Leta 1834 je francoski fizik Jean Charles Peltier, ki je raziskal vplive električne energije na prevodnike, odkril zelo zanimiv učinek. Če prehajate tok skozi dva različna vodnika, ki sta nameščena v neposredni bližini drug drugega, potem se eden od teh prevodnikov začne zelo segrevati, drugi, nasprotno, pa postane zelo hladen. Količina toplote, ki se ustvari in absorbira, je neposredno odvisna od jakosti in smeri električnega toka. Če spremenite smer toka, bodo hladna in vroča stran spremenila mesta. Nekoliko pozneje se je ta pojav imenoval Peltierjev učinek in je bil zaradi praktičnega pomanjkanja povpraševanja takrat varno pozabljen.

In šele po sto plus letih, z razcvetom polprevodniške dobe, je bila nujna potreba po kompaktnih, poceni in učinkovitih hladilnikih. Tako so se v 60. letih 20. stoletja pojavili prvi polprevodniški termoelektrični moduli, ki so jih poimenovali Peltierjevi elementi.

Termoelement Peltier

Osnova katerega koli termoelektričnega modula je dejstvo, da imajo različni prevodniki različne ravni energije elektronov. Z drugimi besedami, en prevodnik je lahko predstavljen kot visokoenergijsko območje, drugi prevodnik pa kot nizkoenergijsko območje. Ko dva prevodna materiala prideta v stik med prehodom električnega toka skozi njih, mora elektron iz nizkoenergijskega območja iti v visokoenergetsko območje.

To se ne bo zgodilo, če elektron ne bo pridobil potrebne količine energije. V trenutku absorpcije te energije z elektronom se stična točka dveh prevodnikov ohladi. Če spremenite smer toka toka, bo nasprotno prišlo do učinka ogrevanja kontaktne točke.

Lahko se uporabijo kateri koli prevodniki, vendar ta učinek postane fizično opazen in pomemben šele v primeru uporabe polprevodnikov. Na primer, ko so kovine v stiku, je Peltierjev učinek tako nepomemben, da je skoraj neviden na ozadju ohmičnega segrevanja.

Naprava modula

Termoelektrični modul (TEM), ne glede na njegovo velikost in kraj uporabe, je sestavljen iz različnega števila, tako imenovanih termoelementov. Termoelement je tista opeka, iz katere je zgrajena katera koli TEM. Sestavljen je iz dveh polprevodnikov različnih vrst prevodnosti. Kot veste, obstajata dve vrsti prevodnosti p in n tipov. V skladu s tem obstajata dve vrsti polprevodnikov. Ta dva različna elementa sta v termočlenu povezana z bakrenim mostom. Kot polprevodniki se uporabljajo soli kovin, kot so bizmut, telur, selen ali antimon.

TEM - niz podobnih termoparalov, ki so med seboj povezani zaporedno. Vsi termoelementi so nameščeni med dvema keramičnima ploščama. Peltierjeva plošča. Plošče so narejene iz nitrida ali glinice. Dejansko število termoelementov v enem elementu se lahko spreminja v zelo širokem razponu, od nekaj kosov do nekaj sto ali tisoč.

Z drugimi besedami, Peltierjevi elementi so lahko popolnoma poljubne moči, od stotink deleža, do nekaj sto ali tisoč vatov. Neposredni tok zaporedoma prehaja skozi vse termoelemente in tako se zgornja keramična plošča ohladi, spodnja pa se nasprotno segreje. Če spremenite smer toka, potem bodo plošče spremenile mesta, zgornja se bo začela segrevati, spodnja pa se bo ohladila.

Element ima eno funkcijo, ki se aktivno uporablja za povečanje učinkovitosti hlajenja te naprave. Kot je znano, pri prehodu toka skozi element Peltier pride do temperaturne razlike med površino, ki jo segrevamo, in površino, ki jo ohladimo. Torej, če je površina, ki se aktivno segreva, izpostavljena prisilnemu hlajenju. Na primer, če uporabite poseben hladilnik, bo to povzročilo še močnejše hlajenje površine, torej tisto, ki hladi. V tem primeru lahko temperaturna razlika z zunanjim zrakom doseže več deset stopinj.

Prednosti in slabosti

Kot vsaka tehnična naprava ima tudi termoelektrični modul svoje prednosti in slabosti:

  • Majhne velikosti. Če sem natančnejši, je lahko TEM poljubne velikosti, od mikroskopskega do velikanskega.
  • Odsotnost gibljivih elementov v zasnovi, zaradi česar je naprava popolnoma tiha v delovanju.
  • Odsotnost tekočih ali plinskih polnil v zasnovi, zaradi česar je naprava izjemno enostavna tako v napravi kot v delovanju.
  • Glede na smer toka je lahko TEM hladilni ali grelni element.
  • Glavna pomanjkljivost TEM je njegova majhna učinkovitost v primerjavi s hladilnimi enotami kompresorja, ki delujejo na freon.

Težava povečanja učinkovitosti TEM temelji na tehnični sestavljanki, ki je še vedno nerešljiva. Prosti elektroni imajo v resnici dvojno naravo, kar se kaže v praksi in so hkrati nosilci električnega toka in toplotne energije. Zaradi tega je treba izredno učinkovit element Peltier narediti iz materiala, ki ima hkrati dve medsebojno izključujoči lastnosti. Ta material naj bi dobro vodil elektriko in slabo vodil toploto. Zaenkrat takšnega gradiva v naravi ne obstaja, vendar znanstveniki aktivno delujejo v tej smeri.

Tehnične specifikacije

Vsi termoelektrični moduli imajo ustrezne tehnične značilnosti:

  • Qmax - hladilna zmogljivost. Izračuna se na podlagi največjega dovoljenega toka in temperaturne razlike med nasprotnimi površinami. Vrednost se meri v vatih.
  • DTmax - največja temperaturna razlika med površinami elementov. Merjeno v stopinjah.
  • Imax - dovoljena jakost toka, ki je potrebna za pojav največje temperaturne razlike.
  • Umax je največja dovoljena napetost.
  • Odpornost je notranja odpornost naprave.
  • COP (koeficient perfomance) - koeficient učinkovitosti. To je učinkovitost elementa. Prikaže razmerje hladilne moči in porabe energije. Pri najbolj naprednih modelih ta koeficient skoraj doseže 0, 5. Pri enostavnejših ne presega 0, 2-0, 3.

Uporaba TEM-ov

Kljub resni pomanjkljivosti, ki je značilna za vse Peltierjeve elemente brez izjeme, in sicer zelo nizko učinkovitost, so te naprave našle precej široko uporabo tako v znanosti in tehnologiji kot v vsakdanjem življenju.

Termoelektrični moduli so pomembni konstrukcijski elementi naprav, kot so:

  • Mobilni hladilniki. Predvsem avto hladilniki.
  • Prenosni generatorji toplote. Za elektriko na težko dostopnih mestih.
  • Hladilni sistemi v sodobnih računalnikih.
  • Avtomobilske klimatske naprave.
  • Hladilniki za hlajenje in ogrevanje vode.
  • Odvlaževalniki zraka.
  • Laboratorijski inkubatorji za hlajenje.

Element Peltier v rokah domačega mojstra

Takoj je treba rezervirati, samostojna izdelava termoelektričnega elementa je za vsakogar vsaj nesmiselna in neuporabna. Razen če je proizvajalec učenec sedmega razreda in s tem utrdi znanje, pridobljeno pri pouku fizike.

Veliko lažje je kupiti nov termoelektrični element v ustrezni trgovini. Na srečo so poceni in določenega modela ne manjka. In poleg dejstva, da se v njih ni ničesar zlomilo ali dotrajalo, se noben termoelement, vzet s starega računalnika ali avtomobilske klimatske naprave, po svojih tehničnih lastnostih ne bo razlikoval od novega.

Najbolj priljubljen model termoelementov je TEC1-12706. Dimenzije te naprave so 40 do 40 milimetrov. Sestavljen je iz 127 termoparov, ki so medsebojno povezani. Zasnovan je za tok 5 A, z napetostjo vezja 12 V. Takšen element stane v povprečju od 200 do 300 rubljev. Lahko pa ga najdete za sto ali na splošno zanjo, če ga odstranite iz starega računalnika ali kakšne druge nepotrebne naprave.

Z uporabo takega elementa je mogoče izdelati vsaj dve zelo zanimivi in ​​uporabni napravi v gospodinjstvu.

Kako narediti hladilnik sami

Proizvodnja prenosnih hladilnikov, zlasti za stroje, v celoti temelji na Peltierjevem učinku. Če želite narediti takšno napravo doma, boste potrebovali:

  • Termoelement znamke TEC1-12706 V najbližji trgovini (specializirani) stane 200 rubljev.
  • Radiator in ventilator. Odstranjeni so iz starega računalnika, ki je služil svojemu namenu.
  • Posoda Vsaka nepotrebna posoda iz plastike, kovine ali lesa. Zunaj in znotraj je takšna posoda prilepljena s ploščami za varčevanje s toploto iz pene ali polistirenske pene.

Termoelektrični modul je vgrajen v pokrov posode. V tem primeru bo dovod mraza prišel od vrha do dna, kar bo vodilo do enakomernega hlajenja rezervoarja. Z notranje strani posode je na njen pokrov pritrjen radiator s pomočjo termične paste in pritrdilnih vijakov.

Da bi povečali moč prihodnje hladilne naprave, lahko povečate število termoelementov, do dveh ali treh ali več. V tem primeru se moduli držijo drug drugega, pri čemer upoštevajo polarnost. Z drugimi besedami, vroča stran osnovnega elementa je v stiku s hladno stranjo zgornjega.

Zunaj je na pokrov pritrjen še en radiator skupaj z računalniškim hladilnikom. Na mestu pritrditve radiatorjev mora obstajati dobra toplotna izolacija med hladno - notranjo in vročo - zunanjo stranjo. Zgornje in spodnje radiatorje je treba zelo previdno zategniti s pritrdilnimi vijaki, da se keramične plošče, nameščene med termoelementi, ne razpokajo.

Električna energija je povezana z napajalnikom, ki ga je mogoče vzeti iz starega računalnika .

Prenosni termoelektrični generator

Takšna mini elektrarna lahko turistu ali lovcu zelo pomaga, ko v gozdu sedijo baterije vseh elektronskih pripomočkov. V tej situaciji je zelo romantično vzeti nekaj suhih sekancev in stožcev, narediti majhen ogenj in ga uporabiti za polnjenje izpraznjenih baterij in hkrati kuhati. To omogoča izdelavo prenosnega termogeneratorja, vgrajenega na termoelement.

Če želite zgraditi to čudežno napravo, potrebujete prenosno kampiranje, ki deluje na katero koli vrsto goriva. V skrajnih primerih bo to storila celo majhna sveča ali tableta suhega alkohola.

V peči se naredi ogenj, termoelektrični modul pa je od zunaj pritrjen nanjo s pomočjo termalne paste. Preko žic se priključi na pretvornik napetosti.

Višina dobljenega toka bo neposredno odvisna od temperaturne razlike med hladno in vročo stranjo termoelementa. Za učinkovito delovanje je potrebna razlika med hladno in vročo površino vsaj 100 stopinj.

V tem primeru je treba razumeti, da je najvišja temperatura omejena s tališčem spajke, s katerim je izdelan sam modul. Zato za takšne naprave uporabite posebne toplotne module, ki so izdelani s pomočjo posebnih ognjevarnih spajk. V običajnih modulih je tališče spajke 150 stopinj. V ognjevzdržnih modulih se spajko začne taliti pri temperaturi 300 stopinj.

Kategorija:

Tehnologija