Холодильное оборудование и комплексы для охлаждения воздуха являются неотъемлемыми элементами повседневной жизни. Однако стандартные объемные конструкции на базе хладагентов нецелесообразны для мобильного применения, к примеру, в сумках-холодильниках. В таких случаях используются приборы, основанные на работе эффекта Пельтье, о котором мы детально расскажем в данном материале.

В основе элемента Пельтье или термоэлектрического охладителя лежит термопара из двух элементов с p- и n- типом проводимости, которые соединяются коммутационной медной пластиной. Детали в большинстве случаев изготовляются из висмута, теллура, сурьмы и селена. Такие устройства применяются в системах охлаждения бытового применения, также они имеют свойство вырабатывать энергию.

Что это такое?

Явление и термин Пельтье предполагают открытие, сделанное в 1834 году французским ученым Жаном-Шарлем Пельтье. Суть открытия состоит в том, что постоянно выделяется или поглощается тепло на участке, где происходит контакт двух разнонаправленных проводников, по которым течет электроток.

Классическая теория объясняет данное явление таким образом: при помощи электротока между металлами переносятся электроны, ускоряющиеся или замедляющиеся, в зависимости от контактной разности потенциалов на проводниках из металла с разным уровнем проводимости. Элементы Пельтье таким образом способствуют превращению кинетической энергии в тепловую.

На втором проводнике происходит обратный эффект, где необходимо пополнение энергии на основании фундаментального закона физики. Происходит такая ситуация благодаря процессу теплового колебания, в результате которого металл второго проводника охлаждается.

При помощи современных технологий можно изготовить модуль Пельтье с максимальным термоэлектрическим эффектом.

Устройство и принцип работы

Современные модули Пельтье являют собой конструкцию, в которой присутствуют две пластины-изолятора, а между ними в строгой последовательности соединены термопары. Стандартная схема данного элемента для лучшего понимания его функционирования приведена на рисунке.

Обозначения элементов конструкции:

• А – контакты, при помощи которых осуществляется подсоединение к источнику питания;
• В – горячая поверхность;
• С – холодная сторона;
• D – проводники из меди;
• E – полупроводник р-перехода;
• F – полупроводник типа n.

Элемент изготовляется так, что обе поверхности находятся в контакте с p-n или n-p переходами, исходя из полярности. Контакты p-n нагреваются, а n-p температура снижается. В результате на концах элемента появляется разница температур DT. Такой эффект означает, что тепловая энергия, которая перемещается между элементами модуля, регулирует температурный режим в зависимости от полярности. Также следует отметить, что в случае изменения полярности меняются горячая и холодная поверхности.

Технические характеристики

Технические параметры элемента Пельтье предполагают такие значения:

• холодопроизводительность (Qmax) – рассчитывается на базе предельного тока и разницы температурного режима между концами модуля. Единица измерения – Ватт;
• предельная температурная разница (DTmax) – измеряется в градусах, данная характеристика приводится для оптимальных условий;
• Imax – предельная сила электротока, требуемая для обеспечения большей разницы температуры;
• предельное напряжение Umax, которое требуется для электротока Imax для достижения максимальной температурной разницы DTmax;
• Resistance – внутреннее сопротивление устройства, измеряется в Омах;
• СОР – коэффициент эффективности или КПД модуля Пельтье, который отражает соотношение охлаждающей и потребляемой мощностей. В зависимости от особенностей устройства, для недорогих устройств показатель находится в пределах 0,3-0,35, для более дорогих моделей он варьируется до 0,5.

Преимуществами мобильного элемента Пельтье являются небольшие габариты, обратимость процесса, а также возможность использования в качестве переносного электрогенератора или холодильника.

Недостатками модуля являются дороговизна, невысокий КПД в рамках 3%, большие затраты электроэнергии и необходимость постоянного поддержания разницы температурных режимов.

Применение

Даже учитывая невысокий коэффициент эффективности, пластины в модуле Пельтье широко применяются в измерительных, вычислительных приборах, а также в переносной бытовой технике. Приведем перечень устройств, в которых модели являются неотъемлемой частью:

• переносные холодильные устройства;
• небольшие генераторы электричества;
• комплексы охлаждения в ПК и ноутбуках;
• кулеры для подогрева и охлаждения питьевой воды;
• осушители воздуха.

Как подключить

Подключить модуль Пельтье можно самостоятельно, это не потребует много времени и усилий. На контакты выходов требуется подать постоянное напряжение, которое указано в инструкции по эксплуатации прибора. Красный провод подсоединяется к плюсу, а черный – к минусу. Обратите внимание, что при изменении полярности поменяются местами нагреваемая и охлаждаемая поверхности.

Перед подключением рекомендуется проверить работоспособность элемента. Одним из простых и надежных способов, как проверить устройство, является тактильный метод: для этого необходимо подсоединить устройство к источнику электротока и прикоснуться к разным контактам. У нормально функционирующего устройства одни контакты будут теплыми, а другие – охлажденными.

Также можно выполнить проверку при помощи мультиметра и зажигалки. Для этого нужно подсоединить щупы в контактам устройства, поднести зажигалку к одной стороне и наблюдать за показаниями мультиметра. Если элемент Пельтье работает в стандартном режиме, в процессе нагрева на одной стороне будет вырабатываться электроток, а данные о напряжении отобразятся на экране мультиметра.

Как сделать элемент пельтье своими руками

Элемент Пельтье нецелесообразно изготовлять в домашних условиях в связи с небольшой стоимостью и необходимостью специальных знаний для создания работоспособного элемента. Однако своими руками можно собрать эффективный мобильный термоэлектрический генератор, который пригодится на даче или в туристическом походе.

С целью стабилизации электрического напряжения потребуется собрать самостоятельно стандартный преобразователь на микросхеме ИМС L6920. На вход устройства необходимо подать напряжение 0,8-5,5 В, а на выходе он будет выдавать 5 В, этого значения достаточно для зарядки аккумулятора мобильных устройств в стандартном режиме. Если применяется стандартное электронное устройство Пельтье, тогда потребуется ограничение предельного значения температуры нагреваемой поверхности до 150 градусов. Для простоты контроля температуры целесообразно применять котелок с кипящей водой, тогда модель не будет нагреваться свыше 100 градусов.

Пластины Пельтье широко используются с целью охлаждения современной бытовой техники, в кондиционерах, эффективность устройства доказали в частности для стабилизации теплового режима и охлаждения мощного процессора. На основе элемента Пельтье часто изготовляются в домашних условиях эффективные мобильные холодильники для дачи или автомобиля, питания радиатора. В силу обратимости процесса, самодельные элементы используются в роли мобильных небольших электростанций в местностях без источника электроэнергии.

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.

Здравствуйте, меня зовут Данил, и я параноик. Паранойя моя заключается в том, что я убежден в неминуемом приходе Большого Песца. В каком обличье этот самый песец придет, не важно – если останемся в живых, то, скорее всего, придется начинать жить с нуля. А жить гораздо веселее, когда у тебя есть, от чего зарядить аккумуляторы в фонарике и дозиметре. Тех, кто считает так же (а также и всех любопытствующих), прошу под кат (осторожно, тяжелые фотки).

Исследовательская часть

Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.

Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.

Обмозговав эти доводы, я приуныл. Но вскоре случайно наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, исключительно ссылка на исходный материал). Я просидел на нем безвылазно двое суток, и в процессе наткнулся на прелюбопытную статью про печку-щепочницу из корпуса от компьютерного БП с элементом Пельтье на боку (ссылка в конце поста). В комментариях было много скептики, но автор писал, что спокойно заряжал телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя… Я загорелся.

Конструкторская часть

Пока элемент Пельтье ехал, я продумал конструкцию будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (прекрасно подошел древний процессорный радиатор), а также откопал на просторах Интернета схему DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 ампер при напряжении 5 вольт.

Делать печку-щепочницу по примеру из той статьи я посчитал не целесообразным. Металл, из которого делают компьютерное железо, очень мягкий, от воздействия высоких температур его «поведет», да и прогорит он быстро. Поэтому было решено сделать «съемный вариант» генератора, который можно было бы закрепить на боку стационарной печки или прислонить к стоящему на костре котелку. А чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом огне, нужна была термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстой алюминиевой пластины размерами 100х120х5 миллиметров.

Чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке, а к нему, в свою очередь, прижать радиатор, я решил использовать детский металлический конструктор, который я когда-то покупал для нужд робототехники.

Технологическая часть

Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.

Первая неприятность, которая меня подстерегала – это 12-вольтовый штатный вентилятор на радиаторе. Так как я собираюсь добывать всего 5 вольт, да еще и при довольно небольшом максимальном токе, то это могло создать проблему.

Сначала я закинул удочки во все радио- и компьютерные магазины Перми, однако нигде не нашлось вентилятора 80х80 миллиметров на 5 вольт. А если и были, то меньших размеров и на ток более 200 мА, что было слишком много.

Затем я покопался на Ибее и обнаружил, что нужный мне вентилятор стоит от 300 рублей. Но надеяться на скорую доставку было бессмысленно, и поэтому я оставил этот вариант как резервный.

И только после всех поисков я догадался включить штатный 12-вольтовый вентилятор к 5-вольтовому источнику напряжения. Оказалось, что он вполне неплохо дует, и при этом потребляет не очень большой ток. Поэтому я решил пока оставить его, а после проведения испытаний при необходимости заказать вентилятор на Ибее.

Принципиальная схема преобразователя является типовой и взята из даташита.

Для схемы была разведена печатная плата, на которой предусмотрено крепление к основанию-подложке с помощью все тех же деталей от детского конструктора. За перегрев платы я не беспокоюсь, так как она имеет принудительное охлаждение потоком воздуха, выдуваемым из радиатора.

Плата изготовлена при помощи ЛУТа и собрана. Оказалось, что корпус TSSOP-8 паять без фена очень неудобно. Но мы люди тертые, FTDI-микросхемы с шагом ножек 0,4 миллиметра паяли.

Для начала оказалось, что я перепутал полярность подключения элемента к преобразователю. Хотя вроде бы все было правильно – черный провод – к минусу, красный – к плюсу. Однако работать генератор не хотел. Тогда я изменил полярность подключения элемента.

Генератор заработал – сначала загорелись оба светодиода, сигнализируя о наличии 5 вольт на выходе и низком напряжении на входе, затем красный светодиод погас – напряжение поднялось выше полутора вольт.

К моему неудовольствию оказалось, что без вентилятора через пару минут работы системы радиатор ощутимо нагрелся. Так дело не пойдет.

На следующий день я прогулялся по металлорынку и нескольким компьютерным барахолкам, но на мой вопрос о 5-вольтовых вентиляторах везде разводили руками и советовали сходить «еще вон в то место», в котором я уже был пару минут назад. В итоге я поехал домой не солоно хлебавши.

Дома я провел эксперимент по запитке штатного 12-вольтового вентилятора от выходных 5 вольт преобразователя. Результаты меня не порадовали – преобразователь с явной неохотой погасил красный светодиод, а вентилятор несколько секунд слабо подергивался, пытаясь запуститься. Воздушного потока от работающего в полсилы вентилятора оказалось недостаточно для нормального охлаждения – радиатор так же быстро нагрелся, хоть и не обжигал теперь пальцы. В итоге вентилятор я решил все же заказать с Ибея.

Результат

По приезду вентилятора (Ибей обещает середину марта-начало апреля) проверю охлаждение. Плюс нужно будет протестировать работу генератора в «боевых» условиях – на костре.

За качество фотографий извиняюсь - фотограф из меня никакой. Ссылка на вдохновившую меня статью.

Лучшее время для работы термогенератора на основе элементов пельтье, это конечно же зима. Потому что их нужно хорошо охлаждать, чтобы хоть что-то получить.

В эксперименте с испытанием мощного генератора использованы 12 модулей Пельтье TEC1-12706. Самые дешевые и популярные, продаются в этом китайском магазине . Для него есть кулер охлаждения .

Охлаждение в показанном примере осуществлялось вентилятором мощностью 5,4 ватта, 12 вольт.

О том, что это такое элемент Пельтье, какие у него характеристики и как работает, конструкции рабочих моделей, описано в нескольких статьях на нашем сайте, которые вы легко сможете найти через строку удобного поиска.

Цель эксперимента узнать, какую максимальную мощность может выдать обычный китайский самый дешевый термоэлемент в зимнее время года.
Итак, с началом эксперимента печь растоплена, когда дрова немного разгорелись, термогенератор начал работать и запустился вентилятор. Он охлаждает холодную сторону термоэлементов. Схема простейшая. В конце видео показано, как собирается такой термогенератор.

В ходе эксперимента будет достигнуто максимальное напряжение холостого хода этого генератора. Потом при помощи потенциометра это напряжение будет понижено ровно вполовину. Тем самым уровняется сопротивление генератора и сопротивление нагрузки. Тогда в генераторе и в нагрузке рассеивается одна и та же величина мощности. Это даст 50 процентную мощность, точнее кпд 50% отдаваемой мощности. Это соответствует эффективности всего лишь 50%. Но зато выход такой мощности будет максимальным в таком соотношении. Но передача максимальной мощности имеет место только при таком соотношении!
По мере разогрева печи растет напряжение, выдаваемое электрогенератором. Вентилятор набрал обороты, это довольно мощный вентилятор мощностью 5,5 ватт. Поэтому часть мощности он будет отбирать на себя. Та мощность, которую сейчас будет определена, это будет полезная мощность. Больше 26 вольт напряжение не поднимается. Подключаем потенциометр и начинаем добавлять сопротивление.

Теперь плавно доводим напряжение до 13 вольт. Зафиксирована мощность 9 ватт. Пока шли настройки, генератор прогрелся и мощность упала на 1,5 ватт.
Кратковременно удалось получить до 9 ватт. Но потом мощность упала и остановилась в пределах 7,5 ватт. Но этот показатель держался стабильно. Этой мощности хватит для зарядки любого телефона, смартфона или планшета.

Из 12 элементов пельтье получается 0,5 ватт и более на один элемент. При температуре воздуха ноль градусов это неплохой показатель на воздушном охлаждении. При температуре -20 результат был бы на порядок выше. Поэтому вполне возможно получить даже до одного ватта на один элемент пельтье, но при большом морозе.
Теперь вентилятор будет подключен через ваттметр для того, чтобы посмотреть, сколько полезной энергии расходуется на его работу. Прибор показал 6 ватт. Если бы не этот вентилятор, можно было бы добавить еще 5-6 ватт к мощности этого термогенератора.
В продолжение эксперимента вентилятор планировалось отключить, чтобы охлаждение делать с помощью снега. После того, как вентилятор сброшен, радиатор будет обильно покрыт снегом. Однако, в эксперименте произошла неожиданная авария. После того, как был снят вентилятор, печка перегрелась и вышел из строя какой-то из элементов пельтье, расплавившись без охлаждения. В системе произошло разъединение контактов. Поэтому вентилятор является в данном устройстве полезным элементом. Для безопасности же необходимо использовать защитные решетки.

Вывод следующий: порядка 1 ватта на элемент пельтье можно получить при хорошем морозе. Есть места, например якутия или дальний север, температура доходит до минус 50 градусов цельсия. Так что там 1 ватт с элемента получить будет просто. Представьте, в юрте печка, а за ней стена размером 1 x 2 м. Теплый стороной внутрь печки, а холодный наружу, где мороз и ветер. С одного квадратного метра таких элементов можно снять до 0,5 киловатта электричества. То есть, с 2 квадратных метров можно получить до одного киловатта электроэнергии.

Такие мощные печи на основе элементов производятся в России. Называются они “Электрогенерирующая печь Индигирка”. Купить их можно в этом магазине , скидочный промокод 11920924.

Конструкция такого термогенератора предельно проста. 12 самых дешевых китайских элементах пельтье зажимаются между двумя алюминиевыми радиаторами, которые должны иметь ровные, в идеале полированные, поверхности. Естественно, на каждую сторону термоэлемента наносится термопаста. Скручиваем радиаторы болтами и соединяем проводами. Крепим кулер, желательно мощнее. Ну и сама печка. Это кусок оцинковки, лучше нержавейки. Крепится к горячему радиатору болтами. Потом делается дно с отверстиями 7-8 миллиметров для забора воздуха.

Есть продолжение этого эксперимента. Чтобы найти его, напишите в поиске по сайту: Пельтье на воздушном охлаждении.

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 4x4 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

Воснове работы элемента Пельтье лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье. В1834 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 исполь зования 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. Керамичес кая 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 1,4x1,4x1,5 мм. Размеры модулей - 40x40 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 20x25 см. Параметры генератора приведены в табл.3 .

А.Кашкаров.