Во многих современных комнатных кулерах вода охлаждается с помощью термоэлектрического модуля.
Принцип работы элемента Пельтье
Элемент Пельтье
Дата печати 28.06.2023 21:11
Обычные стационарные холодильники, распространенные как в квартирах, так и в частных домах, имеют холодильную систему, основанную на циркуляции хладагента от испарителя к конденсатору и обратно, и оснащены одним или двумя компрессорами. В отличие от стандартной конструкции, работа холодильной сумки основана на совершенно иных принципах, в ней отсутствуют как основные компоненты, так и фреон, обеспечивающий теплоотдачу. Процесс охлаждения в холодильной сумке основан на принципе элемента Пельтьекоторый обеспечивает необходимое охлаждение. Этот элемент может быть собран вручнуюСледует более подробно объяснить принцип Пельтье и его основные свойства.
Что такое принцип Пельтье
Этот принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при пропускании тепла через разные провода выделяется тепло, а при изменении полярности происходит охлаждение; наибольшее проявление этого эффекта наблюдалось в полупроводниковых материалах. В то же время была отмечена обратимость процесса, когда удавалось поддерживать разные температуры на проводах в точке контакта, в проводах регистрировалось появление электрического тока. Этот эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.
Чтобы попытаться объяснить этот эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электрического тока в зависимости от разности потенциалов. Когда два различных проводника вступают в контакт, неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу течет ток I, то поле, создаваемое разностью потенциалов U, будет либо способствовать протеканию тока, либо препятствовать ему.
Если полярности поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию для продвижения тока I, что приведет к нагреванию контакта. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Это требует отбора энергии из вещества, что приводит к охлаждению контакта. Таким образом, количество тепла, которое выделяется или отводится при прохождении I, будет прямо пропорционально количеству заряда, проходящего через спай проводника, и рассчитывается как произведение I и времени его прохождения.
Это произведение называется коэффициентом Пельтье, значение которого зависит от материала и температуры проводников в контакте.
В прошлом эффект Пельтье не находил широкого применения из-за отсутствия необходимых материалов, но сейчас, с развитием новых технологий, были найдены типы проводников, способные обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.
Раздел исследований
Почему именно элемент Пельтье? Гораздо разумнее купить мускульный фонарь ("багги"), солнечные батареи или хотя бы построить ветряную турбину. Раньше я думал, что смогу обойтись и багром. Но у него много движущихся частей, которые дядюшка Ляо делает из дешевого пластика. Первая поломка в "Большой собаке" – и нет энергии.
Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? У них нет движущихся частей. "Согласен, – отвечаю я, – но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым потолком бетонного убежища не так-то просто поймать солнце".
Ветряная мельница? А какого размера должны быть ее лопасти, чтобы она могла вращаться даже при слабом ветре? Опять же, движущиеся части. Ветряная мельница подходит для стационарной установки в качестве долговременного укрытия.
Размышляя над этими аргументами, я был обескуражен. Но вскоре я наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, только ссылка на исходный материал). Я просидел там два дня и в процессе наткнулся на интересную статью о печи, сделанной из корпуса компьютерного блока питания с элементом Пельтье (см. ссылку в конце поста). В комментариях было много скептиков, но автор написал, что она заряжает телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя без проблем….. Это вызвало у меня любопытство.
Конструкторская часть
Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (достаточно для экспериментов). Он обошелся мне в 320 рублей. Что меня порадовало, так это быстрая, отслеживаемая, но бесплатная доставка. Кроме того, товар был отправлен уже через час после оплаты (а это было воскресенье).
Пока элемент Пельтье был в пути, я переосмыслил конструкцию будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (неплохим оказался радиатор от древнего процессора) и покопался в интернете в поисках схемы DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 А при напряжении 5 вольт.
Я не думал, что будет хорошей идеей использовать чипмейкера в качестве примера в этой статье. Металл, используемый для изготовления компьютерного оборудования, очень мягкий, "деформируется" при высоких температурах и быстро сгорает. Поэтому было решено создать "съемную версию" генератора, которую можно было бы прикрепить к боковой стенке стационарной плиты или прислонить к стоящему очагу. Чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом пламени, требовалась термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстого алюминиевого листа размером 100x120x5 мм.
Для того чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке и, в свою очередь, прижать к ней радиатор, я решил использовать детский набор для конструирования из металла, который я когда-то купил для робототехники.
Но вот элемент Пельтье прибыл, и настало время сборки.
Потребляемая мощность элемента Пельтье
Сам элемент Пельтье считается очень энергоемким. Регулирование температуры его сторон осуществляется с помощью напряжения. Чем выше напряжение, тем больше потребляемый ток. А чем больше потребляемый ток, тем быстрее он достигает температуры. Поэтому можно регулировать охлаждение, изменяя значение напряжения).
Вот некоторые значения потребляемого тока для элемента Пельтье:
При напряжении 1 В он потребляет 0,3 А. Неплохо)
Увеличение напряжения до 3 В.
Почти 1 ампер.
Увеличение напряжения до 5 В.
Чуть больше 1,5 ампера.
Увеличение напряжения до 12 В, что является рабочим напряжением:
Почти 4 ампера! (Ограбление).
Давайте приблизительно рассчитаем его мощность. 4×12=48 ватт. Это даже больше, чем 40-ваттная лампочка, которая висит в кладовке). Если элемент Пельтье так раскаляется, есть ли смысл делать самодельные холодильники и кулеры? Конечно же, нет! Такой холодильник будет потреблять не менее 10 киловатт! Но есть один маленький плюс – он будет абсолютно бесшумным). Но если это не вариант, то сейчас разрабатываются холодильники даже из элементов Пельтье. В основном это мини-холодильники для автомобилей. Элемент Пельтье также используется некоторыми людьми для охлаждения процессора в компьютере. Он очень эффективен, но с точки зрения потребления энергии все же лучше использовать старый добрый вентилятор.
Где купить элемент Пельтье
Вы даже можете найти мини-кондиционер с элементом Пельтье на Али за здесь ссылка.
Вы можете купить любое количество элементов Пельтье на Ali!
Примеры схем и маркировки элементов Пельтье
Рисунок 1: Схема подключения нагревательных элементов к микроконтроллеру:
(a) Охлаждение объектов с помощью модуля Пельтье "Cryotherm" EK1 (размеры 40x40x3,4 мм). Светодиод HL1 показывает состояние "Замораживание/размораживание". Транзистор K77 подключен непосредственно к МК, без резисторов, поскольку элемент EK1 очень инертен и помехи, которые теоретически могут открыть транзистор VT1 при перезапуске МК, оказывают на него незначительное влияние;
(b) подключение низковольтного элемента Пельтье компании Melcor к МК. Параметры EK1: мощность 5,3 Вт, рабочий ток 2,5 А при напряжении 3,75 В, максимальная разница температур между "холодной" и "горячей" поверхностью 67°C, габаритные размеры 15x15x4 мм.
Применение
Элементы Пельтье могут использоваться везде, где требуется охлаждение при небольшой разнице температур. Термоэлектрические элементы используются, например, в холодильных камерах, где использование холодильного агрегата недопустимо по соображениям пространства или неэкономично из-за низкой требуемой мощности охлаждения. Разница температур внутри и снаружи просто возникает неконтролируемо. Эффективность низкая. Элементы Пельтье используются в ситуациях, когда требуется охлаждение с небольшой разницей температур или энергоэффективность чиллера не важна. Например, элементы Пельтье используются в усилителях ПЦР, небольших автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, используемых в индустрии общественного питания, поскольку применение компрессорной холодильной системы в данном случае невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая холодопроизводительность низка.
Кроме того, элементы Пельтье используются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых камерах. Это приводит к заметному снижению теплового шума при длительных экспозициях (например, в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье используются для охлаждения приемников излучения в инфракрасных датчиках.
Элементы Пельтье также часто используются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров для стабилизации длины волны излучения.
В устройствах с низкой охлаждающей способностью элементы Пельтье часто используются в качестве второй или третьей ступени охлаждения. Это позволяет достичь температуры на 30-40 градусов ниже, чем в обычных компрессионных охладителях (до -80 °C для одноступенчатых охладителей и до -120 °C для двухступенчатых).
Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров, когда требуется экстремальное охлаждение без азота. До появления азотного охлаждения использовался именно этот метод.
"Генератор Пельтье" (правильнее было бы "генератор Зеебека", но название стало неточным) – это модуль для выработки электроэнергии, модуль термоэлектрического генератора, сокращенно GM, TGM. Этот термоэлектрический генератор состоит из двух основных частей: