в итоге за год с генератором расход составит 633 тысячи, при элементах Пельтье 650 тысяч.

    Сложностью электроснабжения объектов в Арктической зоне является отсутствие традиционных источников электрической энергии, поэтому на данный момент их замещают с помощью мобильных генераторов и электростанций, побочным эффектом которых является дорогая стоимость электроэнергии.

    Рис.5 Установка ЭП в зонах Арктики и Крайнего Севера

    Этот недостаток можно значительно уменьшить за счет внедрения автономных генераторов Пельтье, которые будут устанавливаться на стыке температур, в данном случае это будут стены сооружений, снаружи которых будет значительно ниже 0 градусов по Цельсию, а внутри значительно выше 0. А полученную электроэнергию для стабилизации запасать в аккумуляторные батареи (рис.4).

    Таким образом, на данный момент использование элемента Пельтье экономически целесообразно только в условиях, где можно получить большой перепад температур, не приводя к дополнительным расходам. В таких зонах как Арктики, Антарктики и регионы Крайнего Севера. Либо в качестве мобильного маломощного электрогенератора, когда нужно получить электрическую энергию, не затратив на это больших ресурсов, и не имея громоздких конструкций.

    Список литературы:

    Арктика и Антарктика. Вып. 3 (37) / РАН, Науч. совет по изучению Арктики и Антарктики : отв. ред. В. М. Котляков. — М. : Наука, 2004. — 247 с.

    Физика твердого тела Учеб. пос. / А. А. Василевский – М.: Дрофа, 2010. – 206 с.

    Теория твердого тела / О.Г. Медалунг. – М.: Наука, 1980. – 418 с.

    Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации

    Элемент Пельтье TEC1-12706

    Элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, который создает разность температур на своих поверхностях при протекании электрического тока. Принцип действия основан на эффекте Пельтье – возникновении разности температур в месте контакта проводников под действием электрического тока.

    • Устройство и принцип действия элемента Пельтье.
    • Применение.
    • Достоинства и недостатки.
    • Параметры элементов Пельтье.
    • Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.
    • Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706. Параметры, характеристики.

    Устройство и принцип действия элемента Пельтье.

    Думаю, что только знатоки физики могут понять, как на самом деле работает элемент Пельтье. Для практиков главное, что существует минимальная единица модуля – термопара, представляющая из себя два соединенных проводника p и n типа.

    Принцип действия элемента Пельтье

    При пропускании через термопару тока, происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n контакте. В результате, участок полупроводника, примыкающий к n-p переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то на оборот, n-p участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

    Существует и обратный эффект. При нагревании одной из сторон термопары, вырабатывается электрический ток.

    Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

    Принцип действия модуля Пельтье

    Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

    Модуль Пельтье

    Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Пельтье может достигать 70 °C.

    Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны, относительно другой. Т.е. чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

    Для увеличения перепада температур, возможно последовательное (каскадное) соединение модулей.

    Применение.

    Термоэлектрические модули Пельтье применяются:

    • в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
    • в охладителях воды;
    • в системах охлаждения электронных приборов;
    • в термоэлектрических генераторах.

    Я, используя элемент Пельтье, сделал холодильник для вина.

    Достоинства и недостатки модулей Пельтье.

    Как-то неправильно сравнивать элементы Пельтье с компрессорными охлаждающими установками. Совсем разные устройства – большая механическая система с компрессором, газом, жидкостью и маленький полупроводниковый компонент. А больше сравнивать не с чем. Поэтому достоинства и недостатки модулей Пельтье весьма условное понятие. Есть области, в которых они не заменимы, а в других случаях их применение совершенно нецелесообразно.

    К достоинству элементов Пельтье можно отнести:

    • отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
    • бесшумная работа;
    • небольшие размеры;
    • возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
    • возможность плавного регулирования мощности охлаждения.
    • низкий кпд;
    • необходимость в источнике питания;
    • ограниченное число старт-стопов ;
    • высокая стоимость мощных модулей.

    Параметры элементов Пельтье.

    • Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимально-допустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
    • Delta Tmax (град) — максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
    • Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
    • Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
    • Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
    • COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.

    Эксплуатационные требования к элементам Пельтье.

    Модули Пельтье – капризные устройства. Их применение сопряжено с рядом требований, не выполнение которых приводит: к деградации модуля или выходу из строя, снижению эффективности системы.

    • Модули выделяют значительное количество тепла. Для отвода тепла должен быть установлен соответствующий радиатор. Иначе:
      • Невозможно достичь нужной температуры холодной стороны, т.к. элемент Пельтье снижает температуру относительно горячей поверхности.
      • Допустимый нагрев горячей стороны как правило + 80 °C ( в высокотемпературных до 150 °C). Т.е. модуль может просто выйти из строя.
      • При высоких температурах кристаллы модуля деградируют, т.е. снижается эффективность и срок службы модуля.

      Мною был разработан контроллер элемента Пельтье для холодильника, удовлетворяющим всем этим требованиям. Он:

      • Вырабатывает питание для элемента Пельтье с пульсациями не более 2%.
      • Стабилизирует на модуле электрическую мощность, т.е. произведение тока на напряжение.
      • Обеспечивает плавное включение модуля.
      • Регулировка температуры происходит по принципу аналогового регулирования, т.е. плавного изменения мощности на элементе пельтье.
      • Контроллер разработан для холодильника, поэтому математика регуляторов учитывает инерционность охлаждения воздуха в камере.
      • Обеспечивает контроль температуры горячей стороны модуля и управление вентилятором.
      • Имеет высокий кпд, широкие функциональные возможности.

      Термоэлектрический модуль Пельтье TEC1-12706.

      Это самый распространенный тип элемента Пельтье. Используется во многих бытовых приборах. Не дорогой, с неплохими параметрами. Хороший вариант для изготовления маломощных холодильников, охладителей воды и т.п.

      Элемент Пельтье

      Характеристики модуля TEC1-12706 привожу в переводе на русский из документации TEC1-12706.pdf компании производителя – HB Corporation.

      Технические параметры TEC1-12706.

      Обозначение Параметр Значение, при температуре горячей стороны
      25 °C 50 °C
      Qmax Холодопроизводительность 50 Вт 57 Вт
      Delta Tmax Разность температур 66 °C 75 °C
      Imax Максимальный ток 6.4 А 6.4 А
      Umax Максимальное напряжение 14.4 В 16.4 В
      Resistance Сопротивление 1.98 Ом 2.3 Ом

      Графические характеристики.

      Характеристики TEC1-12706

      Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

      Габариты TEC1-12706

      Обозначение Размер
      A 40 мм
      B 40 мм
      C 3.8 мм

      Рекомендации по эксплуатации.

      • Максимально – допустимая температура 138 °C.
      • Не допустимо превышение значения параметров Imax и Umax.
      • Срок службы 200 000 часов.
      • Параметр частота отказов основан на длительных испытаниях с выборкой 0.2%.
      • Производитель — HB Corporation.

      Пример разработки на элементе Пельтье — холодильник для вина.

      Автор публикации

      не в сети 5 дней

      Эдуард

      Комментарии: 1928 Публикации: 197 Регистрация: 13-12-2015
      Рубрика: Электронные компоненты. Вы можете добавить постоянную ссылку в закладки.

      66 комментариев на « Элемент Пельтье TEC1-12706. Характеристики, применение, условия эксплуатации »

      Последовательно их можно питать?

      Можно, если одинаковые температуры поверхностей, т.е. если общие радиаторы горячей и холодной стороны.

      Повысится ли эффект при охлаждения горячей стороны и улучшения отбора низкой температуры
      Нельзя разное внутреннее сопротивление

      А будет ли работать два элемента положеных один на другой если холодная сторона нижнего элемента на радиаторе, на горячей стороне будет холодная сторона верхнего и на горячей стороне верхнего элемента будет радиатор. Ну и подключить элементы параллельно.

      Думаю, это плохое решение. Температура поверхностей элементов будет разная, значит разное сопротивление и разное распределение токов между элементами Пельтье.

      Ты их укладываешь последовательно — и питать тогда надо последовательно. Иначе, действительно, распределение токов будет разным.

      Не знаю потыкай пальцем не сгорит значит можно юный любобытный

      Будет, почему нет, но повозиться придется, это не так просто сделать.
      Такое каскадное соединение модулей применяется в астрономии — для охлаждения ПЗС-матриц видеокамер, при этом снижаются тепловые шумы и изображение становится чище.

      Евгений Эдуардович

      И не со всем могу согласится. Лично я получал на модуле Пельтье до — 42.188 градусов по С и я могу это доказать (измерял тем самым DS18B20 по USB), у меня есть видео эксперимента. Я же так же рассчитал КПД данного модуля на основе моих измерений и опытов и мои результаты отличаются от тех которые указаны у Вас (не знаю может ли быть это погрешностью). Если Вам интересны мои результаты то могу скинуть ссылку на моё видео в Ютубе.
      И вот ещё что, вот Вы говорите о том что применять ШИМ модуляцию не допустимо, а сами в другой статье сделали ШИМ контроллер именно по этому принципу. Да я понимаю что ёмкость и индуктивность сглаживают эти пульсации но готов поспорить осциллограф покажет грехи данной схемы.

      Евгений Эдуардович
      Сбрехал я получил минус 41.625 градусов по С
      Можно элемент использовать для нагрева детали при низких температурах? Будет ли эффективность?

      По моему мнению дешевле и проще использовать обычные нагреватели сопротивления. Т.е. нихромовые нагреватели.

      как его использовать для газового котла отопления дома для запитки циркуляционного насоса 220 В.?мощность насоса 25 вт.

      какой элемент пелтье лучше использовать для получения 220 В.?

      У меня нет опыта использования элемента Пельтье в качестве термогенератора. Но я думаю Вашей задачу реализовать будет сложно. Сложная конструкция, приличная мощность 25Вт. Элементы Пельтье вырабатывают постоянный ток. Для питания двигателя насоса Надо будет преобразовать его в переменный ток. Попробуйте откройте тему на форуме сайта. Может кто-то поделится опытом.

      Циркуляционному насосу нужно еще и переменное напряжение..
      Модули Пельтье — преобразователь DC/AC — насос
      Только стоить это будет значительно больше, чем бензогенератор.

      А как и можно ли соединить 20 штук таких элементов? Радиаторы для одной и с другой стороны будет будут едиными. Можно ли задать t° на разных сторонах или разница по t° является постоянной?

      Наверное, можно соединить. Температуру надо регулировать на одной стороне. Если это охладитель, то на холодной, если нагреватель, то на горячей.

      Во-первых, спасибо за статью. Полезная информация. Прошу подсказать в каком направлении двигаться. Хочу собрать автомобильный «кондиционер» на двух TEC1-12730 в последовательном соединении. На холодные части приклеить простой радиатор с кулером, на горячие части — waterblock компутерный с трубками, помпой и выносным радиатором….Как мне обеспечить стабилизированное питание «дешево и сердито»?… Первичный источник питания — АКБ авто 12 В либо свинцовый либо гелиевый…

      Здравствуйте!
      Я думаю вам, прежде всего, надо проверить саму конструкцию. Собрать макет конструкции, подключить к элементам Пельтье блок питания 12 В и проверить эффективность всей системы. Только потом думать о контроллере и системе питания.
      Мне кажется автомобильный кондиционер должен быть довольно большой мощности и применение в нем элементов Пельтье будет не эффективно. Но может я и ошибаюсь.

      Доброго дня! Именно потому, что я хочу начать с макета, я и употребил выражение «дешево и сердито»…заявленная холодопроизводительность моих TEC — 336 Вт каждый, я их беру два последовательно, получается максимальный ток потребления 60А….самое простое что я могу взять для питания — выдернуть АКБ из машины и запитать через некий стабилизатор….я, к сожалению, полный профан в радиотехнике…. Подскажите, пожалуйста, хотя бы какой категории БП мне искать из нижнего ценового диапазона…Если считать что стоимость китайских TEC невелика, то вопрос ресурса вторичный…. Буду очень признателен)

      Здравствуйте!
      Игорь, 60 А это большой ток. Ваш кондиционер моментально посадит аккумулятор или перегрузит сеть автомобиля. Я говорю про рабочий режим. Блоки питания такие есть, но они дорогие. Проверяйте на аккумуляторе.

      ваши модули по 30 Вт два вместе 60 Вт. Я автохолодильник переделывал для лучшего охлаждения . снял модуль ТЕС1-127050. Холодильник был с потреблением 60 Вт. Поставил на него модуль на 100 Вт и усилил обдувы. счас холодильник потребляет 10А. Вот. последние две цифри на маркировке это Вт.

      Владимир, какой вы использовали элемент вместо 12705? Модернизировали электрическую схему питания прибора?
      У меня такая же проблема, хочу заменить элемент. Стоит 12706. Хочу поставить тоже на 100 Вт и усилить обдув.
      Поделитесь опытом. Если можно — напишите свою электронку.

      Тоже заменил в сумке — холодильнике ТЕС1-12705 на ТЕС1-12710 в рсчёте на улучшение охлаждения. Ничего не получается. Напряжение с 15,1 догонял до 17,4, но тока выше 5 ампер не получил.Соответственно, разница температур так и осталась 10 С. При 17в начинает температура горячего радиатора подбираться к 50 С, что может привести к порче элемента, поэтому в таком режиме включал не на долго. Думаю, без замены радиаторов не обойтись. Но на изначально одинаковой температуры радиаторах ток всё равно не превышал 5 А. Это мне не понятно.

      Очень часто и на других ресурсах встречаются идеи об использовании модулей пельтье в авто-кондиционерах. Но на практике это почти невозможно при «традиционном» размещении радиаторов. Вы прельстились на декларированную холодопроизводительность >300 Вт, но забыли (или не знали?) что эта цифра намеряется лишь при разнице температур =0°C между хол. и гор. сторонами модуля! В реальном прототипе кондиционера разница будет выше 50°C при разумных условиях теплоотдачи с обоих сторон. В этом случае цифру >300 Вт смело делите на 4, а то и на 5 — вот это и будет реальная холодопроизводительность, что совершенно недостаточно для машины, а электросеть при этом будет уже перегружена. Если есть желание самому собрать кондиционер с электропитанием в авто, то обратите внимание на наборы для сборки кондиционеров на базе инверторных микрокомпрессоров. При минимальных размерах и токе потребл 200 Вт холода и их хол.производительность при увеличении разницы температур не падает так катастрофично как у Пельтье модулей.

      Эдуард, доброго времени суток! Вы пишите про недопустимые пульсации питающего напряжения свыше 5%, то что эффективность резко снижается. А с чем это связано? Вы не приводите по этому поводу никаких доводов, в документации приведенной вами тоже ничего не сказано про это. Эта информация из каких то официальных источников или эти выводы вы сделали на основании проведенных опытов? Спасибо вам за очень интересные статьи, почерпнул из них кое что для себя, особенно по программированию распределенных по времени задач на ардуинке. Тоже собираюсь повторить ваш опыт работы с Пельтье, идея была давно, но как то все не доходили руки. Собираюсь сделать климатическую камеру для созревания сыров, колбас, пива, с тремя-четырьмя независимыми зонами. Видимо придется на каждую зону ставить отдельный элемент Пельтье и контроллер, потому как в каждой зоне своя температура должна быть.

      Здравствуйте! Я давно писал эту статью. Опыта работы с элементами Пельтье у меня не много. Большую часть информации я почерпнул с сайтов производителей модулей Пельтье. Я уже не помню источники. Был какой-то сайт отечественного изготовителя модулей. Там приведены параметры относительно рабочих циклов. На каком-то форуме я нашел ссылки на зарубежных производителей. В интернете информации не много, но можно собрать по каплям.

      Эта информация про 5% пульсаций бродит по инету и даже в статьях от производителей, но сами же производители (типа криотерма) продают контроллеры для Пельтье на чистой ШИМ без всякого (. ) сглаживания пульсаций.
      Я много работал в разных конторах, где проектировал оборудование с термостатами на Пельтье с высоким уровнем точности регулирования (для аналит.биохим). В своё время участвовал в тестировании десятка модулей от 4-х производителей. ИТАК:
      1) Пельтье стареет только от ТЕРМО-МЕХАНИЧЕСКОГО стресса при циклировании, а не электрического стресса. То есть частота вкл-выкл должна быть достаточно низкой, чтобы быть заметной за термоинерционностью модуля.
      2) ШИМ НИКАК (. ) не влияет на время жизни модулей, если её частота >5Hz. При более низкой частоте эффект старения увеличивается, ибо элемент начинает испытывать термо-механ. циклирование. При частоте выше прибл 5 KHz могут проявлятся ёмкостные явления в полупроводнике и её тоже не стоит превышать. В пределах этих частот всё приблизительно идентично — и эффективность и время жизни.
      3) Действительно, эффективная теплопроизводительность прибл на 20% выше, если модуль, который изначально расчитан на 12 V будет питаться 5 V постоянного напр, по сравнению с модулем который питается 12 V c ШИМ 50%. Это согласуется с теорией физ.процессов в модуле. Сие можно понять просто анализируя графики холодопроизводительности модуля от напр. или тока питания. Если понять не удалось — то не стоит тратить время, а просто пользоваться выводами.
      3) При очень жёстком термо-механич. циклировании, когда элемент используется и как охладитель и как нагреватель с макс переполюсовкой макс напряжения до макс. температуры поверхности время жизни элемента может быть вообще 1000 таких циклов — у них одна из керамических поверхностей не припаяна к полупроводникам, а приклеена. Они специально разработаны для циклических режимов. Если у вас такое приложение — спрашивайте у производителей именно модули с приклеенной хол. пластиной. Однако их тепло-производительность на 15%…30% ниже аналогичных паяных. И цена может быть выше в разы. Успехов всем в проектировании!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *