Электрификация

Справочник домашнего мастера

Генератор на пельтье

Эксперимент по постройке термоэлектрического генератора на основе элементов Пельтье

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

Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества.
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

Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (на эксперименты хватит). Обошелся он мне в 320 рублей. Что порадовало, так это ускоренная, с отслеживанием, но бесплатная доставка. Плюс товар отправили буквально через час после оплаты (а дело было в воскресенье).
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.
Но вот элемент Пельтье приехал, и настало время для сборки.

Технологическая часть

У нас был радиатор, алюминиевая пластина, элемент Пельтье, горстка радиодеталей, кусок фольгированного текстолита и самые разные винтики и гайки. Дальше не помню.
Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.
Прошу прощения за размеченную и просверленную в двух местах пластину – до меня только после дошло, что неплохо бы фотографировать весь процесс сборки с самого начала.
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.
Я разметил алюминиевую пластину и просверлил в ней два отверстия для крепления радиатора и два – для платы преобразователя напряжения. Отверстия я сделал диаметром 4 миллиметра (под винты из конструктора), а с внешней стороны расширил их до 7,5 миллиметров, чтобы скрыть шляпки винтов. После этого я скруглил напильником острые углы и прошелся крупной наждачкой по всем поверхностям пластины, и мелкой – по месту прижатия элемента Пельтье.
На этом обработку подложки я посчитал завершенной и приступил к изготовлению преобразователя напряжения.
Импульсный повышающий преобразователь напряжения собран на ИМС L6920, которая начинает работать при входном напряжении 0,8 вольт и позволяет снять со своего выхода фиксированное напряжение 3,3 или 5 вольт, или изменяемое от 1,8 до 5,5 вольт.
Принципиальная схема преобразователя является типовой и взята из даташита.
Для получения 5 вольт на выходе схемы ножка 1 соединена с общим проводом. Также настроена выдача низкого уровня на ножке 3 при падении входного напряжения ниже 1,5 вольт.
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.
Пришлось повозиться с макросом корпуса, в котором была купленная мной микросхема. На сайте магазина значилось, что она в корпусе SSOP-8. Как оказалось, в стандартном наборе макросов Sprint Layout нет такого корпуса. Я нашел чертеж корпуса SSOP-8 и сделал макрос, после чего развел плату. После пробной печати выяснилось, что микросхема несколько шире, и на свои контактные площадки не помещается. Гугление конкретной модели микросхемы (L6920D) привело меня на сайт Чип-Дипа, где я узнал, что ИМС с индексом D изготавливается в корпусе TSSOP-8. Почесав затылок, я нашел чертеж этого корпуса, создал макрос и переразвел плату. Теперь все оказалось правильно.

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.
Теперь можно заняться установкой элемента Пельтье и радиатора. Подложку и радиатор в местах контакта с элементом я намазал термопастой. Затем стянул получившийся «бутерброд» гайками.
Оказалось, что плата преобразователя не влезает, упирается входным разъемом в радиатор, слегка не рассчитал. Перевернул крепежные скобы, плату вывесил наружу, а для защиты элементов от механических повреждений добавил еще две скобы. Вот что в итоге получилось:
Теперь можно проверить работоспособность генератора. Я нагревал его на газовой горелке. Вентилятор решил пока не ставить.
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

Несмотря на низкий КПД элемента Пельтье в режиме генерации, промежуточный результат я все же получил – при подключении к выходу преобразователя портативного аккумулятора с заявленным током заряда 1000 мА генератор смог дать ток около 600 мА. Думаю, для зарядки большинства гаджетов в условиях Большого Песца этого тока вполне хватит.
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: тыц.
Успехов!

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 40×40 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:

Лампы – 100 Вт

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.

Его характеристики.

Производитель: Robin-Subaru (Россия);

Мощность: 12 кВт\12кВА;

Напряжение: 230 В;

Коэффициент мощности: 1 (сos φ);

Коэффициент фаз: 1;

Частота: 50 Гц;

Запуск: электростарт;

Вид топлива: бензин;

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

Ёмкость топливного бака: 26 литров;

Исполнение: открытое;

Уровень шума: 74 Дб;

Преимущества генератора Robin-Subaru:

Малые размеры;

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.

Походный мини-генератор Waterlily работает на ветре и воде

Всем известно, что современные путешественники нуждаются в электроэнергии. Это заставляет многих Outdoor-производителей выпускать продукцию, которая поможет получить ее с использованием «зеленых технологий» от солнца, ветра, воды, огня, и т.п. Компания Seaformatics присоединилась к таким производителям и представила универсальный туристический генератор Waterlily Micro Turbine, способный получать энергию от ветра, движения воды и мускульной силы.

При весе всего 800 грамм эта турбина генерирует максимум 25 ватт электроэнергии с использованием минимального ветра, скорость которого должна быть 10,8 км / ч. Кроме того, когда устройство погружают в реку, скорость потока воды должна находиться на уровне, как минимум, 1 км / ч. По рекомендации разработчика Seaformatics, для повышения производительности генератор можно прикрепить к катеру или лодке, или к велосипеду.

Если говорить точнее, то скорость движения воды должна находиться между 1 и 11 км в час. Оптимальный результат в 25 ватт достигается при скорости 7,2 км в час. В то же время оптимальной скоростью ветра является вариант 72 км в час.

Основная особенность турбины Waterlily заключается именно в ее универсальности. Обычно мы имеем дело либо с гидрогенератором, либо с ветрогенератором, либо с кинетическим генератором. Но конструкция новой модели позволяет использовать любой поток – водный или воздушный. Кроме того, разработчик оснастил ее рукояткой для ручного вращения, что позволит сделать генератор еще и кинетическим, что особо важно в условиях отсутствия ветра и водоемов.

Технические характеристики зарядки в воде:

• При скорости потока 0,7 метра в секунду смартфон заряжается за 8 часов (вероятно, АКБ 2100 мА-ч), а экшн-камера Go-Pro за 4,5 часа.
• При скорости 0,9 метра в секунду – 4 и 2 часа, соответственно.
• При скорости 1 метр в секунду – 2,5 и 1 час, соответственно.

Технические характеристики зарядки от ветра:

• При скорости ветра 25 км в час время зарядки смартфона 8 часов, а экшн-камеры Go-Pro – 4,5 часа.
• При скорости 31 км в час – 4 и 2 часа, соответственно.
• При скорости 36 км в час – 2,5 и 1 час, соответственно.

Технические характеристики турбины:

• Диаметр 18 см.
• Ширина 7,5 см.
• Масса 800 грамм.
• Выход USB — 2 шт (5V 5A макс.).

Первые заказчики получат универсальный туристический ветро- гидрогенератор Waterlily за 99 американских долларов. В дальнейшем стоимость повысится до розничной – 149 долларов. Начало продаж запланировано на август текущего года на сайте продукта waterlilyturbine.com.

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.

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.

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

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.

Недостатки:

  • 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.
  • Важен надежный тепловой контакт модуля с радиатором охлаждения.
  • Источник питания для модуля должен обеспечивать ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.
  • Не допустимо, для управления элементом Пельтье, использовать релейные регуляторы. Это приведет к быстрой деградации модуля. Каждое включение – выключение вызывает деградацию полупроводниковых термопар. Из-за резких изменений температуры между пластинами модуля возникают механические напряжения в местах спайки с полупроводниками. Производители элементов Пельтье нормируют количество циклов старт-стопов модуля. Для бытовых модулей это порядка 5000 циклов. Релейный регулятор выведет из строя модуль Пельтье за 1-2 месяца.
  • К тому же элемент Пельтье обладает высокой теплопроводностью между поверхностями. При выключении, тепло радиатора горячей стороны, через модуль будет передаваться на холодную сторону.
  • Недопустимо, для регулирования мощности на элементе Пельтье, использовать ШИМ модуляцию.
  • Чем надо питать элемент Пельтье источником тока или напряжения? Обычно используют источник напряжения. Он проще в реализации. Но вольт-амперная характеристика модуля Пельтье нелинейная и крутая. Т.е. при небольшом изменении напряжения ток меняется значительно. И вдобавок, характеристика меняется при изменении температуры поверхностей модуля. Надо стабилизировать мощность, т.е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Охлаждающая способность элемента Пельтье напрямую связана с электрической мощностью. Конечно, для этого необходим достаточно сложный регулятор.
  • Напряжение модуля зависит от количества термопар в нем. Чаще всего это 127 термопар, что соответствует напряжению 16 В. Разработчики элементов рекомендуют подавать до 12 В, или 75% Umax. При таком напряжении обеспечивается оптимальная эффективность модулей.
  • Модули имеют герметичное исполнение, их можно использовать даже в воде.
  • Полярность модуля отмечена цветами проводов – черный и красный. Как правило, красный (положительный) провод расположен справа, относительно холодной стороны.

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.

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.

Габаритный чертеж модуля 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.

Современный человек не представляет свою жизнь без холодильника. В нем мы храним различные продукты, медикаменты, косметику и т.д. Однако обычный холодильник нельзя взять с собой в путешествие. Для этой цели можно использовать специальную сумку с термоэлементом Пельтье.

Описание и сфера применения

Термоэлемент Пельтье – это специальное охлаждающее устройство, принцип действия которого основан на одноименном эффекте. Своим названием он обязан первооткрывателю Жану Шарлю Пельтье.

Суть эффекта заключается в том, что контакт разных проводников способствует выделению или поглощению тепла. Объясняется это следующим образом: контактная разность потенциалов заставляет электроны замедлять или ускорять свое движение. Соответственно, это приводит к выделению или поглощению тепловой энергии.

Элементы Пельтье нашли широкое применение в системе охлаждения. Они используются в автомобильных холодильниках, настольных охладителях, кулерах для воды и даже в процессорах компьютеров.

Технические характеристики

Как и все электронные устройства, элементы Пельтье имеют ряд технических характеристик, которые позволяют выбрать наиболее подходящий прибор. При покупке устройства необходимо обратить внимание на следующие показатели:

  • холодопроизводительность;
  • максимальный температурный перепад между сторонами элемента;
  • допустимую силу тока;
  • максимальное напряжение;
  • внутреннее сопротивление резистора;
  • коэффициент эффективности.

Все эти данные можно получить у производителя или найти в техническом паспорте устройства. Показатели следует подбирать в зависимости от цели, для которой приобретается прибор.

Внутреннее устройство и принцип работы

Элемент Пельтье представляет собой небольшой модуль, состоящий из двух пластин изоляторов, изготовленных из керамики. Между ними располагаются последовательно соединенные термопары. Соединение осуществляется с помощью медных шин. Количество термопар зависит от назначения устройства. Некоторые приборы могут иметь только одну пару, другие – несколько сотен.

Каждая термопара состоит из полупроводников р – типа и n – типа. Одна часть модуля контактирует с p-n парой, другая – с n-p. Сторона с p-n контактами нагревается, а противоположная, соответственно, охлаждается.

Расшифровка маркировок

Все термомодули имеют специальную маркировку, содержащую несколько букв и цифр. Данное обозначение легко расшифровывается:

  • первые две буквы всегда одинаковы – TE, они указывают на то, что это термоэлемент;
  • следующая буква обозначает размер: C – стандартный и S – маленький;
  • цифра, стоящая перед дефисом, показывает, сколько слоев в данном модуле;
  • первые три цифры после дефиса обозначают количество термопар;
  • последние две цифры несут информацию о величине номинального тока в Амперах.

Рассмотрим расшифровку на конкретном примере. На фото представлен термоэлемент стандартного размера с одним каскадом (слоем). Устройство имеет 127 термопар. А величина номинального тока равна 6 Амперам.

Плюсы и минусы устройства

Элемент Пельтье – это уникальное устройство, имеющее массу преимуществ. Среди них можно выделить следующие:

  • отсутствие движущихся деталей, жидкостей и газов;
  • бесшумная работа;
  • небольшие размеры;
  • возможность выполнения двух функций: нагревание и охлаждение.

Однако прибор имеет достаточное количество недостатков, из-за которых его нельзя использовать вместо обычного холодильника. Основными недостатками термоэлемета являются:

  • низкий КПД (прибор способен понизить температуру лишь на несколько градусов относительно окружающей среды);
  • отсутствие возможности работы без постоянного источника питания;
  • ограниченное число циклов запуск-отключение;
  • постепенное включение и отключение.

Элемент Пельтье используется во многих современных приборах, предназначенных для регулировки температуры. Устройство одновременно греется и охлаждается с разных сторон. Данный термоэлемент чаще всего используется в переносных или автомобильных холодильниках.

  • Модуль Пельтье. Мы рекомендуем TEC1-12712. Обратите внимание, что этот модуль выпускается в трех вариантах: 40х40, 50х50, 60х60. Чем больше размер, тем выше стоимость (примерная — 1000-2000 рублей). Нам понадобится либо 1 модуль размером 60х60 или выше, либо 2 модуля размером 40х40. Первые 3 цифры – количество элементов (127). Последние две цифры в маркировке – это максимальный ток. В нашем случае – 12А.
  • Повышающий преобразователь постоянного напряжения (до 5В). В большинстве случаев нам будет необходим ток с напряжением 5В. Этого хватит для зарядки телефона, фонарика, радио и для работы обычной лампы накаливания. Но наш генератор, скорее всего, будет выдавать ток меньшего напряжения. Необходимо его измерить и добавить в систему соответствующий преобразователь. Они могут быть как отечественного производства — КР1446ПН1 (или КР1446ПН1Е); повышающий преобразователь 3.3B/5B ЕК-1674. Так и импортного — 5V NCP1402; MAX 756. Цены на них могут существенно отличаться, но, немного поискав, можно купить подходящий преобразователь менее, чем за 10 у.е. Выход преобразователя зависит от того, для чего будет использоваться термогенератор Пельтье. Если для зарядки мобильника – USB разъем и.т.д.
  • Нагревательный элемент. Самый простой – костер. Как вариант, можно использовать свечи (только надо будет поправлять генератор по мере того, как свеча будет оплавляться). Принцип тут простой – нужно передать модулю Пельтье как можно больше тепла. Поэтому источник должен быть либо очень горячим – огонь газовой плиты, костер. Либо потери тепла нужно минимизировать. Для этого нагревательный элемент можно поместить в стакан, коробку. Ниже мы остановимся на этом подробнее.
  • Охлаждающий элемент. Самый простой – вода или сухой лед. Если вы находитесь у реки – можно попробовать использовать холодную воду. В этом случае нагревательный элемент будет сверху.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх