Что такое элемент пельтье? термоэлектрический модуль

Принцип действия модулей

На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.

Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).

Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.

Модуль «Пельтье»

Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.

Схема принципа работы модуля

В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.

Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.

Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.

На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.

Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.

Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.

На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.

Как выглядит структура модуля

Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.

В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.

Достоинства и недостатки ТЭМ

К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:

• малые размеры;
• возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
• обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
• отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.

Недостатки модулей:

• малый КПД (2-3%);
• необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
• значительное потребление электроэнергии;
• высокая стоимость.

Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:

• охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
• использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
• создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
• термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.

Ссылки [ править ]

1. ^ «Эффект Пельтье и термоэлектрическое охлаждение» . ffden-2.phys.uaf.edu .
2. ^ По мере того, как «добротность» приближается к бесконечности, эффект Пельтье-Зеебека может приводить тепловой двигатель или холодильник все ближе и ближе к эффективности Карно . Дисальво, Ф.Дж. (1999). «Термоэлектрическое охлаждение и производство электроэнергии». Наука . 285 (5428): 703–6. DOI10.1126 / science.285.5428.703 . PMID 10426986 .Любое устройство, работающее на КПД Карно, термодинамически обратимо, что является следствием классической термодинамики .
3. ^ Гупиль, Кристоф; Уердан, Хенни; Заброцкий, Кнуд; Зайферт, Вольфганг; Hinsche, Nicki F .; Мюллер, Экхард (2016). «Термодинамика и термоэлектричество» . В Гупиле, Кристоф (ред.). Теория континуума и моделирование термоэлектрических элементов . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Wiley-VCH. С. 2–3. ISBN 9783527413379.
4. ^ Зеебек (1822). «Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz» . Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (на немецком языке): 265–373.
5. ^ См .:
   • Эрстед (1823 г.). «Nouvelles expériences de M. Seebeck sur les actions électro-magnetiques» . Annales de chimie . 2-я серия (на французском языке). 22 : 199–201.Из стр. 199–200: «Il faudra sans doute désormais различают новые классы электрических цепей с определением значимости; и комментируют их предложения по выражению термоэлектрических цепей или peut-être thermélectriques …» (Несомненно, необходимо, чтобы отныне выделять этот новый класс электрических цепей указательным названием, и в этом качестве я предлагаю выражение «термоэлектрические цепи» или, возможно, «термоэлектрические цепи»…)
   • Эрстед (1823 г.). «Notiz von neuen electrisch-magnetischen Versuchen des Herrn Seebeck в Берлине» . Annalen der Physik (на немецком языке). 73 (4): 430–432. Bibcode : 1823AnP …. 73..430O . DOI : 10.1002 / andp.18230730410 .
6. ^ Напряжение в этом случае относится не к электрическому потенциалу, а скорее к напряжению «вольтметра», где- уровень Ферми .V=−μe{\displaystyle V=-\mu /e}μ{\displaystyle \mu }
7. ^ Пельтье (1834). «Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique» . Annales de Chimie et de Physique (на французском языке). 56 : 371–386.
8. ^ Томсон, Уильям (1851). «К механической теории термоэлектрических токов» . Труды Королевского общества Эдинбурга . 3 (42): 91–98. DOI10.1017 / S0370164600027310 .
9. ^ a b c «A.11 Термоэлектрические эффекты» . Eng.fsu.edu. 2002-02-01 . Проверено 22 апреля 2013 .
10. ^ Томсон, Уильям (1854). «К динамической теории тепла. Часть V. Термоэлектрические токи» . Труды Королевского общества Эдинбурга . 21 : 123–171. DOI10.1017 / S0080456800032014 .
11. ^ Существует обобщенное второе соотношение Томсона, связывающее анизотропные коэффициенты Пельтье и Зеебека с обратным магнитным полем и магнитным порядком. См., Например, Rowe, DM, ed. (2010). Справочник по термоэлектрике: от макро до нано . CRC Press . ISBN 9781420038903.
12. ^ «Модуль ТЭГ и эффект Зеебека» . StoveFanReviews.com .
13. ^ Goodner, Стенли (16 октября 2015). «Работающий от тепла тела, фонарик Lumen никогда не требует батареек» . Гизмаг .
14. ↑ Сигне Брюстер (16 ноября 2016 г.). «Эти умные часы питают тепло тела; Matrix PowerWatch — конкурент FitBit, который использует разницу температур между вашей кожей и воздухом для получения энергии» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Дата обращения 7 октября 2019 .

Собираем ТЭМ на 5 В

Что понадобится:

• модуль Пельтье TEC1-12705 (40×40) — 2 шт.;
• повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
• лист дюралюминия толщиной 3 мм;
• ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
• термоклей;
• паяльник.

Вырезаем из листа дюралюминия две одинаковые пластины, размерами чуть более двух модулей, лежащих рядом. Укрепляем термоклеем пластины на модулях с обеих сторон. Фиксируем (термоклеем) получившийся «сэндвич» на дно ковша. Такую конструкцию уже можно ставить на огонь, но мы получим на выходе бесполезные 1,5 В. Для улучшения характеристик нам и нужен повышающий преобразователь, который мы впаиваем в цепь. Он повысит напряжение до 5 В, а этого уже достаточно для зарядки мобильного телефона.

Внимание! Преобразователь имеет размеры 1,5х1,5 см. При отсутствии профессиональных навыков доверьте пайку специалисту

Разность температур в нашей конструкции получается за счёт нагрева одной стороны (от печи или пламени) и охлаждения другой (вода в ковше). Разумеется, чем больше разница, тем эффективнее работа модуля. Поэтому, для работы в режиме микрогенератора понадобится сравнительно низкая температура воды в ковше (её лучше периодически заменять). Для выработки заветных 5 В достаточно поставить конструкцию на стакан с горящей свечой.

Пропорционально комбинируя большее количество модулей, мы получим более эффективную систему выработки энергии. Соответственно, увеличивая конструкцию, пропорционально увеличиваем теплообменник. При этом охлаждаемая поверхность должна быть полностью покрыта ёмкостью с водой (самый простой и доступный вариант).

Всё так просто, что сразу возникает желание собрать побольше модулей в одну систему и вырабатывать 220 В из костра. А потом подключить масляный обогреватель или кондиционер. Такая простая система имеет свои недостатки, и главный из них — низкий КПД. Обычно этот показатель не превышает 5%. Это обуславливает сравнительно малую силу тока 0,5 — 0,8 А и очень малую мощность — до 4 Вт.

Для насоса или лампы накаливания это ничтожно мало, но вполне достаточно для:

• зарядки аккумуляторов вплоть до мотоциклетных (в вариантах, пропорциональных требованиям);
• работы светодиодных (LED) ламп;
• радиоприёмника.

В зимнее время система, помещённая на источник тепла, находящийся на улице, будет работать максимально эффективно.

Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:

*- данная модель элемента выбрана из соображений цены. Ассортимент ТЭМ у фирм-поставщиков довольно широк, что позволяет подобрать более производительные (до 8 В) модели (они ощутимо дороже).

Заводские изделия подобной конструкции только начинают появляться в продаже. Серийное производство ведётся мелкими партиями, да и ассортимент невелик. Стоимость такого «ковшика» стартует с 2500 руб.

Заводской термогенератор — устройство, основанное на эффекте Пельтье-Зеебека, которое можно закрепить прямо на разогретую поверхность. От конструкции, описанной выше, его отличает заводское исполнение (а значит, надёжность), отсутствие жидкостного теплообменника (вместо него — рёбра для воздушного охлаждения) и более высокая цена.

Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:

Как видно из таблицы, заводская надёжность и утилитарность обходится недёшево. При этом нельзя сказать, что он функционально превосходит самодельный вариант с ковшом. Впечатляющие 13,5 В ускорят зарядку мобильника, но для этого будет нужно носить с собой 2 кг веса в походе, а это непозволительная роскошь (с учётом размеров прибора). Ну и, конечно, цена заставляет задуматься. На эту сумму можно собрать уже не «термоковшик», а «термокастрюлю» и спокойно заряжать ноутбук. И ещё один нюанс — прибор всё равно требует закрепления на металлической пластине в случае использования открытого огня.

В целом это приятное и удобное дополнение для тех, у кого нет проблем с деньгами и свободным местом в багажнике.

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

• Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
• Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).

Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема

Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.

Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

При протекании процесса в обратном направлении — реакция приводит к нагреванию контактного места и обычному тепловому эффекту.

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Классификация холодильных машин

Помимо разделения по типу физического процесса, применяемого для генерации холода, холодильные агрегаты можно классифицировать и по другим признакам:

• холодопроизводительности,
• схеме и виду термодинамического цикла,
• температурным характеристикам.

По холодопроизводительности холодильные машины разделяются на малые, средние и крупные установки. К малым относятся агрегаты мощностью до 15 кВт, к средним – от 15 до 120 кВт, крупными считаются установки с холодопроизводительностью свыше 120 кВт.

По схеме и виду термодинамического цикла различают одно- и двухступенчатые установки, а также многоступенчатые и каскадные холодильные машины. Количество ступеней определяется количеством установленных компрессоров.

По температурным характеристикам обслуживаемого объекта холодильные машины подразделяются на:

• низкотемпературные,
• среднетемпературные,
• высокотемпературные.

Высокотемпературные — это как правило одноступенчатые агрегаты, охлаждающие объект до температуры -10 С и выше. Среднетемпературные работают в диапазоне температур от -30 С до -10 С и как правило оснащены одно- и двухступенчатыми компрессорами. Наконец, низкотемпературные холодильные машины могут работать при температуре ниже -30 С. Это многоступенчатые и каскадные агрегаты.

Пример расчета

Исходные данные: U = 12 В, Q_с = 60 Вт и T_h = 50 °C.

При напряжении 12 В по характеристике U(I) находим ток I = 5 А.

Для силы тока 5 А разница температур dT = 4 К. Тогда T_с = T_h — dT = 50 — 4 = 46 °C.

Взяв более мощный модуль, можно увеличить dT. Для модуля на 131 Вт, где I_max= 8,5 А, U_max= 28,8 В и объекта с мощностью теплообразования 60 Вт разность температур составит 40 °C. Тогда T_с = 50 — 40 = 10 °C.

Выбирая по мощности ТЭМ, не следует забывать о том, сколько тепла он будет выделять. Этот тепловой поток следует удалять подходящими охлаждающими средствами. Когда традиционные средства не справляются с тепловыделением, применяют водяное охлаждение.

Солнечный тепловой генератор электричества и радиоволны

Источники электрической энергии могут быть самыми разными. Сегодня стало набирать популярность производство солнечных термоэлектрических генераторов. Такими установками могут пользоваться на маяках, в космосе, автомобилях, а также иных сферах жизни.

РИТЭГ (расшифровывается как радионуклидный термоэлектрический генератор) работает за счет преобразования энергии изотопов в электрическую. Это весьма экономный способ, позволяющий получить практически халявное электричество и возможность освещения в условиях отсутствия электроэнергии.

Особенности РИТЭГ:

• Получить источник энергии из распадов изотопов проще, чем например, сделать то же самое нагревая горелку или керосиновую лампу;
• Получение электричества и распад частиц возможны при наличии специальных изотопов, ведь процесс их распада может длиться десятилетиями.

Выбирая производителя установки, лучше остановиться на уже зарекомендовавших себя фирмах. Таких как Глобал, Алтек (Altec), ТГМ (Tgm), Криотерм, Термиона (Termiona).

Кстати, еще одним неплохим способом получить электричество на халяву, считается генератор по сбору радиоволн. Он состоит из пар пленочных и электролитических конденсаторов, а также маломощных диодов. В качестве антенны берется изолированный кабель около 10-20 метров и еще один заземляющий провод крепится к водопроводной или газовой трубе.

Эффект Зеебека [ править ]

Эффект Зеебека в термобатареи из железных и медных проводов

Термоэлектрическая схема состоит из материалов различных коэффициентов Зеебека (п — легированных и н-легированных полупроводников), выполнено в виде термоэлектрический генератора . Если нагрузочный резистор внизу заменить вольтметром , схема будет работать как термопара, чувствительная к температуре .

Эффект Зеебека — это электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает в двух точках электропроводящего материала, когда между ними существует разница температур. ЭДС называется ЭДС Зеебека (или термо / термическая / термоэлектрическая ЭДС). Отношение между ЭДС и разностью температур — это коэффициент Зеебека. A термопара измеряет разность потенциалов поперек горячего и холодного конца в течение двух разнородных материалов. Эта разность потенциалов пропорциональна разнице температур между горячим и холодным концом. Впервые обнаружен в 1794 году итальянский ученый Алессандро Вольта , он назван в честь Балтийского немецкого физика Зеебек, которые в 1821 году независимо открыли его заново. Было замечено, что стрелка компаса будет отклоняться замкнутой петлей, образованной двумя разными металлами, соединенными в двух местах, с приложенной разницей температур между соединениями. Это произошло потому, что уровни энергии электронов смещались по-разному в разных металлах, создавая разность потенциалов между переходами, которая, в свою очередь, создавала электрический ток через провода и, следовательно, магнитное поле вокруг проводов. Зеебек не осознавал наличие электрического тока, поэтому назвал это явление «термомагнитным эффектом». Датский физик Ганс Кристиан Эрстед исправил упущение и ввел термин «термоэлектричество».

Эффект Зеебека является классическим примером электродвижущей силы (ЭДС) и приводит к измеряемым токам или напряжениям так же, как и любая другая ЭДС. Локальная плотность тока определяется выражением

Jзнак равноσ(-∇V+EЭДС),{\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma (- \ nabla V + \ mathbf {E} _ {\ text {emf}}),}

где — местное напряжение , и — местная проводимость . В общем, эффект Зеебека описывается локально созданием электродвижущего поля.V{\ displaystyle V}σ{\ displaystyle \ sigma}

EЭДСзнак равно-S∇Т,{\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ text {emf}} = — S \ nabla T,}

где — коэффициент Зеебека (также известный как термоЭДС), свойство местного материала, а — температурный градиент.S{\ displaystyle S}∇Т{\ displaystyle \ nabla T}

Коэффициенты Зеебека обычно меняются в зависимости от температуры и сильно зависят от состава проводника. Для обычных материалов при комнатной температуре коэффициент Зеебека может находиться в диапазоне от -100 мкВ / К до +1000 мкВ / К ( дополнительную информацию см. В статье о коэффициенте Зеебека ).

Если система достигает устойчивого состояния, в котором , то градиент напряжения задается просто ЭДС: . Это простое соотношение, которое не зависит от проводимости, используется в термопаре для измерения разницы температур; абсолютная температура может быть найдена путем выполнения измерения напряжения при известной эталонной температуре. Металл неизвестного состава можно классифицировать по его термоэлектрическому эффекту, если металлический зонд известного состава поддерживать при постоянной температуре и контактировать с неизвестным образцом, который локально нагревается до температуры зонда. Он используется в коммерческих целях для идентификации металлических сплавов. Последовательные термопары образуют термобатарею . Термоэлектрические генераторыJзнак равно{\ displaystyle \ mathbf {J} = 0}∇Vзнак равноSΔТ{\ Displaystyle \ набла V = S \ Delta T} используются для создания энергии от перепадов тепла.

Устройство и принцип работы

Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Устройство модульного элемента Пельтье

Обозначения:

• А – контакты для подключения к источнику питания;
• B – горячая поверхность элемента;
• С – холодная сторона;
• D – медные проводники;
• E – полупроводник на основе р-перехода;
• F – полупроводник n-типа.

Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.

Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Принцип действия элемента Пельтье

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Современный элемент Пельтье  представляет собой конструкцию из двух пластин-изоляторов (как правило керамических.). Между этими пластинами-изоляторами находится одна или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Устройство модульного элемента ПельтеА — контакты для подключенияB — горячая поверхностьC — холодная сторонаD — медные проводникиE — полупроводник p-типаF — полупроводник n-типа

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n-p), а снизу — противоположные (p-n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются… или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Соединение полупроводниковых элементов ПельтьеA- горячая сторона,  B — холодная сторона

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, т.к. это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Маркировка элементов Пельтье

Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы

1. Обозначение элемента. Первые две буквы всегда «TE». После них идёт буква «C» (стандартный размер) или «S» — малый размер.Далее идёт цифра, указывающая сколько слоёв в элементе.
2. Количество термопар в элементе.
3. Величина номинального тока, в амперах.

Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье

Пример расшифровки маркировки элемента Пельтье1- элемента Пельтье стандартного размера с 1 слоем элементов2 — содержит 127 термопар3 — номинальный ток 6 А

Иногда может быть четвёртая группа, указывающая на размеры модуля. Например, «40» указывает что элемент имеет размер 40х40 мм.

Технические параметры элементов Пельтье

Главными параметрами у элементов Пельтье являются:

• Q_max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье
• DTmax – максимальный температурный перепад между сторонами элемента Пельтье в идеальных условиях
• I_max – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
• U_max — предельное напряжение, при котором перепад температур достигает своего максимума
• Resistence (RES) – сопротивление внутренних элементов изделия
• КПД (COP) — данный показатель у самых лучших модулей едва дотягивается до 50 %. Но чаще всего встречаются элементы КПД от 20% до 30%.

Особенности функционирования ТЭМ

Принцип действия и конструкция

При рассмотрении особенностей функционирования ТЭМ, работающих по тому же принципу, что генератор Пельтье, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

• В одном таком элементе имеется четыре перехода, которые образуются в пограничных зонах между краями металлической прокладки и двумя разнородными полупроводниковыми пластинами;
• При образовании замкнутой цепочки поток электронов перемещается по направлению от минуса источника питания к его плюсу, проходя через каждый переход;
• На границе первого по порядку барьера (полупроводник p-типа – медь) разогнанные во внешнем поле электроны переходят в состояние с меньшими энергиями разгона, вследствие чего происходит тепловыделение;
• На следующем переходе наблюдается поглощение энергии (то есть охлаждение материала), что объясняется её расходом на работу по перемещению из зоны проводимости типа «p»;
• На третьем пограничном переходе они попадают в зону полупроводника «n» со значительно большей, чем в прокладке из металла энергией, из-за чего здесь наблюдается её поглощение. Это приводит к охлаждению материала полупроводника на границе данного стыкового образования;
• В последнем переходе вследствие попадания электронов в зону с меньшими энергиями наблюдается обратный процесс, связанный с тепловыделением.

Какой генератор потянет инверторный сварочный аппарат

Поскольку каждый из рассмотренных барьеров в границах ТЭМ располагается в разных плоскостях, такая конструкция с одной из сторон будет иметь более низкую температуру, а с другой – более высокую. На их основе создаются недорогие и лёгкие термогенераторы.

В готовом к практическому использованию элементе содержится большое количество рассмотренных ранее переходов, что позволяет получать вполне ощутимые по величине температурные перепады. Используя обратный эффект (охлаждая одну из его сторон и нагревая другую) удаётся получить электрогенератор, энергии от которого будет хватать для зарядки мобильного телефона, например.

Достоинства и недостатки

К преимуществам модулей типа ТЭМ, используемых в режимах охлаждения и нагрева, можно отнести их универсальность, небольшие габариты и лёгкость, что особо важно в походных условиях. Их существенным недостатком является высокая стоимость, сравнительно низкий КПД (всего 2-3%), а также необходимость в стороннем источнике, позволяющем получить требуемый перепад температур

Их существенным недостатком является высокая стоимость, сравнительно низкий КПД (всего 2-3%), а также необходимость в стороннем источнике, позволяющем получить требуемый перепад температур.

Обратите внимание! Все перечисленные достоинства и недостатки относятся и к элементам ТЭМ, используемым как термоэлектрогенератор (смотрите рисунок ниже). Модуль ТЭМ

Модуль ТЭМ

Несмотря на присущие им недостатки, все эти изделия довольно часто применяются в различных сферах, где уровень энергозатрат не имеет решающего значения.

Где ещё применяют термоэлектрические модули

Эффект Пельтье-Зеебека известен с 1840-х годов. Его активно используют и по сей день, благодаря устойчивости законов физики. Термоэлектрическому модулю всегда найдётся место там, где есть избыточная энергия или нужно быстро и бесшумно совершить теплообмен.

Основное применения теплоэлектрических модулей:

1. Охлаждение микросхем. Вентиляторы, как основной теплообменник, уходят в прошлое. Им на смену идут компактные, бесшумные и практически вечные ТЭМ.
2. Машиностроение. Даже самый современный ДВС выделяет отработавшие газы из камеры сгорания. Инженеры используют их высокую температуру для получения дополнительной энергии при помощи элементов Пельтье. Собранная энергия подаётся обратно в системы двигателя, но уже в виде постоянного тока, что позволяет экономить топливо.
3. Бытовая техника. Всё, что описано выше плюс большинство бытовых приборов, работающих на охлаждение или подогрев (кроме компрессорных холодильников).

И маленький секрет напоследок. Наш модуль имеет почти чудесное свойство — обратимость. Это значит, что при перемене полярности постоянного тока на проводах модуля (с помощью переключателя) горячая и холодная поверхность меняются местами. Кулер превращается в нагреватель, холодильник в тепловую камеру (инкубатор), а кондиционер — в маломощный тепловентилятор. Для этого не придётся изменять схему устройства. Достаточно просто поменять полярность.

Этот принцип использован в устройстве под названием рекуператор. Он представляет собой бокс, состоящий из двух изолированных камер, которые сообщаются между собой при помощи вентиляторов. При помощи модулей Пельтье холодный воздух с улицы подогревается энергией, извлечённой из нагретого воздуха, который отводится из помещения. Приспособление позволяет экономить на отоплении дома.

Виталий Долбинов, рмнт.ру