Модули пельтье в пк: теория и практика

Содержание

Основа исследования

Главной задачей исследования стало обозначение свойств и характеристик наногенераторов на базе трибоэлектрического эффекта, а также теоретическое обоснование проблем реализации подобной технологии.

Схема TENG.

Исследователи указывают на то, что в TENG присутствует минимум одна непроводящая трибоэлектрическая поверхность, из-за чего его внутренний импеданс (полное сопротивление) довольно высок. А при движении трибоэлектрических слоев он может еще больше возрасти. Как следствие, эффективно извлекать необходимую мощность из TENG через внешнюю нагрузку можно только в случае высокого нагрузочного сопротивления. Подавляющее большинство устройств не соответствуют таким требованиям, из-за чего внушительная доля потенциально полезной мощности будет утеряна, ввиду несоответствия импеданса.

Ученые утверждают, что понимание характеристик преобразования энергии и передачи мощности на базе изменений импеданса является основой для совершенствования TENG-устройств.

Эффект Пельтье:

Прямое преобразование электрической энергии в тепловую (нагрев, охлаждение) и наоборот – термоэлектрический эффект были открыты в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, в 1858 году Уильям Томсоном (Кельвином). Соответственно и получили названия термоэлектрические эффекты (явления) по имени их открывателей: эффект Зеебека,  эффект Пельтье, эффект Томсона.

Эффект Пельтье заключается в том, что при прохождении электрического тока через контакт (спая) двух проводников, сделанных из различных (разнородных) материалов, помимо традиционного джоулева тепла, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) дополнительное тепло. Дополнительное тепло (которое выделяется или поглощается) получило название тепла Пельтье.

Количество выделяемой или поглощаемой дополнительной теплоты пропорционально силе тока и также зависит от материалов выбранных проводников.

Тепло Пельтье выражается формулой:

Q = ПАВ·I·t,

где:

Q – количество выделенного или поглощённого тепла,

I – сила тока,

t – время протекания тока,

П – коэффициент Пельтье.

В свою очередь коэффициент Пельтье находится через уравнение:

П = α·Т,

где:

α – коэффициент Томсона,

Т – абсолютная температура, выраженная в K.

Как видно из формулы коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов
Железо-константан Медь-никель Свинец-константан
T, К П, мВ T, К П, мВ T, К П, мВ
273 13,0 292 8,0 293 8,7
299 15,0 328 9,0 383 11,8
403 19,0 478 10,3 508 16,0
513 26,0 563 8,6 578 18,7
593 34,0 613 8,0 633 20,6
833 52,0 718 10,0 713 23,4

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, чем у металлов. Для металлов коэффициент Пельтье составляет от 10-2 до 10-3 В, для полупроводников – от 3·10-1 до 10-3 В.

Эффект Пельтье по сути противоположен ранее открытому эффекту Зеебека (термоэлектрический эффект). Суть эффекта Зеебека сводится к тому, что в замкнутой цепи, состоящей из соединенных разнородных проводников, между которыми в месте контакта имеется градиент температуры, возникает электрический ток.

Эффект Пельтье имеет довольно низкий КПД. Несмотря на это были созданы устройства, работающие на эффекте Пельтье – термоэлектрические элементы, которые нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике (мобильные холодильные установки, небольшие генераторы для выработки электричества, системы охлаждения в бытовых приборах, осушители воздуха и т.д.).

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Найти что-нибудь еще?

карта сайта

Коэффициент востребованности
148

Использование термоэлектрических и электротермических эффектов

Долгое время прямой и обратный термоэлектрический эффект не находили применения, полезная величина оказывалась слишком мала. Постепенно физики создали сплавы свойства которых на два порядка перекрывают чистые металлы, использованные Пельтье и Ленцом. Теперь термоэлектричество находит применение. Вспомним термостат холодильника либо термоэлектрические холодильники без движущихся частей. Гораздо интереснее космическая отрасль, где явление применяется для охлаждения фоторезисторов: при понижении температуры лишь на 10 градусов чувствительность подобных датчиков вырастает на порядок.

Дополнительным плюсом описанных технических решений становятся компактность и малое потребление энергии: при весе 150 г установка охлаждает терморезистор на 50-60 градусов. В бытовой электронике эффектом Пельтье поддерживается нормальный режим процессоров в системном блоке персональных компьютеров. Да, стоит техническое решение недёшево, зато бесшумность гарантирована. К примеру, энтузиасты с 2010-х годов конструируют холодильники в домашних условиях. Высокого КПД не удаётся добиться из-за больших потерь через корпус. Но с появлением новых изолирующих строительных материалов положение дел улучшится.

Интересно, что при изменении направления электрического тока эффект начинает работать в противоположную сторону. Возможен нагрев. На базе описанных эффектов создают термостаты, отслеживающие температуру до тысячных долей градуса. Среди перспективных направлений отмечают бытовые кондиционеры и прочие системы охлаждения. Самым заметным недостатком считается цена. И не нужно забывать, что КПД кондиционера, как правило, больше 1, работает этот агрегат по принципу теплового насоса. Пусть эффективность резко падает с ростом температуры окружающей среды, термопары пока сильно отстают от традиционных методов охлаждения со своими 10%.

Высказываются иные мнения. Академик Иоффе, отдельные сентенции которого использованы в приведённом топике, предложил создавать системы для обогрева и охлаждения помещения по типу сплит-систем. В этом случае возникает осложнение, как с типичными кондиционерами, но КПД достигает 200%. Смысл: при обогреве, допустим, поглощающий тепло спай размещается снаружи, а выделяющий – в помещении. Качать из мороза жар нелегко, потому у методики присутствуют ограничения. Однако не запрещено на основе указанной методики создавать тепловые насосы.

К безусловным плюсам климатических систем, использующих элемент Пельтье, относится возможность работы в обратном направлении. Летом печка станет кондиционером. Следует лишь изменить направление протекания тока. Известны противоположные наработки, призванные превратить солнечное тепло в электрическую энергию. Но пока подобные конструкции изготавливают на основе кремния, и термопарам не находится места.

Расшифровка маркировок

Все термомодули имеют специальную маркировку, содержащую несколько букв и цифр. Данное обозначение легко расшифровывается:

  • первые две буквы всегда одинаковы – TE, они указывают на то, что это термоэлемент;
  • следующая буква обозначает размер: C – стандартный и S – маленький;
  • цифра, стоящая перед дефисом, показывает, сколько слоев в данном модуле;
  • первые три цифры после дефиса обозначают количество термопар;
  • последние две цифры несут информацию о величине номинального тока в Амперах.

Рассмотрим расшифровку на конкретном примере. На фото представлен термоэлемент стандартного размера с одним каскадом (слоем). Устройство имеет 127 термопар. А величина номинального тока равна 6 Амперам.

Основные эксплуатационные характеристики элемента Пельтье

Данное устройство в целом идеально работает в тех случаях, когда хорошо и надежно контактируют термопары с охладительным устройством, будь то радиатор охлаждения или вентилятор охлаждения со змеевиком, то есть – хороший теплосъем.

Модули Пельтье, как их часто называют, очень чувствительны к перепадам по току и напряжению (не более 5 %). Под действием высоких температур (наиболее критическая для элементов до 150 градусов) эффективность снижается во много раз (до 40 %) и модуль очень быстро ломается.

Как правило, в схему работы полупроводниковых элементов недопустимым условием является приспособление релейных устройств: ограничивающих мощность или регулирующих. Это приводит к деградации кристаллических составляющих и к неисправности в скором времени элемента.

Частое включение и выключение устройств также негативно влияет на работу и срок эксплуатации, и его долговечность функционирования. Согласно законов физики — любой нагрев материала приводит к его тепловому расширению, а охлаждение — к сжатию. Соответственно, особенно слабыми местами в полупроводниковых элементах являются «паечные», где из-за механического движения возможно появление дефектов в виде микротрещин и в конце концов к разрыву цепи.

Коэффициент теплопроводности термических пар элемента Пельтье достаточно высок, что с одной стороны является достоинством, а с другой стороны ограничивает срок эксплуатации и расчетное число циклов «стоп-старт-стоп».

Технические характеристики

Технические параметры элемента Пельтье предполагают такие значения:

  • холодопроизводительность (Qmax) – рассчитывается на базе предельного тока и разницы температурного режима между концами модуля. Единица измерения – Ватт;
  • предельная температурная разница (DTmax) – измеряется в градусах, данная характеристика приводится для оптимальных условий;
  • Imax – предельная сила электротока, требуемая для обеспечения большей разницы температуры;
  • предельное напряжение Umax, которое требуется для электротока Imax для достижения максимальной температурной разницы DTmax;
  • Resistance – внутреннее сопротивление устройства, измеряется в Омах;
  • СОР – коэффициент эффективности или КПД модуля Пельтье, который отражает соотношение охлаждающей и потребляемой мощностей. В зависимости от особенностей устройства, для недорогих устройств показатель находится в пределах 0,3-0,35, для более дорогих моделей он варьируется до 0,5.

Преимуществами мобильного элемента Пельтье являются небольшие габариты, обратимость процесса, а также возможность использования в качестве переносного электрогенератора или холодильника.

Недостатками модуля являются дороговизна, невысокий КПД в рамках 3%, большие затраты электроэнергии и необходимость постоянного поддержания разницы температурных режимов.

Watch this video on YouTube

Принцип действия элемента Пельтье

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Современный элемент Пельтье  представляет собой конструкцию из двух пластин-изоляторов (как правило керамических.). Между этими пластинами-изоляторами находится одна или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi2Te3 и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

Устройство модульного элемента ПельтеА — контакты для подключенияB — горячая поверхностьC — холодная сторонаD — медные проводникиE — полупроводник p-типаF — полупроводник n-типа

Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n-p), а снизу — противоположные (p-n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются… или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Соединение полупроводниковых элементов ПельтьеA- горячая сторона,  B — холодная сторона

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, т.к. это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Маркировка элементов Пельтье

Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы

  1. Обозначение элемента. Первые две буквы всегда «TE». После них идёт буква «C» (стандартный размер) или «S» — малый размер.Далее идёт цифра, указывающая сколько слоёв в элементе.
  2. Количество термопар в элементе.
  3. Величина номинального тока, в амперах.

Вот пример расшифровки маркировки элемента Пельтье

Пример расшифровки маркировки элемента Пельтье1- элемента Пельтье стандартного размера с 1 слоем элементов2 — содержит 127 термопар3 — номинальный ток 6 А

Иногда может быть четвёртая группа, указывающая на размеры модуля. Например, «40» указывает что элемент имеет размер 40х40 мм.

Технические параметры элементов Пельтье

Главными параметрами у элементов Пельтье являются:

  • Qmax – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье
  • DTmax – максимальный температурный перепад между сторонами элемента Пельтье в идеальных условиях
  • Imax – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
  • Umax — предельное напряжение, при котором перепад температур достигает своего максимума
  • Resistence (RES) – сопротивление внутренних элементов изделия
  • КПД (COP) — данный показатель у самых лучших модулей едва дотягивается до 50 %. Но чаще всего встречаются элементы КПД от 20% до 30%.

Охлаждение процессора

Основные компоненты компьютеров постоянно совершенствуются, что приводит к росту тепловыделения. Вместе с ними развиваются системы охлаждения с применением новаторских технологий, с современными средствами контроля. Модуль Пельтье применение в данной сфере нашел прежде всего в охлаждении микросхем и других радиодеталей. С форсированными режимами разгона микропроцессоров традиционные кулеры уже не справляются. А увеличение частоты работы процессоров дает возможность повысить их быстродействие.

Увеличение скорости вращения вентилятора приводит к значительному шуму. Его устраняют за счет использования модуля Пельтье в комбинированной системе охлаждения. Таким путем передовые фирмы быстро освоили производство эффективных охлаждающих систем, которые стали пользоваться большим спросом.

С процессоров тепло обычно отводится кулерами. Воздушный поток может засасываться снаружи или поступать изнутри системного блока. Главная проблема состоит в том, что температура воздуха порой оказывается недостаточной для теплоотвода. Поэтому ТЭМ стали использовать для охлаждения потока воздуха, поступающего в системный блок, тем самым повышая эффективность теплообмена. Таким образом, встроенный воздушный кондиционер является помощником традиционной системы охлаждения компьютера.

С обеих сторон модуля крепятся алюминиевые радиаторы. Со стороны холодной пластины нагнетается воздух на охлаждение к процессору. После того как он заберет тепло, его выдувает другой вентилятор через радиатор горячей пластины модуля.

Современный ТЭМ управляется электронным устройством с датчиком температуры, где степень охлаждения пропорциональна разогреву процессора.

Активизация охлаждения процессоров создает также некоторые проблемы.

  1. Простые охлаждающие модули Пельтье предназначены для непрерывной работы. При пониженном энергопотреблении также уменьшается тепловыделение, что может вызвать переохлаждение кристалла и последующее зависание процессора.
  2. Если работа кулера и холодильника не будет должным образом согласована, последний может перейти в режим нагрева вместо охлаждения. Источник дополнительного тепла вызовет перегрев процессора.

Таким образом, для современных процессоров нужны передовые технологии охлаждения с контролем работы самих модулей. Подобные изменения режимов работы не происходят с видеокартами, которые также требуют интенсивного охлаждения. Поэтому для них ТЭМ подходит идеально.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

  1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
  2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
  3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.


Схема подключения самодельного термогенератора

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.


Принципиальная схема преобразователя напряжения

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

Простой самодельный кондиционер

Принцип действия подобных охладителей заключается в продувании комнатного воздуха сквозь предметы с отрицательной температурой. В этом качестве обычно выступает лед или аккумуляторы холода, предназначенные для специальных сумок, применяющихся для летней перевозки продуктов.

Источники холода помещают внутрь закрытого ящика, а в его стенку встраивают осевой вентилятор. С другой стороны делается отверстие для выхода охлажденного потока. Чего только не используют для изготовления корпуса:

  • старый автомобильный холодильник с утепленными стенками;
  • вместительные пластиковые бутылки, рассчитанные на 5 л воды и больше;
  • ящики из картона или пластмассы с крышками;
  • канистры из полимерных материалов.

Так выглядит простейшая конструкция охладителя

Этот мини-кондиционер также годится для охлаждения салона автомобиля, нужно только правильно подключить воздушный нагнетатель к бортовой электросети и заранее запастись нужным количеством льда.

Преимущества и недостатки конструкции

Примечательно, что подобные устройства действительно гонят в помещение холодный воздушный поток. Вдобавок простые кондиционеры реально делаются из подручных материалов, чья цена стремится к нулю. Максимум, на что придется потратиться – это осевой вентилятор, если он не найдется в домашнем хозяйстве.

Установка и подключение аппарата в машине

К сожалению, недостатки перечеркивают все достоинства охладителя:

  1. Сколько ни накладывай льда в камеру, при жаре его надолго не хватит, поэтому надо постоянно замораживать новую воду.
  2. Пока вы охлаждаете одну комнату, соседняя нагревается холодильником, где готовится лед. Плюс возрастает расход электроэнергии.
  3. Длительность работы агрегата в автомобиле зависит от запаса льда, взятого с собой.
  4. Воздух, проходящий через лед, частично увлажняется. Спустя какое-то время наступит перенасыщение комнаты влагой, отчего вы почувствуете себя еще хуже, чем от воздействия жары.

Вывод. Вышеописанные кондиционеры, изготовленные своими руками, можно признать работоспособными. Они могут вас выручить в безвыходном положении, но эксплуатация охладителя – дело довольно хлопотное.

Разновидности аккумуляторов холода

На сколько хватит льда в камере

Чтобы ответить на этот вопрос, посчитаем, какое количество холода выделит 1 кг льда при нагреве от температуры заморозки —6 °С до +20 °С. Для этого воспользуемся формулой расчета теплоты в зависимости от теплоемкости.

Нужно выполнить 4 действия:

  1. Считаем отдачу холода при таянии льда: Q = 1 кг х 2.06 кДж/кг °С х (0 °С — 6 °С) = —12.36 кДж.
  2. Находим справочное значение энергии, выделяющейся при плавлении льда – 335 кДж.
  3. Рассчитываем, сколько холода передаст вода при нагреве: Q = 1 кг х 4.187 кДж/кг °С х (0 °С — 20 °С) = —83.74 кДж.
  4. Складываем результаты и получаем —431.1 кДж или 119.75 Вт.

Даже если вы заморозите лед до температуры минус 15 °С, то вряд ли получите больше 150 Вт холода с 1 кг. Это значит, что для интенсивного охлаждения комнатки 3 х 3 м при жаре свыше 30 градусов придется добавлять в самодельный кондиционер по 1 кг льда каждые 20—30 минут и столько же замораживать. На практике расход выйдет меньшим, если вы удовлетворитесь сносной температурой воздуха – 25—28 °С.

Как собрать охладитель воздуха

Мини-кондиционер для дома или автомобиля изготавливается так:

  1. В боковой стенке емкости прорежьте отверстие, равное по размеру рабочему сечению вентилятора.
  2. Прикрутите кулер саморезами либо посадите на маленькие болтики.
  3. Для выхода охлажденного потока сделайте второе отверстие. Другой вариант – насадить на горловину бутылки или канистры гофрированную пластиковую трубку. Аппарат готов.

Остается поставить и подключить импровизированный автокондиционер. Провода от кулера можно подвести к разъему прикуривателя, в цепи которого стоит мощный предохранитель. Процесс изготовления и подключения подробно показан на видео:

Термоэлектрический модуль

Особенно явно эффект Пельтье можно наблюдать при использовании p- и n- полупроводников. В соответствии с направлением электротока при переходе через p-n-соединения происходит поглощение, либо выделение энергии.

Именно такая конструкция применяется в ТЭМ (термоэлектрическом модуле). Единичный элемент термоэлектрического модуля – это термопара, конструкция которой представляет собой объединение p- и n- проводника. Если последовательно соединить несколько подобных элементов, то поглощение теплоты будет происходить на n-p-контакте, а выделение на p-n-контакте. В результате возникает уже описанная ранее ситуация с разностью температур. Согласно общепринятому принципу горячей является та сторона, к которой подведены провода и на схеме она всегда расположена внизу.

Рис.1: Термоэлектрический модуль Пельтье

В ТЭМ термопары фиксируются между парой пластин из керамических материалов. Каждая из веток спаивается с медными проводящими площадками (шинками), которые в свою очередь скрепляются с теплопроводящим материалом, например, оксидом алюминия.

Определять уровень рабочего напряжения модуля следует, исходя из количества составных элементов. Наиболее распространённым вариантом является 127-парные модульные конструкции с наибольшим уровнем напряжения в 16 Вольт. Но для их работы обычно достаточно 75% от этого значения. Мало того именно эта цифра является наиболее подходящей, поскольку отвечает и требованиям к рабочим условиям, и является достаточно экономичной. При повышении напряжения мощность почти не увеличится, а вот энергопотребление ощутимо возрастёт.

Предыстория холодильников, или Пособие для изобретателя

Упоминали в обзорах про адсорбционные холодильники, работающие на голубом топливе. Газ, сгорая, заставляет хладагент циркулировать и охлаждать отсеки. Безусловным достоинством конструкции считается бесшумность. Удаётся услышать легкое шипение от горения топлива, перетекания жидкости по трубкам. Но решение далеко не единственное. Писали, что дорогие автомобильные холодильники работают по иному принципу – на элементах Пельтье.

В 1834 году установлено, что при пропускании постоянного тока через проводники и полупроводники выделяется либо поглощается тепло. Эффект не списывался на закон Джоуля-Ленца: в последнем случае жар выделялся, но охлаждение оставалось недостижимым. Научного объяснения никто не дал, но стало известно, что при пропускании тока в одном направлении тепло поглощается, в другом выделяется!

Известен случай, когда студент отчитывался перед преподавателем на предмет цифровых технологий, компьютеры еще не обрели сегодняшней силы. Процессоры Пентиум II только-только появились на рынке РФ, хотя в США, безусловно, уже встречались и четвертые. Дело сводилось к питанию мозга ЭВМ, к желанию постоянно снизить вольтаж.

При указанном малом напряжении процессор в действительности потребляет гигантский ток, часть мощности уходит на полезные нужды, неизбежно происходит выделение тепла в окружающую среду. И ощутимого! Без кулера процессор может дойти до точки кипения, грелся бы дальше, но системы защиты выключат питание раньше. Получается, процессор расходует значительную мощность. Недавно на рынке появились элементы Пельтье, призванные охлаждать разбушевавшийся мозг. Некий пользователь заметил, что процессор охладился… до минус 10 градусов Цельсия. Впечатляет?

Элементы Пельтье нельзя назвать дешевыми. Как на их основе построить самодельный холодильник: поставить параллельно внутри термоизолированной емкости, где температура примется постепенно падать. Но мощность морожения холодильников не измеряется в ваттах, вычисляется по количеству (в килограммах) продукции, температуру которой возможно понизить до заданной. Не знаем, что подразумевается под утверждением, что мощность элемента Пельтье составляет 77 Вт. При цене 300 рублей за штуку стоит попробовать рассчитать стоимость самодельного холодильника, соотнеся указанные параметры. Мы предлагаем иной путь.

Помните, в обзорах приводили методику для определения потребной мощности нагрева помещения, а теперь ее используем в обратной последовательности. Шаги эксперимента:

  1. Понадобится обыкновенный градусник. Лучше простой уличный. Градусник поместим в наш самодельный холодильник.
  2. Делаем корпус. В настоящих холодильниках применяется для теплоизоляции пенополиуретан. Купите баллончик в магазине строительных материалов. Сгодится и пенопласт, рекомендуем применить изоляцию отражающего типа Пенофол либо подобную. К примеру, берется ящик, с двух сторон плотно отделывается упомянутым материалом, собственно, уже готов неплохой самодельный холодильник. Для сведения – материал взят из космической отрасли, где использовался для создания скафандров. Солнечные лучи убийственны вне атмосферы, а космический холод заставит вздрогнуть самого Саурона, но космонавту все перечисленное не причиняло особенного вреда под слоем Пенофола. Разумеется, в скафандрах применялось золото, серебро, а не алюминий, возможно, обошлось без полиэтилена. Факт – характеристики материала изумительны.
  3. Охладителем вначале станет единственный элемент Пельтье. Вмонтируем его на клей-герметик. Потом покажем методику, позволяющую найти число модулей, необходимых, чтобы самодельный холодильник начал морозить.

Изготовление своими руками

Можно изготовить термоэлектрический генератор своими руками. Для этой цели потребуются некоторые элементы:

Провода, проходящие между преобразователем и модулем, необходимо изолировать термостойким составом или обычным герметиком. Собирать устройство необходимо в такой последовательности:

  1. От блока питания оставить только корпус.
  2. Холодной стороной к радиатору нужно приклеить модуль «Пельтье».
  3. Предварительно зачистив и отполировав поверхность, нужно приклеить элемент другой стороной.
  4. От входа преобразователя напряжения необходимо припаять провода к выходам пластины.

При этом термогенератор для корректной работы должен быть наделен такими характеристиками: выходное напряжение — 5 вольт, тип выхода для подключения устройства — USB (или любой другой в зависимости от предпочтений), минимальная мощность нагрузки должна составлять 0,5 А. При этом можно использовать любой вид топлива.

Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.

Вид термоэлектрического генератора

Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.

Модули «Пельтье» разных размеров

Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

Эффект «Пельтье» заключается в выделении тепла в месте контакта разнородных проводников при протекании по ним электрического тока.

Физические процессы в элементе Пельтье

Чтобы разобраться в том, что происходит в данном устройстве, необходимо погрузиться в сложность физических законов и математических выкладок. Простому обывателю в этом разобраться будет сложно, поэтому объясним все по-простому.

Все действие происходит на уровне атомной решетки материала. Поэтому для удобства объяснения заменим его любым газом, который состоит из фононов (это его частицы). Итак, температура газа зависит от нескольких показателей:

  • температуры окружающей среды;
  • от металла, а точнее, от его свойств.

Поэтому получаем в предположении, что металл представляет собой смесь фононного и электронного газа. Оба газа находятся в термодинамическом равновесии. При соприкосновении двух металлов с разной температурой происходит перемещение холодного электронного газа в теплый металл. Что и образует разность потенциалов.

Термоэлектрический эффект Пельтье

На границе контактов двух металлов, то есть на переходе, электроны забирают энергию у фононов и передают ее фононам другого металла. Если поменять полярность подключения, то процесс пойдет в обратную сторону. Перепад температур будет увеличиваться до тех пор, пока в металле есть свободные электроны с высоким потенциалом. Когда они закончатся, настанет своеобразное равновесие температур в обоих металлах. Вот так можно описать по-простому картину эффекта Пельтье.

Итак, из всех процессов, протекающих в элементе Пельтье, можно сделать вывод, что эффективность его работы зависит от точного подбора двух металлов со своими свойствами, от силы тока, который будет протекать через прибор, и от того, как быстро будет отводиться тепло из теплой зоны.

Термоэлектрический модуль

Особенно явно эффект Пельтье можно наблюдать при использовании p- и n- полупроводников. В соответствии с направлением электротока при переходе через p-n-соединения происходит поглощение, либо выделение энергии.

Именно такая конструкция применяется в ТЭМ (термоэлектрическом модуле). Единичный элемент термоэлектрического модуля – это термопара, конструкция которой представляет собой объединение p- и n- проводника. Если последовательно соединить несколько подобных элементов, то поглощение теплоты будет происходить на n-p-контакте, а выделение на p-n-контакте. В результате возникает уже описанная ранее ситуация с разностью температур. Согласно общепринятому принципу горячей является та сторона, к которой подведены провода и на схеме она всегда расположена внизу.

Рис.1: Термоэлектрический модуль Пельтье

В ТЭМ термопары фиксируются между парой пластин из керамических материалов. Каждая из веток спаивается с медными проводящими площадками (шинками), которые в свою очередь скрепляются с теплопроводящим материалом, например, оксидом алюминия.

Определять уровень рабочего напряжения модуля следует, исходя из количества составных элементов. Наиболее  распространённым вариантом является 127-парные модульные конструкции с наибольшим уровнем напряжения в 16 Вольт. Но для их работы обычно достаточно 75% от этого значения.  Мало того именно эта цифра является наиболее подходящей, поскольку отвечает и требованиям к рабочим условиям, и является достаточно экономичной. При повышении напряжения мощность почти не увеличится, а вот энергопотребление ощутимо возрастёт.