Koelapparatuur en koeleenheden zijn onmisbaar in het dagelijks leven. Standaard bulkontwerpen op basis van koelmiddel zijn echter niet geschikt voor mobiel gebruik, bijvoorbeeld in gekoelde boodschappentassen. In dergelijke gevallen worden apparaten op basis van het Peltier-effect gebruikt, die wij in dit materiaal in detail zullen bespreken.
Het Peltier-element of de thermo-elektrische koeler is gebaseerd op een thermokoppel dat bestaat uit twee elementen met p- en n-type geleiding, die met elkaar verbonden zijn door een koperen schakelplaat. De onderdelen zijn in de meeste gevallen gemaakt van bismut, tellurium, antimoon en selenium. Dergelijke apparaten worden gebruikt in koelsystemen voor huishoudelijke toepassingen, en zij hebben ook de neiging energie op te wekken.
Inhoud
Wat is het?
Het verschijnsel en de term Peltier verwijst naar een ontdekking die in 1834 werd gedaan door de Franse wetenschapper Jean-Charles Peltier. De essentie van de ontdekking is dat er voortdurend warmte wordt opgewekt of geabsorbeerd in het gebied waar twee verschillend georiënteerde geleiders met elkaar in contact staan en er een elektrische stroom doorheen loopt.
De klassieke theorie verklaart het verschijnsel als volgt: elektronen worden tussen metalen overgedragen door middel van de elektrische stroom, die versneld of vertraagd wordt afhankelijk van het contactpotentiaalverschil op de metalen geleiders met verschillende geleidbaarheidsniveaus. Peltier-elementen dragen dus bij tot de omzetting van kinetische energie in thermische energie.
Op de tweede geleider treedt het tegenovergestelde effect op, waarbij op grond van de fundamentele wet van de fysica aanvulling van de energie vereist is. Dit is het gevolg van het proces van thermische oscillatie, waardoor het metaal van de tweede geleider afkoelt.
Een Peltier-module met een maximaal thermo-elektrisch effect kan met behulp van moderne technologie worden vervaardigd.
Ontwerp en werkingsprincipe
Moderne Peltier-modules bestaan uit een structuur met twee isolerende platen, waartussen thermokoppels in een strikte volgorde zijn aangesloten. Voor een beter begrip van de functie van dit element is in de figuur een standaarddiagram afgebeeld.
De aanduiding van de elementen:
- A - contacten waarmee de verbinding met de stroomvoorziening tot stand wordt gebracht;
- B - hete kant;
- C - koude kant;
- D - koperen geleiders;
- E - p-junctie halfgeleider;
- F - n-type halfgeleider.
Het element wordt zo gemaakt dat beide oppervlakken in contact staan met p-n of n-p juncties, afhankelijk van de polariteit. De p-n contacten worden verwarmd en de n-p temperatuur wordt verlaagd. Dit resulteert in een temperatuurverschil van DT aan de uiteinden van het element. Dit effect houdt in dat de thermische energie die zich tussen de elementen van de module verplaatst, het temperatuurregime regelt naar gelang van de polariteit. Er zij ook op gewezen dat bij omkering van de polariteit de warme en koude oppervlakken veranderen.
Technische kenmerken
De technische parameters van het Peltier-element nemen de volgende waarden aan:
- Koelvermogen (Qmax) - berekend op basis van de stroomgrens en het temperatuurverschil tussen de module-einden. De meeteenheid is watt;
- grenswaarde temperatuurverschil (DTmax) - gemeten in graden, deze karakteristiek wordt gegeven voor optimale omstandigheden;
- Imax - de grenskracht van de elektrische stroom die nodig is om een groter temperatuurverschil te bereiken;
- Umax is de maximale spanning Umax die nodig is voor de elektrische stroom Imax om het maximale temperatuurverschil DTmax te bereiken;
- Weerstand - interne weerstand van het apparaat, gemeten in ohm;
- POR is de efficiëntiefactor of efficiëntie van de Peltier-module, die de verhouding weergeeft tussen het koelvermogen en het opgenomen koelvermogen. Afhankelijk van de kenmerken van het toestel ligt dit cijfer tussen 0,3 en 0,35 voor goedkope toestellen, terwijl het oploopt tot 0,5 voor duurdere modellen.
De voordelen van het mobiele Peltier-element zijn de geringe afmetingen, de omkeerbaarheid van het proces, en de mogelijkheid om het te gebruiken als draagbare stroomgenerator of koelkast.
De nadelen van de module zijn de hoge kosten, een laag rendement van ongeveer 3%, hoge energiekosten en de noodzaak om het temperatuurverschil constant te handhaven.
Toepassing
Zelfs gezien de lage efficiëntiefactor worden Peltier-moduleplaten op grote schaal gebruikt in meet- en computerapparatuur en in draagbare huishoudelijke apparaten. Hier is een lijst van apparaten waarin modellen een integrerend deel zijn:
- draagbare koeleenheden;
- kleine stroomgeneratoren;
- koeleenheden in PC's en laptops;
- koelers voor het verwarmen en koelen van drinkwater;
- ontvochtigers.
Hoe aansluiten
De Peltier-module kan door uzelf worden aangesloten en het is een snel en eenvoudig proces. De gelijkspanning moet op de uitgangscontacten worden gezet zoals aangegeven in de gebruiksaanwijzing van het toestel. De rode draad wordt verbonden met de plus en de zwarte draad met de min. Merk op dat het omkeren van de polariteit de verwarmde en gekoelde oppervlakken omkeert.
Het is raadzaam de werking van het element te controleren alvorens het aan te sluiten. Een eenvoudige en betrouwbare manier om het toestel te testen is de tactiele methode: sluit het toestel aan op een elektrische stroombron en raak de verschillende contacten aan. In een goed werkende eenheid zullen sommige contacten warm zijn en andere koel.
Het is ook mogelijk dit te controleren met een multimeter en een aansteker. Om dit te doen, sluit u de sondes aan op de contacten van het toestel, houdt u de aansteker opzij en observeert u de multimeterstand. Als het Peltier-element in de standaardmodus werkt, zal het verwarmingsproces aan één kant een elektrische stroom produceren en zal de spanningswaarde op het scherm van de multimeter worden weergegeven.
Hoe maak je met je eigen handen een Peltier element
Het Peltier-element is niet haalbaar om thuis te maken vanwege de lage kosten en de behoefte aan speciale kennis om een werkbaar element te maken. Het is echter mogelijk om met uw eigen handen een efficiënte mobiele thermo-elektrische generator te bouwen, die van pas zal komen op het landhuis of tijdens een kampeertocht.
Om de elektrische spanning te stabiliseren, moet u uw eigen standaardconverter bouwen op het L6920 IC. De ingangsspanning van 0,8-5,5V moet worden toegepast en de uitgangsspanning zal 5V zijn, wat voldoende is om de batterij van mobiele toestellen in standaardmodus op te laden. Indien een standaard elektronisch Peltier-apparaat wordt gebruikt, dan is een oppervlaktetemperatuurlimiet van 150 graden vereist. Om de temperatuur gemakkelijk te kunnen regelen, is het raadzaam een pan met kokend water te gebruiken, dan zal het model niet warmer worden dan 100 graden.
Peltier-platen worden op grote schaal gebruikt voor de koeling van moderne huishoudelijke apparaten, in airconditioners; de doeltreffendheid van het apparaat is met name bewezen voor het stabiliseren van het thermisch regime en het koelen van een krachtige processor. Peltier-elementen worden vaak gebruikt om efficiënte mobiele koelkasten te maken voor zomerhuisjes of auto's, of om een radiator thuis van energie te voorzien. Door de omkeerbaarheid van het proces worden zelfgemaakte elementen gebruikt als mobiele kleine energiecentrales in gebieden zonder elektriciteitsbron.
Verwante artikelen:
