Les équipements frigorifiques et les unités de refroidissement sont essentiels dans la vie quotidienne. Cependant, les conceptions de vrac standard basées sur les réfrigérants ne sont pas adaptées à une utilisation mobile, par exemple dans des sacs à provisions réfrigérés. Dans ce cas, on utilise des dispositifs basés sur l'effet Peltier, dont nous parlerons en détail dans cet article.
L'élément Peltier ou refroidisseur thermoélectrique est basé sur un thermocouple composé de deux éléments à conductivité de type p et n, qui sont reliés par une plaque de commutation en cuivre. Les pièces sont dans la plupart des cas fabriquées en bismuth, tellure, antimoine et sélénium. Ces dispositifs sont utilisés dans les systèmes de refroidissement pour les applications domestiques, et ils ont également tendance à générer de l'énergie.
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Ce que c'est
Le phénomène et le terme Peltier font référence à une découverte faite en 1834 par le scientifique français Jean-Charles Peltier. L'essence de cette découverte est que de la chaleur est constamment générée ou absorbée dans la zone où deux conducteurs orientés différemment sont en contact et où un courant électrique les traverse.
La théorie classique explique le phénomène de la manière suivante : les électrons sont transférés entre les métaux au moyen du courant électrique, accéléré ou décéléré en fonction de la différence de potentiel de contact sur les conducteurs métalliques de différents niveaux de conductivité. Les éléments Peltier contribuent ainsi à la conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique.
Sur le deuxième conducteur, l'effet inverse se produit, où le réapprovisionnement en énergie est nécessaire selon la loi fondamentale de la physique. Ceci est dû au processus d'oscillation thermique, qui entraîne le refroidissement du métal du second conducteur.
La technologie moderne permet de fabriquer un module Peltier avec un effet thermoélectrique maximal.
Conception et principe de fonctionnement
Les modules Peltier modernes sont une structure dans laquelle deux plaques isolantes sont présentes, avec des thermocouples connectés dans une séquence stricte entre elles. Pour une meilleure compréhension de la fonction de cet élément, un schéma standard est présenté dans la figure.
La désignation des éléments :
- A - contacts avec lesquels s'effectue la connexion à l'alimentation électrique ;
- B - côté chaud ;
- C - côté froid ;
- D - conducteurs en cuivre ;
- E - semi-conducteur à jonction p ;
- F - semi-conducteur de type n.
L'élément est fabriqué de manière à ce que les deux surfaces soient en contact avec des jonctions p-n ou n-p, selon la polarité. Les contacts p-n sont chauffés et la température n-p est réduite. Il en résulte une différence de température de DT aux extrémités de l'élément. Cet effet signifie que l'énergie thermique qui se déplace entre les éléments du module régule le régime de température en fonction de la polarité. Il convient également de noter que si la polarité est inversée, les surfaces chaudes et froides changent.
Caractéristiques techniques
Les paramètres techniques de l'élément Peltier prennent les valeurs suivantes :
- Capacité de refroidissement (Qmax) - calculée sur la base de la limite de courant et de la différence de température entre les extrémités du module. L'unité de mesure est le watt ;
- limite du différentiel de température (DTmax) - mesurée en degrés, cette caractéristique est donnée pour des conditions optimales ;
- Imax - la force limite du courant électrique nécessaire pour obtenir une plus grande différence de température ;
- Umax est la tension maximale Umax nécessaire au courant électrique Imax pour obtenir la différence de température maximale DTmax ;
- Résistance - résistance interne de l'appareil, mesurée en ohms ;
- POR est le facteur d'efficacité ou l'efficacité du module Peltier, qui reflète le rapport entre la puissance de refroidissement et la consommation de puissance de refroidissement. Selon les caractéristiques de l'appareil, ce chiffre se situe entre 0,3 et 0,35 pour les appareils bon marché, tandis qu'il va jusqu'à 0,5 pour les modèles plus chers.
Les avantages d'un élément Peltier mobile sont sa petite taille, la réversibilité du processus et la possibilité de l'utiliser comme générateur d'énergie ou réfrigérateur portable.
Les inconvénients du module sont un coût élevé, une faible efficacité d'environ 3%, des coûts énergétiques élevés et la nécessité de maintenir constamment le différentiel de température.
Application
Même en tenant compte du faible facteur d'efficacité, les plaques de modules Peltier sont largement utilisées dans les appareils de mesure et de calcul ainsi que dans les appareils ménagers portables. Voici une liste d'appareils dont les modèles font partie intégrante :
- les unités de réfrigération portables ;
- les petits générateurs d'électricité ;
- les unités de refroidissement des PC et des ordinateurs portables ;
- les refroidisseurs pour le chauffage et le refroidissement de l'eau potable ;
- déshumidificateurs.
Comment se connecter
Le module Peltier peut être connecté par vous-même et c'est un processus rapide et facile. La tension continue doit être appliquée aux contacts de sortie comme indiqué dans le mode d'emploi de l'appareil. Le fil rouge est connecté au plus et le fil noir au moins. Notez que l'inversion de la polarité inverse les surfaces chauffées et refroidies.
Il est conseillé de vérifier le fonctionnement de l'élément avant de le connecter. Une façon simple et fiable de tester l'appareil est la méthode tactile : connectez l'appareil à une source de courant électrique et touchez les différents contacts. Dans une unité fonctionnant correctement, certains des contacts seront chauds et d'autres seront froids.
Il est également possible de vérifier avec un multimètre et un briquet. Pour ce faire, connectez les sondes aux contacts de l'appareil, tenez le briquet sur le côté et observez la lecture du multimètre. Si l'élément Peltier fonctionne en mode standard, le processus de chauffage produira un courant électrique sur un côté et la lecture de la tension s'affichera sur l'écran du multimètre.
Comment fabriquer un élément Peltier de vos propres mains ?
Il n'est pas possible de fabriquer l'élément Peltier à la maison en raison de son faible coût et de la nécessité de disposer de connaissances particulières pour créer un élément exploitable. Cependant, il est possible de construire de ses propres mains un générateur thermoélectrique mobile efficace, qui vous sera utile à la maison de campagne ou lors d'un séjour en camping.
Afin de stabiliser la tension électrique, vous devrez construire votre propre convertisseur standard sur le CI L6920. Il faut appliquer une tension d'entrée de 0,8 à 5,5 V et la tension de sortie sera de 5 V, ce qui est suffisant pour charger la batterie des appareils mobiles en mode standard. Si un dispositif Peltier électronique standard est utilisé, alors une limite de température de surface de 150 degrés est requise. Pour faciliter le contrôle de la température, il est conseillé d'utiliser une casserole d'eau bouillante, puis le modèle ne chauffera pas au-delà de 100 degrés.
Les plaques Peltier sont largement utilisées pour le refroidissement des appareils ménagers modernes, dans les climatiseurs, l'efficacité du dispositif a été prouvée notamment pour stabiliser le régime thermique et refroidir un processeur puissant. Les éléments Peltier sont souvent utilisés pour fabriquer des réfrigérateurs mobiles efficaces pour les chalets d'été ou les voitures, ou pour alimenter un radiateur à la maison. En raison de la réversibilité du processus, les éléments faits maison sont utilisés comme petites centrales électriques mobiles dans les zones dépourvues de source d'électricité.
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