Hladilna oprema in kompleksi za hlajenje zraka so nepogrešljivi elementi v vsakdanjem življenju. Vendar standardne volumetrične zasnove, ki temeljijo na hladilnih sredstvih, niso primerne za mobilne aplikacije, na primer v hladilnih vrečkah. V takih primerih se uporabljajo naprave, ki temeljijo na Peltierjevem učinku, o čemer bomo podrobneje razpravljali v tem gradivu.
Peltierjev element ali termoelektrični hladilnik temelji na termočlenu dveh elementov s prevodnostjo p- in n-tipa, ki sta povezana s komutacijsko bakreno ploščo. Deli so v večini primerov izdelani iz bizmuta, telurja, antimona in selena. Takšne naprave se uporabljajo v hladilnih sistemih za uporabo v gospodinjstvih in imajo tudi sposobnost ustvarjanja energije.
Vsebina
Kaj je to
Pojav in izraz Peltier nakazujeta na odkritje, ki ga je leta 1834 naredil francoski znanstvenik Jean-Charles Peltier. Bistvo odkritja je, da se toplota nenehno sprošča oziroma absorbira v območju stika dveh različno usmerjenih vodnikov, po katerih teče električni tok.
Klasična teorija pojasnjuje ta pojav na naslednji način: elektroni se prenašajo med kovinami s pomočjo električnega toka, pospešujejo ali upočasnjujejo, odvisno od kontaktne potencialne razlike na kovinskih vodnikih z različnimi stopnjami prevodnosti. Peltierjevi elementi tako prispevajo k pretvorbi kinetične energije v toplotno.
Na drugem vodniku se pojavi nasprotni učinek, kjer je na podlagi temeljnega zakona fizike potrebna dopolnitev energije. To stanje nastane zaradi procesa toplotnega nihanja, zaradi katerega se kovina drugega prevodnika ohladi.
S pomočjo sodobne tehnologije je možno izdelati Peltierjev modul z največjim termoelektričnim učinkom.
Zasnova in princip delovanja
Sodobni moduli Peltier so konstrukcija z dvema izolatorskima ploščama, med katerimi so termočleni povezani v strogem zaporedju. Standardni diagram tega elementa za boljše razumevanje njegovega delovanja je prikazan na sliki.
Oznaka elementov zasnove:
- A - kontakti, s katerimi se izvede povezava z napajanjem;
- B - vroča površina;
- C - hladna stran;
- D - bakreni vodniki;
- E - polprevodnik p-stičišča;
- F - polprevodnik tipa n.
Element je izdelan tako, da sta obe površini v stiku s p-n ali n-p spoji, glede na polarnost. Kontakti p-n se segrejejo in temperatura n-p se zniža. Rezultat je temperaturna razlika DT na koncih elementa. Ta učinek pomeni, da toplotna energija, ki se giblje med elementi modula, uravnava temperaturni režim glede na polarnost. Upoštevati je treba tudi, da se pri zamenjavi polarnosti vroče in hladne površine zamenjajo.
Tehnične lastnosti
Tehnični parametri Peltierjevega elementa predpostavljajo naslednje vrednosti:
- Hladilna zmogljivost (Qmax) - izračunana na podlagi tokovne omejitve in temperaturne razlike med koncema modula. Merska enota je Watt;
- meja temperaturne razlike (DTmax) - merjeno v stopinjah, ta karakteristika je podana za optimalne pogoje;
- Imax - omejevalna moč električnega toka, ki je potrebna za zagotavljanje večje temperaturne razlike;
- Umax - mejna napetost, ki je potrebna, da električni tok Imax doseže največjo temperaturno razliko DTmax;
- Upor - notranji upor naprave, merjen v ohmih;
- COP je faktor učinkovitosti ali učinkovitost Peltierjevega modula, ki odraža razmerje med močjo hlajenja in porabljeno močjo. Odvisno od značilnosti naprave, pri poceni napravah je številka v območju 0,3-0,35, pri dražjih modelih pa do 0,5.
Prednosti mobilnega Peltierjevega elementa so njegova majhnost, reverzibilnost procesa, pa tudi možnost uporabe kot prenosni generator električne energije ali hladilnik.
Slabosti modula so visoki stroški, nizka učinkovitost v okviru 3%, visoka poraba energije in potreba po nenehnem vzdrževanju temperaturne razlike.
Aplikacija
Tudi ob upoštevanju nizkega izkoristka se plošče v modulu Peltier pogosto uporabljajo v merilnih, računalniških napravah, pa tudi v prenosnih gospodinjskih aparatih. Tu je seznam naprav, katerih sestavni del so modeli:
- prenosne hladilne enote;
- generatorji majhne moči;
- hladilni kompleksi v osebnih in prenosnih računalnikih;
- Hladilniki za ogrevanje in hlajenje pitne vode;
- razvlaževalniki zraka.
Kako se povezati
Modul Peltier lahko povežete sami, ne zahteva veliko časa in truda. Na kontakte izhodov morate uporabiti enosmerno napetost, ki je navedena v navodilih za uporabo naprave. Rdeča žica je povezana s plusom, črna pa z minusom.Upoštevajte, da bo zamenjava polaritete zamenjala ogrevane in ohlajene površine.
Pred priključitvijo je priporočljivo preveriti delovanje elementa. Eden od preprostih in zanesljivih načinov testiranja naprave je taktilna metoda: to storite tako, da napravo priključite na vir električnega toka in se dotaknete različnih kontaktov. Pravilno delujoča enota bo imela tople in hlajene kontakte.
Lahko preverite tudi z multimetrom in vžigalnikom. Če želite to narediti, priključite sonde na kontakte naprave, držite vžigalnik na eni strani in opazujte odčitek multimetra. Če Peltierjev element deluje v standardnem načinu, bo proces segrevanja proizvedel električni tok na eni strani in odčitek napetosti bo prikazan na zaslonu multimetra.
Kako narediti element Peltier z lastnimi rokami
Element Peltier ni smotrno izdelati doma zaradi nizkih stroškov in potrebe po posebnem znanju za ustvarjanje delujočega elementa. Vendar pa lahko z lastnimi rokami sestavite učinkovit mobilni termoelektrični generator, ki vam bo prišel prav v podeželski hiši ali na kampiranju.
Za stabilizacijo električne napetosti boste morali sestaviti standardni pretvornik na IC čipu L6920. Na vhod naprave je potrebno napajati napetost 0,8-5,5 V, na izhodu pa bo proizvedla 5 V, ta vrednost je dovolj za polnjenje baterije mobilnih naprav v standardnem načinu. Če se uporablja standardna elektronska naprava Peltier, bo treba temperaturno mejo ogrevane površine omejiti na 150 stopinj. Za lažji nadzor temperature je priporočljivo uporabiti lonec z vrelo vodo, potem se model ne bo segrel nad 100 stopinj.
Peltierjeve plošče se pogosto uporabljajo za hlajenje sodobnih gospodinjskih aparatov, v klimatskih napravah, učinkovitost naprave se je izkazala predvsem za stabilizacijo toplotnega režima in hlajenje zmogljivega procesorja.Na podlagi elementa Peltier so učinkoviti mobilni hladilniki pogosto izdelani doma za poletne hiše ali avtomobile, ki napajajo radiator. Zaradi reverzibilnosti procesa se domači elementi uporabljajo v vlogi mobilnih malih elektrarn na območjih brez vira električne energije.
Povezani članki:
