Urządzenia chłodnicze i agregaty chłodnicze są nieodzowne w codziennym życiu. Standardowe konstrukcje zbiorników na czynnik chłodniczy nie nadają się jednak do zastosowań mobilnych, np. w chłodzonych torbach na zakupy. W takich przypadkach stosuje się urządzenia oparte na efekcie Peltiera, które szczegółowo omówimy w tym materiale.
Element Peltiera lub chłodnica termoelektryczna jest oparta na termoelemencie składającym się z dwóch elementów o przewodności typu p i n, połączonych miedzianą płytką łączącą. W większości przypadków części te są wykonane z bizmutu, telluru, antymonu i selenu. Urządzenia takie są wykorzystywane w systemach chłodzenia w zastosowaniach domowych, a także mają tendencję do wytwarzania energii.
Spis treści
Co to jest
Zjawisko i termin Peltier odnosi się do odkrycia dokonanego w 1834 r. przez francuskiego naukowca Jeana-Charlesa Peltiera. Istota odkrycia polega na tym, że w obszarze styku dwóch różnie zorientowanych przewodników, przez które płynie prąd elektryczny, stale wytwarzane lub pochłaniane jest ciepło.
Teoria klasyczna wyjaśnia to zjawisko w następujący sposób: elektrony są przenoszone między metalami za pomocą prądu elektrycznego, przyspieszanego lub opóźnianego w zależności od różnicy potencjałów kontaktowych na przewodnikach metalowych o różnych poziomach przewodności. Elementy Peltiera przyczyniają się w ten sposób do zamiany energii kinetycznej na energię cieplną.
W drugim przewodniku występuje efekt odwrotny, gdzie wymagane jest uzupełnianie energii w oparciu o podstawowe prawo fizyki. Wynika to z procesu oscylacji termicznej, który powoduje ochłodzenie metalu drugiego przewodnika.
Moduł Peltiera o maksymalnym efekcie termoelektrycznym można wyprodukować przy użyciu nowoczesnej technologii.
Budowa i zasada działania
Nowoczesne moduły Peltiera to konstrukcja, w której znajdują się dwie płyty izolacyjne, a między nimi termopary połączone w ścisłej kolejności. Aby lepiej zrozumieć działanie tego elementu, na rysunku pokazano standardowy schemat.
Oznaczenie elementów:
- A - styki, za pomocą których wykonuje się połączenie z zasilaczem;
- B - gorąca strona;
- C - zimna strona;
- D - przewody miedziane;
- E - półprzewodnik p-złączowy;
- F - półprzewodnik typu n.
Element jest wykonany w taki sposób, że obie jego powierzchnie stykają się ze sobą za pomocą złączy p-n lub n-p, zależnie od polaryzacji. Styki p-n są podgrzewane, a temperatura n-p ulega obniżeniu. Powoduje to powstanie różnicy temperatur DT na końcach elementu. Efekt ten oznacza, że energia cieplna, która przemieszcza się między elementami modułu, reguluje reżim temperaturowy w zależności od biegunowości. Należy również zauważyć, że odwrócenie biegunowości powoduje zmianę powierzchni gorącej i zimnej.
Charakterystyka techniczna
Parametry techniczne elementu Peltiera przyjmują następujące wartości:
- Wydajność chłodnicza (Qmax) - obliczana na podstawie wartości granicznej prądu i różnicy temperatur między końcami modułów. Jednostką miary jest wat;
- granica różnicy temperatur (DTmax) - mierzona w stopniach, charakterystyka ta jest podawana dla warunków optymalnych;
- Imax - graniczna wartość natężenia prądu elektrycznego wymagana do osiągnięcia większej różnicy temperatur;
- Umax to maksymalne napięcie Umax wymagane dla prądu elektrycznego Imax w celu osiągnięcia maksymalnej różnicy temperatur DTmax;
- Rezystancja - wewnętrzna rezystancja urządzenia, mierzona w Ohmach;
- POR to współczynnik efektywności lub sprawność modułu Peltiera, który odzwierciedla stosunek mocy chłodniczej do poboru mocy chłodniczej. W zależności od funkcji urządzenia, wartość ta wynosi od 0,3 do 0,35 w przypadku tanich urządzeń, natomiast w przypadku droższych modeli sięga nawet 0,5.
Zaletami mobilnego elementu Peltiera są jego niewielkie rozmiary, odwracalność procesu oraz możliwość wykorzystania go jako przenośnego generatora prądu lub lodówki.
Wadami modułu są wysokie koszty, niska sprawność wynosząca około 3%, wysokie koszty energii oraz konieczność ciągłego utrzymywania różnicy temperatur.
Aplikacja
Nawet biorąc pod uwagę niski współczynnik sprawności, płytki modułu Peltiera są szeroko stosowane w urządzeniach pomiarowych, komputerowych oraz w przenośnych urządzeniach gospodarstwa domowego. Oto lista urządzeń, w których modele stanowią integralną część:
- przenośne urządzenia chłodnicze;
- małe agregaty prądotwórcze;
- jednostki chłodzące w komputerach osobistych i laptopach;
- chłodnice do podgrzewania i chłodzenia wody pitnej;
- osuszacze powietrza.
Jak podłączyć
Moduł Peltiera można podłączyć samodzielnie i jest to proces szybki i łatwy. Napięcie stałe musi być przyłożone do styków wyjściowych w sposób określony w instrukcji obsługi urządzenia. Przewód czerwony jest podłączony do plusa, a czarny do minusa. Należy pamiętać, że odwrócenie biegunowości powoduje odwrócenie powierzchni ogrzewanej i chłodzonej.
Zaleca się sprawdzenie działania elementu przed jego podłączeniem. Jednym z prostych i niezawodnych sposobów testowania urządzenia jest metoda dotykowa: należy podłączyć urządzenie do źródła prądu elektrycznego i dotknąć poszczególnych styków. W prawidłowo działającym urządzeniu niektóre styki będą ciepłe, a inne chłodne.
Można to również sprawdzić za pomocą multimetru i zapalniczki. W tym celu należy podłączyć sondy do styków urządzenia, przytrzymać zapalniczkę z boku i obserwować wskazania multimetru. Jeśli element Peltiera działa w trybie standardowym, proces nagrzewania spowoduje powstanie prądu elektrycznego po jednej stronie, a odczyt napięcia zostanie wyświetlony na ekranie multimetru.
Jak własnoręcznie wykonać element Peltiera
Element Peltiera nie jest możliwy do wykonania w warunkach domowych ze względu na jego niski koszt i konieczność posiadania specjalistycznej wiedzy do stworzenia działającego elementu. Można jednak własnoręcznie zbudować wydajny przenośny generator termoelektryczny, który przyda się w domku na wsi lub na kempingu.
Aby ustabilizować napięcie elektryczne, należy zbudować własny standardowy konwerter na układzie scalonym L6920. Należy przyłożyć napięcie wejściowe w zakresie 0,8-5,5 V, a napięcie wyjściowe wyniesie 5 V, co wystarczy do naładowania baterii urządzeń przenośnych w trybie standardowym. W przypadku zastosowania standardowego elektronicznego urządzenia Peltiera wymagane jest ograniczenie temperatury powierzchni do 150 stopni. Aby ułatwić kontrolę temperatury, zaleca się używanie garnka z wrzącą wodą, wtedy model nie będzie się nagrzewał powyżej 100 stopni.
Płytki Peltiera są powszechnie stosowane do chłodzenia nowoczesnych urządzeń gospodarstwa domowego, w klimatyzatorach, a skuteczność urządzenia została udowodniona w szczególności w celu stabilizacji reżimu termicznego i chłodzenia wydajnego procesora. Elementy Peltiera są często wykorzystywane do produkcji wydajnych przenośnych lodówek do domków letniskowych lub samochodów, a także do zasilania grzejników w domu. Ze względu na odwracalność procesu elementy domowej roboty są wykorzystywane jako mobilne małe elektrownie na terenach pozbawionych źródła energii elektrycznej.
Powiązane artykuły:
