Последовательное соединение элементов пельтье

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

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

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

Краткая теория

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

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

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

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

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

Пробуем

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

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

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

Выкатываем тяжелую артиллерию

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Выводы и видео на сладкое

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

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

ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

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

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.

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.

• 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.

Графические характеристики.

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706.

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.

Элемент Пельтье: принцип работы, применение и как сделать холодильник своими руками

В 1834 году французский учёный-физик Жан Шарль Пельтье, исследуя воздействие электричества на проводники, обнаружил очень интересный эффект. Если пропускать ток через два разнородных проводника, находящихся в непосредственной близости друг от друга, то один из этих проводников начинает сильно греться, а второй, наоборот, сильно охлаждаться. Количество выделяемого и поглощаемого тепла, напрямую зависит от силы и направления электрического тока. Если поменять направление тока, то поменяются местами холодная и горячая стороны. Чуть позже этот феномен получил название эффекта Пельтье и был благополучно забыт из-за практической невостребованности на тот момент.

И лишь спустя сто с лишним лет, с расцветом полупроводниковой эры, появилась настоятельная необходимость в компактных, недорогих и эффективных охладителях. Так, в 60х годах 20 века появились первые полупроводниковые термоэлектрические модули, которые получили название элементы Пельтье.

Термоэлемент Пельтье

В основе любого термоэлектрического модуля лежит тот факт, что разные проводники имеют разные уровни энергии электронов. Иными словами, один проводник можно представить как высокоэнергетическую область, второй проводник, как низкоэнергетическую область. При контакте двух токопроводящих материалов, во время пропускания через них электрического тока, электрону из низкоэнергетической области необходимо перейти в высокоэнергетическую область.

Этого не произойдет, если электрон не приобретёт необходимое количество энергии. В момент поглощения этой энергии электроном, происходит охлаждение места контакта двух проводников. Если поменять направление протекания тока, возникнет, наоборот, эффект нагревания места контакта.

Можно использовать любые проводники, но этот эффект становится физически заметным и значимым только в случае использования полупроводников. Например, при контактировании металлов, эффект Пельтье настолько незначителен, что практически незаметен на фоне омического нагрева.

Устройство модуля

Термоэлектрический модуль (ТЭМ), независимо от своего размера и места применения состоит из разного количества, так называемых термопар. Термопара — это тот самый кирпичик, из которых строится любой ТЭМ. Она состоит из двух полупроводников различающихся типом проводимости. Как известно, существуют два типа проводимости p и n типа. Соответственно существует и два типа полупроводников. Два этих разнородных элемента соединяются в термопаре с помощью медного мостика. В качестве полупроводников применяют соли таких металлов, как висмут, теллур, селен или сурьма.

ТЭМ — совокупность подобных термопар, соединённых друг с другом последовательно. Все термопары располагаются между двух керамических пластин. Пластина Пельтье. Пластины изготовлены из нитрида или оксида алюминия. Непосредственно само количество термопар в одном элементе может варьировать в очень широких пределах, от нескольких штук, до нескольких сотен или тысяч.

Иными словами, элементы Пельтье могут быть абсолютно любой мощности, от сотых долей, до нескольких сот или тысяч ватт. Постоянный ток последовательно проходит через все термопары и в результате верхняя керамическая пластина охлаждается, а нижняя, наоборот, греется. Если поменять направление тока, то пластины поменяются местами, верхняя начнёт греться, а нижняя охлаждаться.

В работе элемента присутствует одна особенность, которую активно используют для усиления охлаждающей эффективности этого приспособления. Как известно, при пропускании тока через элемент Пельтье возникает разность температур между поверхностью, разогревающейся и поверхностью охлаждающейся. Так вот, если ту поверхность, что активно нагревается подвергнуть принудительному охлаждению. Например, с помощью специального кулера, то это приведёт к ещё более сильному охлаждению поверхности, то есть той, что охлаждается. При этом разница температур с окружающим воздухом может достигнуть нескольких десятков градусов.

Достоинства и недостатки

Как у любого технического устройства, у термоэлектрического модуля есть свои достоинства и свои недостатки:

• Небольшие размеры. А если быть, точнее, ТЭМ может быть любого размера, от микроскопического, до гигантского.
• Отсутствие в конструкции движущихся элементов, что делает устройство абсолютно бесшумным в работе.
• Отсутствие в конструкции жидкостных или газовых наполнителей, что делает устройство предельно простым как в устройстве, так и в работе.
• В зависимости от направления тока, ТЭМ может быть как охлаждающим элементом, так и нагревающим.
• Основным недостатком ТЭМа является его низкий коэффициент полезного действия, по сравнению с холодильными установками компрессорного типа, работающими на фреоне.

Проблема повышения КПД у ТЭМов упирается в неразрешимую пока, техническую головоломку. Свободные электроны обладают, по сути, двойной природой, что на практике проявляется и они одновременно являются переносчиками как электрического тока, так и тепловой энергии. Как следствие, высокоэффективный элемент Пельтье должен быть изготовлен из материала, обладающего одновременно двумя взаимоисключающими свойствами. Материал этот должен хорошо проводить электрический ток и плохо проводить тепло. Пока такого материала не существует в природе, но учёные активно работают в этом направлении.

Технические характеристики

Все термоэлектрические модули обладают соответствующими техническими характеристиками:

• Qmax — холодопроизводительность. Она вычисляется исходя из максимально допустимого тока и разности температур между противоположными поверхностями. Величина измеряется в Ваттах.
• DTmax — максимальный температурный перепад между поверхностями элемента. Измеряется в градусах.
• Imax — допустимая сила тока, которая необходима для возникновения максимального температурного перепада.
• Umax — максимально допустимое напряжение.
• Resistence — внутреннее сопротивление устройства.

Применение ТЭМов

Несмотря на серьёзный недостаток присущий всем без исключения элементам Пельтье, а именно очень низкий КПД, эти устройства нашли довольно широкое применение как в науке и технике, так и в быту.

Термоэлектрические модули являются важными элементами конструкции таких устройств, как:

• Мобильные холодильники. В частности, автохолодильники.
• Переносные термогенераторы. Для получения электроэнергии в труднодоступных местах.
• Системы охлаждения в современных компьютерах.
• Автомобильные кондиционеры.
• Кулеры как для охлаждения, так и для нагрева воды.
• Осушители воздуха.
• Лабораторные охлаждающие инкубаторы.

Элемент Пельтье в руках домашнего мастера

Нужно сразу оговориться, самостоятельное изготавливание термоэлектрического элемента занятие по меньшей мере бессмысленное и никому не нужное. Если только изготавливающий не является учеником седьмого класса и не закрепляет таким образом, полученные на уроках физики, знания.

Гораздо проще купить новый термоэлектрический элемент в соответствующем магазине. Благо стоят они недорого и недостатка в выборе конкретной модели не наблюдается. А кроме того, что в них нечему ломаться или изнашиваться, любой термоэлемент, снятый со старого компьютера или автомобильного кондиционера, не будет отличаться по своим техническим характеристикам от нового.

Наибольшей популярностью пользуется модель термоэлемента: TEC1—12706. Размеры этого устройства 40 на 40 миллиметров. Состоит он из 127 термопар, соединённых между собою последовательно. Рассчитан на ток в 5 А, при напряжении цепи 12 В. Стоит такой элемент в среднем от 200 до 300 рублей. Но можно найти и за сто, или, вообще, за так, если снять со старого компьютера или какого другого ненужного устройства.

Изготовить с помощью такого элемента можно, как минимум два очень интересных и полезных в хозяйстве устройства.

Как сделать холодильник своими руками

Производство портативных холодильников, в частности, для машин целиком основано на эффекте Пельтье. Для изготовления подобного устройства в домашних условиях понадобиться:

• Термоэлемент марки TEC1—12706. Стоит 200 рублей в ближайшем магазине (специализированном).
• Радиатор и вентилятор. Снимаются с отслужившего своё старого компьютера.
• Контейнер. Любая ненужная ёмкость из пластика, металла или дерева. Снаружи и изнутри такая ёмкость оклеивается теплосберегающими пластинами из пенопласта или пенополистирола.

Термоэлектрический модуль встраивается в крышку контейнера. В этом случае поступление холода будет происходит сверху вниз, что приведёт к равномерному охлаждению ёмкости. Изнутри контейнера, в его крышку с помощью термопасты и крепёжных болтов прикрепляют радиатор.

Для того чтобы увеличить мощность будущего холодильного устройства, можно увеличить количество термоэлементов, до двух-трёх и более. В этом случае модули приклеиваются друг к другу, с соблюдением полярности. Иными словами, горячая сторона нижележащего элемента контактирует с холодной стороной вышележащего.

Снаружи на крышку крепится ещё один радиатор вместе с компьютерным кулером. В месте крепежа радиаторов должна быть хорошая термоизоляция между холодной — внутренней и горячей — внешней сторонами. Необходимо очень аккуратно стягивать верхний и нижний радиаторы крепёжными болтами, чтобы не треснули керамические пластины, располагающихся между ними термоэлементов.

Электричество подключается с помощью блока питания, который можно взять от старого компьютера.

Портативный термоэлектрогенератор

Такая мини-электростанция может очень выручить туриста или охотника, когда в лесу сядут батареи всех электронных гаджетов. Очень романтично в этой ситуации взять несколько сухих щепок и шишек, развести небольшой костерок и с его помощью зарядить разряженные аккумуляторы, а заодно и поесть приготовить. Именно это позволяет сделать портативный термогенератор, построенный на термоэлементе.

Для постройки этого чудо-девайса необходимо наличие портативной походной печки, работающей на любом виде топлива. В крайнем случае сгодится даже небольшая свечка или таблетка сухого спирта.

В печке разводят огонь, а снаружи с помощью термопасты к ней крепится термоэлектрический модуль. Посредством проводов он подключается к преобразователю напряжения.

Величина получаемого тока напрямую будет зависеть от разницы температур между холодной и горячей сторонами термоэлемента. Для эффективной работы необходима разница между холодной и горячей поверхностью как минимум в 100 градусов.

В этом случае необходимо понимать, что максимальная температура ограничена температурой плавления припоя, с помощью которого изготовлен сам модуль. Поэтому для подобных устройств используют специальные термомодули, которые изготавливают с помощью специального тугоплавкого припоя. В обычных модулях температура плавления припоя составляет 150 градусов. В модулях тугоплавких, припой начинает плавиться при температуре 300 градусов.

Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить

Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло.

Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент.

И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.

Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает.

В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай.

Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).

Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.

Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника как раз выделяется в месте контакта, это приведёт к его нагреву.

Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как-бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается теперь у вещества, что в действительности и приводит к охлаждению места спая.

Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках?

Все просто. Полупроводники эти отличаются уровнями энергий электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы суметь перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.

При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу. Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошел бы его.

В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками.

Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя.

Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями.

По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.

Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 69 °C.

Для того, чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной. Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук. Сопротивление обычного элемента Пельтье находится в районе пары-тройки Ом.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что можно сделать из элементов Пельтье?

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

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

На фото: Модуль Пельтье

Самый популярный модуль Пельтье TEC1-12706

Самым популярным среди практиков, увлеченных идеями свободной природной энергии и производителей технических устройств является элемент размером 40 на 40 миллиметров с маркировкой TEC1-12706. Это означает, что он состоит из 127 пар малюсеньких термоэлементов – полупроводников разного типа, которые попарно соединены при помощи медных перемычек в последовательную цепь и рассчитаны на постоянный ток до 5 А при напряжении 12 вольт.

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

Эффекты Пельте и Зебека – функции модуля

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

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

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

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

Схема. Как создается электричество при нагреве сторон Пельтье

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

Тест с получением электричества

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

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

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

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

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

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

Холодильник на модулях Пельте – насколько он эффективен?

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

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

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

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

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

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

В каких случаях Пельтье эффективен?

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

До скольки градусов можно охладить элемент? Об этом в отдельном видео.

Заключение

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

6 комментариев

А как змеевик у дистилляционного аппарата им охладить? Надоедает возня с водяными трубками, да и летом вода не слишком холодная в водопроводе? Как приспособить? Змеевик – либо это трубка из нержавейки свернутая пружиной, либо эта же трубка запаянная в кожух проводящий воду. Как исхитриться? Может змеевик в виде пружины залить в олово в прямоугольной формочке и наклеить на него элемент, а остальную поверхность теплоизолировать?

Святослав! Идея интересная, но мощность одного элемента Пельтье для охлаждения горячей воды, вызывает сомнения в его эффективности. Видимо, нужно применить батарею элементов.

Здравствуйте. А что если, элемент использовать в тёплых полах?

Здравствуйте! Икболсаид! Занятно, теоретически можно подвал охлаждать, а пол нагревать. На сайте Форумхаус обсуждается близкая тема: https://www.forumhouse.ru/threads/219662/

Единица энергопотребления не ватт в час, а ватт-часов.

Я парился, и смог выжать 9.0 v благодаря вам. Спасибо