Рабочие температуры в зависимости от материала могут быть исключительно высокими.

Простота устройства, напоминающего солнечный элемент.

Недостатки этого уровня техники

Для переноса носителей заряда необходимы толстые слои, требующие более точных способов изготовления.

DE 10136667 A1 показывает встраивание диода в ветвь элемента Пельтье.

Из GB 953339 A1 следует структурное объединение элемента Пельтье с диодом.

Задача изобретения состоит в создании усовершенствованного термоэлектрического элемента.

Эта задача решается с помощью термоэлектрического элемента с признаками согласно п.1 формулы изобретения.

Принципиально новая идея состоит в использовании pn-перехода (например, диода) как центра генерации электронов и дырок в качестве дополнения к термопаре.

Без генерации электронно-дырочных пар термопара действует лишь как насос для накачки носителей заряда, свойства которого определяются выбором материала. Размеры или другие внешние свойства имеют только ограниченное влияние. Благодаря генерации новых электронно-дырочных пар эти границы обходятся и становится возможным получение заметно большего коэффициента полезного действия.

При использовании термоэлектрического элемента согласно изобретению в термоэлектрическом генераторе с признаками п.13 формулы изобретения идея изобретения заключается в том, чтобы термоэлектрическое напряжение термопары, вызванное разницей температур, использовалось для смещения pn-перехода, электрически соединенного с нагретым концом, в обратном (запирающем) направлении. В этом pn-переходе в результате теплового возбуждения образуются электронно-дырочные пары. Степень теплового возбуждения зависит от температуры, ширины запрещенной зоны и количества центров генерации:

I_{электрич.} ≈ G ≈ N_texp —

Через pn-переход, смещенный в обратном направлении, ток протекает в результате генерации электронно-дырочных пар, которые под действием создаваемого электрического поля сразу же разделяются и поэтому выступают в качестве «чистого» тока.

Раскрытие изобретения

В результате генерации электронно-дырочных пар носителей заряда может оказаться больше, чем в результате легирования. Таким образом достигаются большие плотность энергии и коэффициент полезного действия.

Генерация электронно-дырочных пар пространственно отделена от места возникновения термоэлектрического напряжения и поэтому может быть оптимизирована за счет выбора материала или какого-либо другого процесса изготовления независимо от теплопроводности. Нет необходимости даже в температурном градиенте.

В результате использования материала с меньшей по сравнению с термопарой запрещенной зоной могут быть оптимизированы как перенос, так и генерация носителей заряда.

Другие предпочтительные формы выполнения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Проводник, селективно соединяющий первый материал с p-областью pn-перехода и проводник, селективно соединяющий второй материал с n-областью pn-перехода могут представлять собой, например, металлические проводники.

Термопара и диод могут быть пространственно разделены и соединяться лишь с помощью электрического проводника. Кроме того, термопара и диод для раздельной оптимизации генерации и переноса носителей заряда могут быть выполнены из различных материалов. Для тепловой генерации определяющими являются как количество генерационных центров, так и связь тепловой энергии (температуры) с запрещенной зоной. Перенос носителей заряда в термопаре следует оптимизировать отдельно, например путем использования различных материалов, способов изготовления и структур материалов (нанотехнологий для модуляции теплопроводности с помощью сверхрешетки, квантовых переходов и т.п.).

Для оптимизации электрического тока, а тем самым генерации носителей заряда определяющими физическими параметрами являются собственная концентрация n_i (т.е. температура и ширина запрещенной зоны) и генерационное время жизни τ_g (т.е. количество генерационных центров, эффективное поперечное сечение и температура):

Для изобретения действительны те же физические параметры, что и для уровня техники. В то же время с помощью изобретения могут быть ослаблены зависимости параметров друг от друга, поскольку латеральное изменение параметров влияет на коэффициент полезного действия всей структуры.

Изобретение дополнительно открывает множество новых кандидатов на добротные термоэлектрические материалы.

Предпочтительными материалами для реализации изобретения являются полупроводники, причем используемый диапазон температур определяет выбор материалов.

Сложные полупроводники благодаря низкой теплопроводности являются предпочтительными материалами для термоэлектрических модулей. Некоторыми примерами добротных термоэлектрических материалов являются Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, клатраты и материалы со структурой перовскитов и полупроводниковые полимеры.

Для создания pn-перехода материалы могут быть использованы невзирая на низкую теплопроводность, поскольку необходимость в температурном градиенте отсутствует.

Для поддержания возможно более низкого удельного сопротивления предпочтительно сильное легирование вплоть до очень сильного. Естественно, что величина легирования зависит от материала. Для PbTe, например, необходимо легирование порядка 10¹⁸ см^-3 и больше.

Существуют три большие области, в которых изобретение может найти применение в первую очередь:

1. Термоэлектрическая генерация для непосредственного преобразования разницы температур в электрический ток. В этой концепции может быть использовано возможное выделение тепла, которое в противном случае не используется.

2. Охлаждающее устройство: в результате протекания тока один конец нагревается, а другой охлаждается. Этот эффект может быть использован для активного охлаждения (для получения низких температур или для отвода тепла).

3. Повышенная теплопроводность, которая может быть использована для эффективного пассивного охлаждения, например, в кондиционерах или в (мощных) электронных приборах.

Другие подробности и преимущества изобретения становятся понятными из фиг.1-5, а также из их описания. Каждая из фиг.1-5 изображает соответствующий пример выполнения.

Уровень техники для лучшего понимания изобретения представлен на фиг.6-10.

На фиг.1 изображен термоэлектрический элемент с термопарой, содержащий первый материал 1 с положительным коэффициентом Зеебека и второй материал 2 с отрицательным коэффициентом Зеебека. Кроме того, в одном диоде 8 образован рn-переход 3. Первый материал 1 с помощью электрического проводника 6 селективно контактирует с областью 4 рn-перехода 3 с р-проводимостью. Второй материал 2 с помощью электрического проводника 7 селективно контактирует с областью 5 рn-перехода 3 с n-проводимостью.

Когда к контактам 11, 12 подключаются полюса внешнего источника напряжения (не показан), то изображенный термоэлектрический элемент работает как термоэлектрическое охлаждающее устройство. В этом случае рn-переход 3 с помощью внешнего источника напряжения при одной из возможных полярностей смещается в обратном направлении. При этом один конец (T_cold) материала 1, 2 охлаждается. Другой конец (T_hot) материала 1, 2 нагревается.

Если же, наоборот, термоэлектрический элемент используется в качестве термоэлектрического генератора, то один конец (T_cold) материала 1, 2 (не показан) контактирует со стоком тепла, в то время как другой конец (T_hot) материала 1, 2 — с истоком тепла. Благодаря этому в соответствующем материале 1, 2 появляется электрическое напряжение (в первом материале 1 сторона, обращенная к электрическому проводнику 6, заряжается положительно, во втором материале 2 положительно заряжается сторона, обращенная к электрическому проводнику 7). В результате pn-переход 3 смещается в направлении запирания. При этом электрическое поле, создаваемое в pn-переходе, пространственно разделяет электронно-дырочные пары, которые поэтому могут выступать в виде «чистого» тока. Напряжение может сниматься с контактов 11, 12, причем контакт 11 является отрицательным полюсом, а контакт 12 — положительным.

Другой пример осуществления изобретения изображен на фиг.2. В этом примере осуществления pn-переход 3 создан в промежуточном слое 13. При этом pn-переход 3, а также первый материал 1 и второй материал 2 (в данном случае полупроводники p- и n-типа) термически соединены с истоком 9 тепла. Кроме того, первый и второй материалы 1, 2 с другого конца термически соединены со стоком 10 тепла.

Первый материал 1 через электрический проводник 6 контактирует с p-областью 4 pn-перехода 3. Второй материал 2 через электрический проводник 7 контактирует с n-областью 5 pn-перехода 3.

На другом конце материала 1, 2 соответственно предусмотрены анод 12 и катод 11, с которых в представленном случае применения термоэлектрического элемента в качестве термоэлектрического генератора можно снимать напряжение.

В примере осуществления изобретения, изображенном на фиг.3, рn-переход 3 отделен от термопары и соединен с ней только с помощью электрических проводников 61-63 или 71-73 соответственно. При этом диод 8 соединен с отдельными истоками 14, 15 тепла, в то время как термопара термически контактирует с собственным истоком 9 тепла. Кроме того, термопара термически контактирует с собственным стоком 10 тепла.

Термоэлектрический элемент аналогичной конструкции изображен на фиг.4. Пример выполнения, изображенный на фиг.5, отличается от примера, изображенного на фиг.3, тем, что, с одной стороны, предусмотрен общий исток 9, а, с другой, благодаря пространственно компактной конструкции — изоляционный слой 16.

На фиг.6 изображен термоэлектрический генератор в соответствии с уровнем техники, причем первый материал 1 и второй материал 2 соединены друг с другом в области истока 9 тепла с помощью электрического проводника 17. В области стока 10 тепла предусмотрены анод 12 и катод 11. Электрический ток 1 протекает благодаря разнице температур.

На фиг.7-10 также показан уровень техники, а именно, с одной стороны, принципиальная схема термоэлектрического модуля, состоящая (фиг.7) из отдельных термоэлектрических элементов согласно фиг.6. На фиг.8 изображена принципиальная схема термоионного преобразователя. Фиг.9 изображает тепловой диод. На фиг.10 изображен термоэлектрический элемент, рn-переход 3 которого имеет температурный градиент.

Во всем описании на чертежах одинаковые компоненты обозначены одинаковыми позициями.

1. Термоэлектрический элемент, по меньшей мере, с одной термопарой и одним рn-переходом, причем термопара содержит первый материал с положительным коэффициентом Зеебека и второй материал с отрицательным коэффициентом Зеебека, отличающийся тем, что первый материал (1) через проводник (6) селективно контактирует с р-областью (4) рn-перехода (3), а второй материал (2) через проводник (7) селективно контактирует с n-областью (5) рn-перехода (3).

2. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что первый материал (1) является полупроводником р-типа проводимости.

3. Термоэлектрический элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что второй материал (2) является полупроводником n-типа проводимости.

4. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что рn-переход (3) выполнен в диоде (8).

5. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что рn-переход (3) выполнен в солнечном элементе.

6. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что термопара и рn-переход (3) состоят из различных материалов (8).

7. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что термопара и рn-переход (3) пространственно отделены друг от друга.

8. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что термопара и рn-переход (3) соединены друг с другом только проводниками (6, 7).

9. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что рn-переход (3) для увеличения внутренней поверхности выполнен текстурированным.

10. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что рn-переход (3) является легированным.

11. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что рn-переход (3) имеет дефекты кристаллической решетки.

12. Термоэлектрический элемент по п.1, отличающийся тем, что сечение термопары отличается от сечения рn-перехода (3).

13. Термоэлектрический генератор, по меньшей мере, с одним термоэлектрическим элементом по одному из пп.1 и 2 или 4-12, по меньшей мере, с одним истоком (9) тепла и, по меньшей мере, с одним стоком (10) тепла, причем термопара термоэлектрического элемента для генерации термоэлектрического напряжения соединена, по меньшей мере, с одним истоком (9) тепла и, по меньшей мере, с одним стоком (10) тепла, и причем термоэлектрическое напряжение смещает рn-переход (3) с помощью проводников (6, 7) в обратном направлении.

14. Термоэлектрический генератор по п.13, отличающийся тем, что рn-переход (3) соединен, по меньшей мере, с одним истоком (9) тепла.

15. Термоэлектрический генератор по п.14, отличающийся тем, что температура рn-перехода (Трn) отличается от температуры (Thot) нагретой стороны термопары.

16. Термоэлектрический генератор по п.13, отличающийся тем, что рn-переход (3) соединен, по меньшей мере, с одним стоком (10) тепла.

17. Термоэлектрическое охлаждающее устройство, по меньшей мере, с одним термоэлектрическим элементом по одному из пп.1 и 2 или 4-12 и, по меньшей мере, с одним двухполюсным источником напряжения, причем термопара контактирует с двумя полюсами источника напряжения, так что источник напряжения смещает рn-переход (3) в обратном направлении.

findpatent.ru

Модуль на элемент Пельтье + интересное применение.

Начнём с ликбеза

Как говорит википедия «Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.» Я уверен что после этой фразы понятнее не стало ).

Ок попробуем иначе. Представьте себе специфический аквариум, состоящий из зон двух типов. В первой зоне аквариума рыбки плавают быстро во второй медленно. Ещё представим себе на границах зон лопасти, крутящиеся в воде. Правила следующие 1) рыбка переплывает в другую зону только тогда когда её скорость соответствует скорости установленной для зоны.2) при переходе границ зоны рыбка может взаимодействовать с лопастями для увеличения либо для уменьшения своей скорости. Теперь представим несколько зон расположенных последовательно. (зоны с более высокой скоростью назовём З+ с низкой З- ) Рыбка находится в З+ она хочет перейти в З- она взаимодействует с лопастью на границе и начинает плыть медленнее, при этом лопасти (на границе З+/З-) начинают крутиться быстрее. Далее рыбка хочет перейти в следующую зону З+ ей надо ускориться она взаимодействует с лопастью на границе З-/З+ и ускоряется при этом лопасть начинает крутиться медленнее. Далее всё повторяется. Можно заметить что одни лопасти будут замедлятся а другие ускорятся. Элемент Пельтье работает по аналогичному принципу. Вместо рыбок там электроны вместо скорости рыбок энергия электронов в полупроводниках. При протекании тока через контакт 2х полупроводников, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, При этом чем больше ток тем выше эффект переноса энергии, энергия именно переноситься (а не волшебным образом пропадает) от «холодной» стороны к «горячей», поэтому элемент Пельтье способен охлаждать предметы до температуры ниже комнатной (проще говоря это полупроводниковый тепловой насос). Если у Вас задача просто отвести тепло от процессора транзистора и т.д. применение элемента Пельтье невыгодно т.к. Вам понадобиться Радиатор способный передать в окружающую среду тепло от охлаждаемого объекта + тепло возникающее при работе элемента Пельтье. Думаю с теорией покончено можно двигаться дальше.
Давайте посмотрим как по мнению спонсора обзора выглядит 13,90 зелени.
Модуль представляет из себя этакий 5 уровневый бутерброд, он состоит из пары радиаторов и вентиляторов и собственно самого элемента Пельтье.Вентилятор большего размера предназначен для отвода тепла. При приложении усилия его можно снять без выкручивания шурупов. Вентилятор самый обыкновенный ( Питание 12В размер 90мм) прикрыт решёткой, изначально вентилятор установлен на отвод воздуха.На противоположной стороне малый вентилятор (Питание 12В размер 40мм)Малыш прикручен на совесть Посмотрим на радиаторыБольшой радиатор размером 100мм*120мм высота 20ммМалый радиатор 40мм*40мм высота 20мм. Радиаторы скреплены двумя винтами, в малом радиаторе нарезана резьба. При снятии радиатора обнаружена термопаста это хорошо, но можно увидеть что есть недожим.Контакт с большим радиатором идеальным тоже не назовёшь.Главный вывод — если хотите выжать из этого модуля максимум то обязательно загляните под радиаторы. А если стереть термопасту то можно увидеть что тут установлен элемент TEC1-12705 (размер 40мм*40мм*4мм) хотя заявлен более мощный TEC1-12706. Мануал на TEC1-12705 peltiermodules.com/peltier.datasheet/TEC1-12705.pdf
Снимем малый радиатор и попробуем запустить модуль замерив температуры «тёплой» и «холодной» сторон.Температура «холодной» стороны -16,1 «горячей» 37,5 дельта 53,6. ток потребления при 12В составил 4,2А. На режим элемент Пельтье вышел через 90с.

А теперь весёлая часть.
Находим металлическую и блестящую пластину и делаем в ней отверстие для термопары.Кладём термопасту и устанавливаем термопаруДалее изготавливаем узконаправленный фотоприёмник и фотодиод из чёрной бумаги и обычных компонентовСобираем готовое устройство вспоминая правило «угол падения равен углу отражения»Кто догадался что это такое? Это прибор (ну точнее модель для демонстрации принципа действия) для определения температуры точки росы/относительной влажности воздуха. Действует следующим образом: ИК-светодиод светит в отражающую пластинку, после отражения свет от ИК-светодиода попадает на ИК-фотодиод. С обратносмещённого ИК-фотодиода снимается сигнал напряжения. При охлаждении пластинки до температуры точки росы на ней начинает собираться конденсат, интенсивность отражаемого излучения падает, сигнал на фотодиоде изменяется. Регистрируя температуру пластины, и окружающего воздуха можно найти относительную влажность. Для работы я использовал Brymen BM869 (с самодельным кабелем и софтом) и Uni-t UT61E Ниже представлен результат Рыжий график температура пластины, синий график сигнал с фотодиода. Будем считать момент, когда напряжение с фотодиода изменилось на половину от общего изменения напряжения есть момент выпадения конденсата. Исходя из поставленных условий измеренная температура точки росы в комнате +9С.Температура окружающего воздуха 26,7 (на графиках не отображалась т.к. она была неизменна).Одновременно я запустил модуль HTU21 и наблюдал за показаниями в терминале.(скриншот терминала добавлен к графику).Далее я использовал онлайн калькулятор planetcalc.ru/248/ для пересчёта влажности в температуру точки росы Результат пересчёта влажности с HTU21 в температуру точки росы совпал с измеренной напрямую температурой точки росы. Это значит, что если описанным выше методом определять точку росы, а затем делать пересчёт, то можно достаточно точно определять влажность (Ну естественно если делать всё по-взрослому). Данный метод называется методом охлаждаемого зеркала, а гигрометры, построенные на таком принципе, называются конденсационными. Надеюсь вам понравился обзор, и Вы узнали для себя что-то новое. Всем спасибо за внимание.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

mysku.ru

Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект

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.

Похожие темы:

electrosam.ru

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

www.asutpp.ru

Элемент Пельтье | Практическая электроника

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? “Ну а как же, например, бытовой холодильник” – скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток  оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами,  в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Элемент Пельтье (практика)

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид – это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами.  Сразу же отметил сторону “А” и сторону “Б” для дальнейших экспериментов

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание “разности температур”? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный – на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона “А” охлаждается, а сторона “Б” греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье – это 12 Вольт. Так как  я подключил на красный  – плюс, а на черный – минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру.  Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

77 градусов по Цельсию – это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который  дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример – это фонарик, работающий от тепла руки

Мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые  значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс – он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном  мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается  очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Вот ссылка на них

www.ruselectronic.com