Элемент пельтье как повысить мощность

Элемент Пельтье

Дата распечатки 16.03.2024 01:28

Обычные стационарные холодильники, широко распространенные как в квартирах, так и частных домах, имеют охлаждающую систему на основе циркуляции хладагента от испарителя к конденсатору и обратно и оснащены одним или двумя компрессорами. В отличие от стандартной конструкции, работа сумки-холодильника основывается на совершенно иных принципах, в них отсутствуют как основные элементы, так и фреон, обеспечивающий отбор тепла. В сумках-холодильниках процесс охлаждения базируется на принципе работы элемента Пельтье, который и обеспечивает требуемое охлаждение. Данный элемент возможно собрать своими руками, для чего следует более подробно остановиться на принципе его работы и основных характеристиках.

Что такое принцип Пельтье

Данный принцип был открыт почти 200 лет назад французом Жаном Пельтье, который обнаружил, что при протекании I по разнородным проводам происходит процесс выделения тепла, а при смене полярности – охлаждения, при этом наибольшее проявление подобного эффекта наблюдалось у полупроводниковых материалов. Причем тогда же была замечена обратимость процесса, при которой при возможности поддержании разных температур на проводах в месте контакта, в них фиксировалось появление электрического тока. Данный эффект также был очень важен и получил название эффекта Зеебека.

Чтобы попытаться объяснить данный эффект с точки зрения физики процесса, необходимо обратиться к классической теории электротехники и движению электротока в зависимости от разности потенциалов. При прикосновении двух разнородных проводов неизбежно возникает разность потенциалов U, создающая определенное поле. Таким образом, если по проводу пропустить I, то созданное разностью U поле будет или способствовать протеканию тока, или являться препятствием к этому.

Если полярность поля и тока противоположны, то необходимо найти дополнительную энергию, способствующую протеканию I, за счет чего контакт будет греться. Если поле и I однонаправлены, то ток поддерживается самим полем. Для этого требуется энергия, забираемая у вещества, что и вызывает охлаждение контакта. Таким образом, то количество тепла, которое выделяется или забирается при прохождении I, будет прямо пропорционально величине заряда, проходящего через место соединения проводников и рассчитывается как произведение I на время его прохождения.

Данное произведение называется коэффициентом Пельтье, величина которого зависит от материала и температур проводников, соприкасающихся между собой.

Если ранее эффект Пельтье не нашел себе широкого применения за неимением необходимых материалов, то на сегодняшний день, с учетом развития новых технологий, найдены типы проводников, которые способны обеспечить максимальный термоэлектрический эффект.

Устройство и принцип работы элемента Пельтье

Для того, чтобы получить максимальный эффект понижения температуры, применяется соединение термоэлементов в виде каскадов. Благодаря подобному устройству, на выходе стало возможным получить максимально низкую температуру и значительно увеличить саму эффективность охлаждения.

Для того, чтобы повысить холодопроводность не прибегая к значительному увеличению I, все элементы Пельтье соединяются последовательно в устройство, получившее название батареи.

Таким образом, нынешний модуль состоит из двух пластин, выполненных из керамики и играющих роль изоляторов, между которыми расположены термопары, соединенные последовательным образом.

При этом, расположение элементов в подобной батарее осуществляется следующим образом:

Нижняя, горячая сторона.
Верхняя, холодная сторона.
Полупроводники, функционирующие на основе n-перехода.
Полупроводники, функционирующие на основе p-перехода.
Проводники из меди.
Клеммы (контакты), служащие для присоединения к ИП (источнику питания).

Здесь p-n переходом (positive-negative) принято считать электронно-дырочный переход в месте соединения полупроводников n (носители зарядов – электроны) и p типа (дырки с положительным зарядом, возникающие в процессе отрыва электрона от атома).

При p-n возникает переход от одного вида проводимости к другому.

В зависимости от расположения, каждая из сторон (горячая или холодная) имеет контакт только с переходом p-n либо n-p. При этом осуществляются следующие функции:

p-n – нагрев.
n-p – охлаждение.

Благодаря переносу Q с одной стороны батареи на другую, между ними возникает дельта температур (DT). Как уже было сказано выше, если изменить полярность, то горячая и холодная поверхности просто поменяются местами.

На данном рисунке холодная сторона батареи обозначена как B (синим цветом), горячая – как А (красным цветом соответственно).

Технические характеристики элементов Пельтье

Всем термоэлектрическим модулям с элементом Пельтье присущи следующие характеристики:

Qmax (холодопроизводительность) – представляет собой максимально допустимый I и разницу T двух сторон батареи. Единица измерения – Ватты. Принято считать, что количество тепловой Q, поступающей на холодную стороны, передается на горячую мгновенно, с нулевыми потерями.
DTmax – максимум перепада температур между пластинами, измеряется в градусах. При этом, данный параметр учитывается при идеальных условиях работы: горячая сторона — 27C, холодная – отдача тепла равна нулю.
Imax – максимальный I, необходимый для обеспечения DTmax, измеряется в Амперах.
Umax – величина напряжения, которая будет иметь место при Imax и DTmax (измеряется в Вольтах).
Resistance – внутреннее R модуля по постоянному току DC, измеряется в Омах.
COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, представляющий собой отношение Q охлаждения к Q, которое потребляет весь элемент и представляет собой не что иное, как КПД, при этом его величина колеблется от 0,3 до 0,5.

Каким образом маркируются элементы Пельтье

При маркировке подобных термоэлементов всегда используют стандартные обозначения, а именно:

Две первые буквы означают непосредственно тип элемента, а именно – ТЕ – термоэлемент.
Третья буква относится к размеру модуля и может быть выполнена в двух вариантах:
- С – classic, стандартный размер термоэлемента.
- S – small, маленький размер.
Иногда в маркировку после всех цифр добавляется значение, относящееся к размерам модуля.

Пример маркировки: ТЕС1-12706-40 (40х40 мм).

Области применения элементов Пельтье

Хотя все подобные батареи, основанные на элементах Пельтье, имеют COP, равный 0,3-0,5, что фактически соответствует его КПД, они активно применяются в измерительных системах, разного рода вычислительной технике, а также как элемент многих бытовых приборов, а именно:
- Как составляющие холодильных устройств (мобильных автохолодильниках).
- В вычислительной технике, в видеокартах.
- В бытовых кулерах для воды.
- Как генератор электроэнергии, при этом одна из сторон элемента должна принудительно нагреваться.
- Во всех видах цифровых устройств, где крайне важно качественное охлаждение (видеокамеры, микросхемы, приборы для осуществления связи).
- В системах кондиционирования.
- Для телескопической техники, которой необходимо охлаждение.
- Как составляющий элемент приборов ночного видения.
Некоторые примеры применения модулей на элементах Пельтье будут рассмотрены ниже.

Мобильные холодильные установки, автохолодильники на элементах Пельтье

Несмотря на то, что степень охлаждения, реализуемая с помощью элементов Пельтье, сильно уступает холодильникам компрессорного и абсорбционного типа, они активно применяются в качестве мобильных установок охлаждения, так как имеют следующие преимущества:
- Простота конструктивного исполнения.
- Нечувствительность к различному роду вибраций.
- Наличие только статических деталей (исключение составляет система вентиляции, обеспечивающая охлаждение радиатора).
- Бесшумность работы.
- Компактность всего холодильника.
- Отсутствие необходимости выравнивания всего устройства относительно одной, определенной поверхности.
- Длительность эксплуатации без потери всех своих основных качеств.
- Экономичность энергопотребления.
Учитывая все вышесказанное, холодильники на элементам Пельтье идеально подходят как мобильные устройства.

Использование элемента Пельтье в качестве генератора

Как уже указывалось выше, термоэлектрические батареи могут быть использованы как генераторы электроэнергии при условии, что температуру одной из сторон необходимо повышать.

Согласно эффекту Зеебека, при увеличении DT сторон модуля, будет также увеличиваться протекаемый I. Однако, максимально повышать DTmax не представляется возможным, так как слишком высокий уровень температур приведет к расплавлению припоя, что послужит причиной поломки всего устройства (стандартная максимальная температура нагрева обычных термоэлектрических модулей не превышает 150C).

Данную проблему частично можно решить при помощи тугоплавких припоев, которые допускают Т нагрева до 300C. С учетом низкого COP, подобные конструкции применимы лишь в тех случаях, когда использование более эффективных генераторов не представляется возможным, а именно как и в случае с холодильником, для мобильных устройств.

Подобные термогенераторы с мощностью от 25 до 10 Вт прекрасно подойдут жителям отдаленных мест, в длительных походах или при проведении геологоразведочных работ.

Более мощные генераторы уже используют в качестве стационарных устройств и применяют для запитки ГРУ, приборов метеостанций и подобных установок.

Термоэлектрические модули, используемые в вычислительной технике

В последнее время термоэлектрические модули стали активно применяться для охлаждения центрального процессора CPU в персональных компьютерах.

Однако, рентабельность подобного применения батарей на элементах Пельтье достаточно мала по следующим причинам:
1. Так как за счет небольшого значения коэффициента COP для эффективного охлаждения требуется запитывать устройство от достаточно мощного блока питания, это экономически невыгодно.
2. Процессор в компьютере греется именно в тех случаях, когда ему приходится обрабатывать большой объем информации, в случаях, когда запущены или работают одновременно несколько программ. В ситуациях, когда компьютер просто включен или, к примеру, экран находится в спящем режиме, термоэлектрический модуль способен понизить температуру процессора до точки росы, при которой в любом случае начнется выпадение конденсата. А любая повышенная влажность, как известно, крайне губительна для электроники.
Однако, при использовании гибридных систем охлаждения, при которых термоэлектрические модули работают совместно с другими видами, используемыми для понижения температуры, применение батарей на элементах Пельтье считается оправданным.

Системы кондиционирования на термоэлектрических модулях

Согласно принципу действия, охлаждение при помощи термомодулей на элементах Пельтье вполне способно заменить мобильные системы климат-контроля в автомобилях. Однако, принимая во внимание низкий коэффициент COP, для понижения температуры в салоне автомобиля потребуется значительно большее количество электроэнергии, что экономически не рентабельно.

С учетом того, что подобная автомобильная система климат-контроля будет запитываться от установленного в машине генератора, его мощности будет явно недостаточно, потребуется установка другого, более мощного агрегата. Однако с заменой штатного генератора на более мощный значительно вырастет расход бензина, что вряд ли устроит любого автомобилиста.

Таким образом, применение охладителя на основе элементов Пельтье для систем кондиционирования в настоящее время не нашло должного применения.

Применение элементов Пельтье в кулерах

Во многих моделях современных кулеров, устанавливаемых в различных помещениях, охлаждение воды происходит посредством термоэлектрического модуля.

При этом, конструкция всего устройства оказывается значительно проще и надежнее устройств компрессорного типа, и включает в себя следующие элементы:
- Непосредственно модуль охлаждения на термоэлектрических элементах.
- Управляющий контроллер.
- Термостат.
- Нагревательный элемент.
Несмотря на то, что подобная схема выполнения диспенсеров для воды применяется повсеместно, она также имеет свои недостатки:
- Минимальная температура холодной воды составляет всего лишь 10-12°C.
- Длительное время понижения температуры до требуемых величин.
- Данный вид кулера реагирует на температуру окружающей среды, при этом при повышенной Т в помещении он не сможет охладить воду до требуемого уровня.
- С учетом того, что в конструкции модуля присутствует вентилятор, его нельзя устанавливать в промышленных цехах с высоким уровнем пыли, так как это приведет к поломке последнего.
Термоэлектрические модули Пельтье в осушителях воздуха

Если в кондиционерах применение охлаждающих модулей на элементах Пельтье не рентабельно, то в компактных осушителях воздуха они нашли широкое применение, так как способны понижать температуру до точки росы. При этом происходит выпадение конденсата на специально предназначенном для этого элементе, который затем стекает в резервуар.

Даже несмотря на то, что СОР устройства (КПД) очень невелик, его достаточно, чтобы использовать подобный прибор в качестве осушителя воздуха для небольших помещений.

Работа с элементами Пельтье

Подключение термоэлектрического модуля

Подключение модуля на элементах Пельтье не представляет собой никаких сложностей, так как для этого на два выходящих конца достаточно подать U DC с источника питания ИП. При этом стоит обратить внимание на номинальное напряжение, указанное в техпаспорте.

На красный конец провода подается «+», на черный – «-».

Как уже указывалось выше, при ошибочном подключении начинает нагреваться другая поверхность.

Проверка элемента Пельтье

С учетом того, что термоэлектрический модуль должен нагреваться с одной стороны и охлаждаться с другой, самый простой вариант протестировать данное устройство – подать на него необходимое напряжение с ИП. При этом, одна сторона у него станет теплой, а вторая – холодной.

При отсутствии ИП, можно провести проверку подручными средствами, а именно:
- Взять обычный мультиметр и подключить его клеммы к выводам термоэлектрического модуля.
- Зажечь пламя от спички или зажигалки и поднести к одной из пластин, прогрев ее.
- Так как согласно закону Зеебека, разница температур вызовет протекание I, это отразится на экране прибора.
Важно! Шкала показаний мультиметра должна быть выставлена на замер показаний по току.

Сборка элемента Пельтье собственными силами

Для тех, кто желает изготовить элемент Пельтье дома, своими руками, стоит отметить, что это практически невозможно. Подобные термоэлектрические модули легко можно приобрести в соответствующих магазинах радиодеталей, а их стоимость настолько невысока, что собирать его вручную становится просто невыгодным.

Однако некоторые из подобных устройств на основе элемента Пельтье можно попробовать собрать самостоятельно. К примеру, портативный генератор на термоэлектрическом модуле сможет пригодиться в походах, поездках или долгих путешествиях.

Для сборки генератора понадобится элемент ИМС L6920:

Как видно из указанной схемы при входном U от 0,8 до 5,5В на выходных клеммах будет присутствовать U=5В. При использовании термоэлектрического модуля, можно ограничить его Т посредством применения походного котелка с кипятком, за счет чего по закону Зеебека на выходе пойдет ток, что и обеспечит имеющееся напряжение в 5 В.

Элемент Пельтье своими руками посредством диодов

Теоретически изготовить подобный элемент Пельтье на диодах вполне возможно.

С учетом того, что с физической точки зрения работа термоэлектрического модуля заключается в разности проводимостей материалов p-n и n-p, то можно использовать обычные диоды, которые таковыми и являются. Однако, если данная схема будет работать при нагреве, то понизить температуру посредством диодов не представляется возможным.

Диоды можно использовать как датчик температуры, причем при включении их в цепь в обратном направлении переход откроется, в результате чего I также пойдет в обратном направлении. Однако работать в качестве генератора данная схема не сможет.

Таким образом, посредством элемента Пельтье можно осуществить сборку различных компактных приборов, что будет являться наиболее доступным и дешевым вариантом.

Элементы Пельтье или мой путь к криогенным температурам

Многие слышали про «магические» элементы Пельтье — при прохождении тока через них одна сторона охлаждается, а другая — нагревается. Это работает и в обратную сторону — если одну сторону нагревать, а другую охлаждать — вырабатывается электричество. Эффект Пельтье известен с 1834 года, но и по сей день нас не перестают радовать инновационные продукты на его основе (нужно только помнить, что при генерации электричества, как и у солнечных батарей — есть точка максимальной мощности, и если работать далеко от неё — КПД генерации сильно снижается).

В последнее время китайцы поднажали, и заполонили интернеты своими относительно дешевыми модулями, так что эксперименты с ними уже не отнимают слишком много денег. Китайцы обещают максимальную разницу температуры между горячей и холодной стороной в 60-67 градусов. Хммм… А что если мы возьмем 5 элементов, подключим последовательно, тогда у нас должно получиться 20С-67*5 = -315 градусов! Но что-то мне подсказывает, что все не так просто…

Краткая теория

Классические «китайские» элементы Пельтье — это 127 элементов, включенных последовательно, и припаянных к керамической «печатной плате» из Al2O3. Соответственно, если рабочее напряжение 12В — то на каждый элемент приходится всего по 94мВ. Бывают элементы и с другим количеством последовательных элементов, и соответственно другим напряжением (например 5В).

Нужно помнить, что элемент Пельтье — это не резистор, его сопротивление нелинейно, так что если мы прикладываем 12В — у нас может не получится 6 ампер (для 6-и амперного элемента) — ток может изменятся в зависимости от температуры (но не слишком сильно). Также при 5В (т.е. меньше номинала) ток будет не 2.5А, а меньше.

Количество перенесенного тепла пропорционально току. Но помимо этого есть паразитный нагрев от протекания тока, и паразитная теплопроводность — все это делает элемент Пельтье хоть сколько-то эффективным в очень узких условиях.

Кроме того, количество перенесенного тепла сильно зависит от разницы температуры между поверхностями. При разнице 60-67С — перенос тепла стремится к 0, а при нулевой разнице — 51 Ватт для 12*6 = 72-х Ваттного элемента. Очевидно, уже это не позволяет так просто соединять элементы в серию — нужно чтобы каждый следующий был по размерам меньше предыдущего, иначе самый холодный элемент будет пытаться отдать больше тепла (72Вт), чем элемент следующей ступени может пропустить через себя при желаемой разнице температур (1-51Вт).

Элементы пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления 138С — так что если элемент случайно останется без охлаждения и перегреется — то достаточно будет отпаяться одному из 127*2 контактов чтобы выкинуть элемент на свалку. Ну и элементы очень хрупкие — как керамика, так и сами охлаждающие элементы — я нечаянно разодрал 2 элемента «вдоль» из-за присохшей намертво термопасты:

Пробуем

Итак, маленький элемент — 5В*2А, большой — 12*9А. Кулер на тепловых трубках, температура комнатная. Результат: -19 градусов. Странно… 20-67-67 = -114, а получились жалкие -19…

Идея — вынести все на морозный воздух, но есть проблема — кулер на тепловых трубках хорошо охлаждает только если температура «горячей» и «холодной» стороны кулера лежит по разные стороны фазового перехода газ-жидкость наполнителя трубки. В нашем случае это означает, что кулер в принципе не способен охладить что-либо ниже +20С (т.к. ниже работают только тонкие стенки тепловых трубок). Придется возвращаться к истокам — к цельно-медной системе охлаждения. А чтобы ограниченная производительность кулера не сказывалась на измерениях — добавим килограммовую медную пластину — тепловой аккумулятор.

Результат шокирующий — те же -19 как с одной, так и с двумя стадиями. Температура окружающего воздуха — -10. Т.е. с нулевой нагрузкой мы еле-еле выжали жалкие 9 градусов разницы.

Выкатываем тяжелую артиллерию

Оказалось, неподалеку от меня хладокомбинат #7, и я решил к ним заглянуть с картонной коробкой. Вернулся с 5-ю килограммами сухого льда (температура сублимации -78С). Опускаем медную конструкцию туда — подключаем ток — на 12В температура моментально начинает расти, при 5В — падает на 1 градус на секунду, и дальше быстро растет. Все надежды разбиты…

Выводы и видео на сладкое

Эффективность обычных китайских элементов Пельтье быстро падает при температуре ниже нуля. И если охладить банку колы еще можно с видимой эффективностью, то температуры ниже -20 добиться не удается. И проблема не в конкретных элементах — я пробовал элементы разных моделей от 3-х разных продавцов — поведение одно и то же. Похоже на криогенные стадии нужны элементы из других материалов (и возможно для каждой стадии нужен свой материал элемента).

Ну а с оставшимся сухим льдом можно поступить следующим образом:

PS. А если смешать сухой лед с изопропиловым спиртом — получится жидкий азот для «бедных» — в нем так же весело замораживаются и разбиваются цветы и проч. Вот только из-за того что спирт не кипит при контакте с кожей — получить обморожение существенно легче.

Элемент Пельтье: как устроен и работает, как проверить и подключить

Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло.

Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент.

И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.

Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает.

В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай.

Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).

Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.

Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника как раз выделяется в месте контакта, это приведёт к его нагреву.

Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается теперь у вещества, что в действительности и приводит к охлаждению места спая.

Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках?

Все просто. Полупроводники эти отличаются уровнями энергий электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы суметь перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.

При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу. Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошел бы его.

В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками.

Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя.

Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями.

По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.

Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 69 °C.

Для того чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной. Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук. Сопротивление обычного элемента Пельтье находится в районе пары-тройки Ом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019

Элемент Пельтье, как генератор альтернативной электрической энергии

Капориков А.А. 1
1 Филиал МАГУ в г. Кировске
Работа в формате PDF

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Часто приходится снабжать удаленные объекты дорогой электроэнергией в виде дизельных и бензиновых генераторов, что достаточно затратно, поэтому возникает вопрос экономии, и возможные пути решения данного осложнения. Объектом исследования для решения этой проблемы был взят альтернативный источник генерация электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя на основе элемента Пельтье (ЭП). Принцип действия, которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы ЭП (рис. 1) 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. По мере поглощения этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. А во время протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта, дополнительно к обычному тепловому эффекту. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Рис. 1 Строение элемента Пельтье

Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже установленного порога.

Недостатком ЭП является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы ЭП и продлит срок его службы.

Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. На данных местностях для комфортной жизнедеятельности человека, как правило, имеется система отопления помещений, а, следовательно, создается необходимая разность температур. Снаружи температура может опускаться ниже 20 градусов по Цельсию, но в помещение она должна оставаться комфортной для человека. Из этого положения можно извлечь выгоду, поместив на стыке разности температур элементы Пельтье. За счет этого можно значительно снизить энергозатраты в холодное время года, получая и при необходимости запасая электроэнергию.

Но элемент Пельтье не обязательно использовать в зонах с холодным климатом, его так же можно применить в областях с гидротермальными источниками, где стык температур будет появляться от горячей воды с одной стороны и охлаждающим радиатором, с другой стороны (рис.2). За счет этой разницы можно получить неплохой запас мощности, которую можно использовать, например, для питания оборудования, эксплуатируемого для изучения этих самых источников

Рис.2 Применения элемента Пельтье в геотермической зоне

Другим местом установки автономного генератора на основе элемента Пельтье, могут быть регионы с теплым или жарким климатом, где одна сторона будет повернута к источнику тепла, например, к Солнцу, а вторая помещена в землю, с естественным или принудительным охлаждением (рис.3). Одним из примеров такого расположение может являться погреб. Также эти элементы очень удобны во время походов, так как за их счет можно зарядить смартфон на энергии костра или запитать фонарик с помощью тепла организма.

Рис.3 Элемент Пельтье в погребе

Из выше перечисленных аргументов возникает вопрос внедрения автономных генераторов электрической энергии на основе элемента Пельтье точечно в выгодные области применения. Но на данный момент их производство не сильно развито из-за нехватки большого количества потребителей, и поэтому ЭП имеют большую стоимость. Средняя цена за 1 ячейку, стандартного размера 40 x 40 мм, составляет 80 рублей. Но как только данным генератором заинтересуется мировое сообщество, а именно выгодоприобретатели в качестве инвесторов, их производство начнет развиваться, а цена уменьшаться, и в дальнейшем появиться разнообразные размеры ячеек.

На сегодняшний день реализуемо и выгодно использовать данный элемент в качестве компактных и переносных генераторов малой мощности. Рассмотрим мобильные устройства на основе элементов Пельтье. А именно переносное зарядное устройство для телефона и других мобильных устройств. Чем больше будет перепад температур между телом человека и окружающей средой, тем выше будет эффективность ЭП и тем меньше понадобиться элементов-ячеек, но для максимально КПД необходим перепад температур в 100 градусов по Цельсию, а один стандартный элемент-ячейка при таких условиях вырабатывает 5 В и 2 Вт мощности на холостом ходе, но при нагрузке мощность и напряжение сокращаются вдвое, из-за низкого коэффициента полезного действия. Т.к. элементы Пельтье довольно компактные их можно встроить в неподвижные области штанов, куртки и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемым человеком, другая охлаждаться от окружающей среды. А для зарядки смартфона необходимо не менее 12 В, т.е. около шести элементов Пельтье. Средняя цена на элемент Пельтье составляет 100 рублей, итоговая стоимость составит 600 рублей, это дешевле обычных переносных зарядных устройств, которые ещё нужно зарядить перед использованием.

Следующим примером, который несложно реализуем, является установка для источника энергии в походе, как зимой, так и летом, от которой можно заряжать различные маломощные потребители, такие как телефоны, фонарики, холодильники на элементе Пельтье, а также запасать электроэнергию в аккумуляторы. Если вырабатывать энергию летом, то эффективным временным промежутком является ночное время суток, т.к. температура опускается до 10-15 градусов, от этого будет питаться сторона с меньшей температурой, а другая нагреваться от костра, который необходим для обогрева экспедиции. Другой, и более эффективный вариант, это использование данного генератора в зимний период, т.к. возможная разница температур будет существенно больше. Одна часть будет соприкасаться с костром, другая с емкостью для снега, к которой прикрепляются радиаторы с вентиляторами. Чтобы выработать мощность в 24 Вт, потребуется около 12 ЭП, кулер на 5,4 Вт, 2 алюминиевых радиатора, термопаста, умножитель напряжения, если потребуется запитать потребители с большим напряжением напряжению, и сама печка из нержавеющей стали. Экономически расчет показывает выгодность данного походного устройства, 12 элементов Пельтье за 1200 рублей (при оптовой закупке будет дешевле), кулер – 800 рублей, термопаста 600 рублей, 2 алюминиевых радиатора по 300 рублей, а для умножителя напряжения потребуется 4 диода и 4 конденсатора общей стоимостью 300 рублей. Итого 3500 рублей за походный автономный источник электроэнергии на элементах Пельтье. (рис.5). Он не занимает много места, поэтому очень удобен в походах и экспедициях. Если одного генератора будет недостаточно, есть два пути решения: — добавить ещё один генератор; — улучшить схему умножителя напряжения посредством добавления диодов и конденсаторов.

Рис. 4 Переносной генератор Пельтье

Но одним из самых эффективных и логических способов использования ЭП, является внедрение его в удаленные метеостанции, которые расположены по всему земному шару. Будь это холодный климат, где данный генератор будет намного эффективнее, либо же в областях, где температура окружающей среды не опускается ниже 15 градусов по Цельсию. Один из примеров такого использования будут являться метеостанции и другие объекты, находящиеся в Арктической зоне. Т.к. в наши дни значение Арктики многократно возрастает. Она становится местом самого пристального внимания стран и народов в качестве региона, от самочувствия которого во многом зависит климат планеты, и в качестве сокровищницы уникальной природы, и, как территория с колоссальными экономическими возможностями, с огромным экономическим потенциалом.

Экономическая часть

Объектом исследования была выбрана метеостанция в Арктической зоне.

Для наблюдения за изменениями климата исследователю (человеку) необходимо жильё с комфортными условиями жизни, а именно: отопление и электричество. Необходимая мощность 12 кВт, включающая в себя:

Персональные компьютеры для обработки данных, полученных в результате наблюдения — 800Вт

Холодильник 200 Вт

Прожектор для ночного освещения — 300 Вт

Микроволновая печь СВЧ — 1500 Вт

Обогреватель — 1500 Вт

Электрочайник — 1500 Вт

Стиральная машина — 3000 Вт

Электроплита (2 конфорки) — 4000 Вт

Для обеспечения энергией понадобится бензиновые генератор Robin-Subaru (Россия) EB 12.0/230-SLE. Его цена составляет 213 тысяч рублей.

Производитель: Robin-Subaru ( Россия);

Мощность: 12 кВт\12кВА;

Напряжение: 230 В;

Коэффициент мощности: 1 (сos φ);

Коэффициент фаз: 1;

Вид топлива: бензин;

Расход топлива при нагрузке 75%: 3,8 литра;

Ёмкость топливного бака: 26 литров;

Уровень шума: 74 Дб;

Преимущества генератора Robin-Subaru:

Низкая цепа (в сравнении с другими генераторами мощностью 12 кВт).

Расход генератора в час будет составлять 169,1 рубль (при нынешней цене на бензин 44,50 р за литр). Учитывая, что генератор расходует полный бак за день, можно сделать вывод , что затраты на день составят 1157 рублей.

При установке элементов Пельтье на такую же мощность, нам понадобится 6000 штук, которые будут стоить около 550000 рублей (цена указана при поштучной покупке, оптом будет дешевле). Элементы Пельтье не требуют дополнительных расходов для производства энергии, они экологичны и бесшумны. Период самоокупаемости начнётся меньше чем через год, т.к. заправлять генератор необходимо каждый день, в течении года необходимо затратить 420 тысяч, это без учёта цены на доставку бензина. И в итоге за год с генератором расход составит 633 тысячи, при элементах Пельтье 650 тысяч.

Сложностью электроснабжения объектов в Арктической зоне является отсутствие традиционных источников электрической энергии, поэтому на данный момент их замещают с помощью мобильных генераторов и электростанций, побочным эффектом которых является дорогая стоимость электроэнергии.

Рис.5 Установка ЭП в зонах Арктики и Крайнего Севера

Этот недостаток можно значительно уменьшить за счет внедрения автономных генераторов Пельтье, которые будут устанавливаться на стыке температур, в данном случае это будут стены сооружений, снаружи которых будет значительно ниже 0 градусов по Цельсию, а внутри значительно выше 0. А полученную электроэнергию для стабилизации запасать в аккумуляторные батареи (рис.4).

Таким образом, на данный момент использование элемента Пельтье экономически целесообразно только в условиях, где можно получить большой перепад температур, не приводя к дополнительным расходам. В таких зонах как Арктики, Антарктики и регионы Крайнего Севера. Либо в качестве мобильного маломощного электрогенератора, когда нужно получить электрическую энергию, не затратив на это больших ресурсов, и не имея громоздких конструкций.

Список литературы:

Арктика и Антарктика. Вып. 3 (37) / РАН, Науч. совет по изучению Арктики и Антарктики : отв. ред. В. М. Котляков. — М. : Наука, 2004. — 247 с.

Физика твердого тела Учеб. пос. / А. А. Василевский – М.: Дрофа, 2010. – 206 с.

Теория твердого тела / О.Г. Медалунг. – М.: Наука, 1980. – 418 с.
Похожие публикации: