Пельтье элемент как источник электричества. (Peltier element as a source of electricity.)

  3.1 Преобразование тепла в электричество. Элемент Пельтье.

     Проще всего преобразовать тепловую энергию в механическую, а потом в электричество. Это можно сделать с помощью двигателя Стерлинга, модель которого можно посмореть здесь. Но в нем есть движущиеся части, что во многих случаях неприемлемо.

    Элемент Пельтье (в некотором смысле, полупроводниковый аналог термопары), то же может быть использован для преобразования солнечной энергии в электричество. По жизни, он выглядит как на следующей картинке.

  В данном случае, это полупроводниковый элемент Пельтье, который используется в системе подогрева / охлаждения сидений в автомобиле. Размер – 40 х 40 мм. В машине, к нему «пристегнут» вентилятор, датчик температуры (обычный диод) и два радиатора. Работает следующим образом. Вентилятор постоянно «гонит» воздух через два радиатора, расположенные по обе стороны элемента Пельтье.

С одного из них, воздух отводится под сиденье. С другого – выбрасывается наружу. В зависимости от полярности напряжения на элементе Пельтье, под сиденье подается либо горячий, либо охлажденный воздух.

  Обратите внимание на толщину проводов. В автомобиле, этот элемент работает при токах до 15А (средний рабочий ток от 5 до 10 Ампер).

    Но ни это главное. Элемент Пельтье – обратимый. Если одну сторону нагревать, а другую охлаждать, то он вырабатывает электричество. Вопрос сколько?

    Заморачиваться с серьезным испытательным стендом не было ни времени, ни желания. Поэтому, в качестве холодной стороны был выбран радиатор от процессора «Pentium», в качестве горячей – кружка с теплой водой.

  Дальше – без чудес.

  Элемент находится на радиаторе. Остатки теплопроводящей пасты помогают теплообмену.

  Обе стороны – холодные. Ток, соответственно – не вырабатывает.

  Температура радиатора, так же как и температура воздуха – около 10 град. Цельсия.

  Нагрев верхнюю часть элемента Пельте теплом руки, убеждаемся, что ток (хоть и небольшой) течет.

      Ставим чашку с теплой водой (60 — 80 гр.С’) на элемент Пельтье и смотрим что получилось.

    Тут выяснились некоторые неприятные моменты. Чашка с водой — не самый хороший источник тепла. Прежде всего, она быстро остывает. В дополнение вода, в середине чашки, быстро расслаивается. То есть, нижний слой воды отдает тепло и охлаждается, а оставшаяся горячая вода находится сверху.

    Что бы сгладить эти неприятные эффекты сделаем следующее. Нагреем воду в чашке, до кипения, поставим на элемент Пельтье и будем помешивать воду для выравнивания температуры.

   На фотографии выше – результат, который удалось получить устойчиво (в течении 5 минут). Напряжение холостого хода 1,4В, ток короткого замыкания (на нагрузке 1 Ом) – 0,5А.

   Разницу температур холодной и горячей стороны элемента Пельтье измерить не так просто.

Теплоемкость керамических пластин, верхней и нижней – очень маленькая. Поэтому пришлось использовать бесконтактный термометр, быстро снимать чашку и тут же измерять температуру верхней пластины. Опуская подробности смотрим что получилось (усредненные температуры в серии измерений на фото, ниже).

   Если свести все вместе, то в результате примитивного эксперимента, с элемента Пельтье удалось устойчиво получить не меньше 0,2 Ватт мощности, при разнице температур холодной и горячей стороны около 50 град. Цельия.
 
  Полупроводниковые элементы Пельтье (в данном случае, между керамическими пластинками размером 40х40мм, находятся 64 полупроводниковых элемента) имеют основное ограничение – температурное. Разница температур между холодной и горячей стороной не  может превышать 100 град. Цельсия. Ограничение чисто механическое, связанное с коэффициентом линейного расширения. При превышении этого диапазона элемент механически трескается и восстановить его невозможно. В дополнение, при изготовлении используется припой, с температурой плавления около 150 град.

Цельсия …

    Промышленный тепловой преобразователь на элементах Пельтье, мне не приходилось держать в руках. А преобразователи напряжения для них – приходилось. Все они рассчитаны на входное напряжение 0,4 – 0,8 Вольт и входной ток – до 300А. Бывают самые разные. От отечественных, на германиевых транзисторах (П210!, работают до сих пор («на дворе 2012 год!!!»)), до особо продвинутых – на полевых, с запуском от литиевых батарей (в основном FUJI «Novel Lithium» и Panasonic «…»). Последние, гарантируют нормальный запуск преобразователя в течении 10 лет.

    При всей простоте, термоэлектрический преобразователь является одним из лучших источников электричества. Он будет работать в любом случае, при наличии разницы температур, конечно. Колебания температур день – ночь, позволяют уверенно получать энергию для работы удаленных датчиков и сенсоров. При преобразовании солнечной энергии приходится прибегать к схеме «солнце, нагрев, тепло в электричество».

Но в ряде случаев это решение — достаточно эффективное, так как при нагреве, мы можем «собрать» до 95 процентов солнечной энергии (в отличии от полупроводниковый солнечных батарей, где удается «собрать» не более 15 %).

Собираю простой кондиционер из элемента Пельтье TEC-12706, чтобы разогнать летнюю жару

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Вот и наступило лето, солнце и жара, обитателям квартир вообще можно посочувствовать порой, и тут я начал думать над кондиционером, но заводские варианты меня не устраивают стоимостью, тем более в моих условиях они редко когда нужны.

рекомендации

Конечно же я достал завалявшийся элемент TEC-12706 который когда-то давно был заказан на Aliexpress, его размеры 40x40x4 мм., работает от 12в, по идее мощность должна быть на уровне 55Вт.

Хотя мощность элемента довольно скромная, но думаю и от этого будет польза если грамотно реализовать.

В качестве радиаторов буду использовать две башни, одна в заводском виде PCCooler GI-x4, а вторая переделанная в адекватный рабочий вид.

И чтобы элемент чувствовал себя комфортно с любыми радиаторами на борту я изготовил две пластины из ржавого куска железа, все равно кусок железа валялся без дела, так хоть на пластины полезные распилил.

Дальше время термопасты и туалетной бумаги, куда без неё…

Из этого всего нужно собрать бутерброд, да чтобы пожирнее был, но не слишком жирный.

Хорошо бы просверлить отверстия под болты и нарезать резьбу метчиком, но я не хотел себе усложнять работу, потому обойдусь без болтов.

Немного термо клея в бутерброд:

Выглядит неплохо, холодную сторону я специально обвел белым корректором чтобы не потерять её.

Немного термопасты для жирка:

Приправляем нейлоновой стяжкой все это дело.

Мне показалось что одна стяжка будет недостаточно надежно держать радиаторы вместе, потому добавил еще несколько стяжек, чтобы наверняка.

Чтобы полноценно включить элемент Пельтье обычного блока питания на 2-5 Ампер будет недостаточно, потому я достал Aerocool ECO 600W, он точно выдержит нагрузку, но за провода я не уверен.

Перед стартом я сделал замеры температур, 28 градусов на трубках радиатора горячей стороны и 30 градусов на трубках радиатора холодной стороны.

Спустя минуту образовалась разница температур, радиатор горячей стороны нагрелся, а радиатор холодной стороны охладился, то что нужно.

Логично было предположить что я установлю второй вентилятор на горячую сторону и выброшу её через форточку на улицу, но у меня появилась идея получше.

Эти фото говорят сами за себя:

Буль-буль-буль, если радиатор помимо алюминия и меди содержит железные элементы, то не советую подобное повторять, но у меня только алюминий и медь потому нет проблем:

Вода из-под крана, градусов ~15, радиатор ~30 градусов.

Спустя полторы минуты работы радиатор уверенно охладился до 25 градусов, но в комнате естественно еще не изменилась температура, оно и не удивительно учитывая мощность используемого элемента.

Система получилась умеренно тихой и не напрягает шуршанием воздуха, да и переключить на 5в вентилятор не составляет никакого труда, а вот заводские провода Aerocool меня уже напрягают, ибо лишний нагрев помещения от провода происходит.

Чтобы не останавливать собранный на скорую руку кондиционер я соединил две периферийные ветки блока питания, два провода лучше одного как не крути.

Спустя час работы в помещении стало ощутимо прохладнее и комфортнее, но вода ожидаемо нагрелась, нужно больше воды наливать.

В завершение я обмотал бутылку утеплителем и скотчем сделав отметку уровня воды.

Утеплитель нужен не только для предотвращения конденсата на бутылке, но и позволит сильнее нагревать воду изолируя её от помещения, тем самым в один и тот же объем воды можно загнать больше энергии из помещения.

А чтобы влага из бутылки не испарялась прямо в помещение я слепил небольшую юбку из картона, хорошо бы сделать это дело герметичным, но это усложнит конструкцию.

А что до нагретой воды, её можно использовать повторно поливая растения, растения скажут спасибо.

В итоге получился вполне рабочий кондиционер из подручных вещей в моем случае, этот малыш меня точно будет выручать в предстоящие летние дни, а когда жара закончится я спокойно разберу его и можно будет применить башни для охлаждения ПК…

Производительность одного элемента Пельтье конечно оставляет желать лучшего, но это все равно гораздо лучше, чем сидеть в поту от жары, тем более сомневаюсь что владельцы серьезных кондиционеров постоянно их держат включенными на полную мощность.

А если пойти дальше можно этот кондиционер связать с солнечной панелью достаточно мощной, таким образом он автоматически будет работать при лучах палящего солнца не затрачивая электроэнергию из розетки, при этом встроить его в форточку, чтобы избавиться от ёмкости с водой и забот по её замене.

На этом все, благодарю за внимание, больше интересных статей в блоге Hard-Workshop.

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Эффективность элемента Пельтье

Эффективность применения элемента Пельтье зависит от коэффициента полезного действия (COP), который зависит от рабочей точки, тепловой конструкции и типа питания контроллера ТЕС. Все три пункта обсуждаются в этой статье. Контроллеры
TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока.

—> Купить контроллер TEC здесь

• Коэффициент полезного действия (COP)
• Тепловой расчет
• Постоянный ток и ШИМ (тип питания TEC)
  • Сравнение13 TEC 900 производителей 900 Контроллеры
• Линейные контроллеры против SMPS TEC Контроллеры

Для достижения максимальной эффективности при охлаждении с элементами Пельтье существуют три золотых правила.

1. I/I _max при dT
   I/I _max должен быть в нижней трети (0 — 0,33 x I _max ) I / I _макс. должен быть в средней трети (0,33 — 0,66 x I _макс. )
2. Максимально возможное охлаждение горячей стороны при охлаждении (радиатор, вентилятор …)

Коэффициент производительности ( КПД)

КПД самого элемента Пельтье определяется КПД = Q _C / P _или . Подробнее об определении COP читайте здесь.

COP в зависимости от текущего соотношения элемента Пельтье для различных dT.

Оптимальной рабочей точкой элемента Пельтье является момент, когда COP максимален. Максимум COP сильно зависит от разницы температур (dT) между теплой и холодной сторонами. Как видно, максимум КПД смещается в сторону больших токов при увеличении dT. Ток не должен превышать 0,7 умножить на I _max , потому что тогда COP становится слишком маленьким — элемент Пельтье очень неэффективен.

Тепловое проектирование имеет решающее значение, поскольку оно позволяет пользователю напрямую влиять на эффективность и производительность системы. Три наиболее распространенных способа повышения эффективности элемента Пельтье в случае охлаждения:

1. Уменьшение dT – оптимизация радиатора и вентилятора
2. Минимизация потерь мощности – изоляция охлаждаемой области
3. Оптимизация КПД – выбор элемента Пельтье достаточной мощности

1. Разность температур (dT) между холодной и теплой стороной должна быть сведена к минимуму. Небольшое dT приведет к тому, что максимум КПД, как видно на диаграмме 5, будет смещен вправо, а значит, необходим меньший ток. Тепло, отводимое на теплой стороне, составляется следующим образом Q _h = Q _C + P _el .

Следующая схема представляет систему охлаждения и соответствующую температурную диаграмму справа. Объект охлаждается до -5°C холодной стороной элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье имеет температуру 35°С. Радиатор отдает тепло окружающему воздуху, температура которого составляет 25 °C. Таким образом, радиатор рассеивает 10 °C, поэтому новое значение dT равно 30 K.

Более упрощенная схема процесса проектирования и соответствующая температурная диаграмма. Таким образом, температура окружающей среды оказывает меньшее влияние на элемент Пельтье, и в систему поступает меньше тепла из окружающей среды. Это снижает общую рассеиваемую мощность, что приводит к меньшей входной мощности элемента Пельтье и, следовательно, к лучшему COP.

3. КПД должен быть оптимизирован за счет использования достаточной мощности элемента Пельтье. Это необходимо, потому что COP Maximum имеет низкий ток и помехи могут быть поглощены. Если мощность элементов Пельтье слишком мала, возможно, создается нагреватель.

В качестве примера: если dT равно 30 K, вы можете увидеть на диаграмме соотношение COP и тока, максимальное значение COP составляет I = 0,3 * I _max . На диаграмме Heat Pumped Vs Current мы получаем значения dT = 30 K и I = 0,3 * I _max , Q _c / Q _max равно 20%. Если необходимо охлаждать 10 Вт, элемент Пельтье должен иметь мощность 50 Вт. режимы питания для управления элементами Пельтье с регуляторами ТЭО. Термоэлектрические охладители работают на эффекте Пельтье и перекачивают тепло с одной стороны на другую. Для поддержания направления теплового потока необходим постоянный ток.

Во многих контроллерах TEC ШИМ используется для управления элементами Пельтье. В целом это означает упрощение аппаратного обеспечения и логическое управление выходом. Для высоких частот ток ШИМ можно рассматривать как постоянный ток той же амплитуды. Однако модули ТЭО, управляемые ШИМ, всегда менее эффективны, чем приложения ТЭО, управляемые постоянным током. Непосредственное управление TEC с помощью ШИМ делает схему более подверженной помехам, может привести к высоким переходным напряжениям и, как правило, менее эффективной.

Другая проблема заключается в том, что ШИМ может вызывать электромагнитные помехи (ЭМП) в проводке, ведущей к устройству ТЕС. Этот эффект может нарушить работу измерительных систем или камер, т.е. при использовании для охлаждения ПЗС-сенсоров.

Рекомендации производителей

Производители элементов Пельтье предлагают использовать постоянный ток и ограничение пульсаций тока для регулирования выходного тока. Они явно не рекомендуют использовать прямое ШИМ-управление элементами Пельтье:

• Ferrotec: «Однако мы рекомендуем ограничить пульсации источника питания максимум 10 процентами, предпочтительное значение <5%.»
• РМТ: «ТЭП [элементы Пельтье], управляемые ШИМ, работают менее эффективно, чем на постоянном токе. ШИМ-управление всегда менее эффективно, чем работа ТЭМ при тех же средних значениях постоянного тока и потребляемой мощности.»
• Marlow: «Термоэлектрическим охладителям для оптимальной работы требуется плавный постоянный ток. Коэффициент пульсаций менее 10% приведет к снижению ∆T менее чем на 1%. […] Marlow не рекомендует управление ВКЛ/ВЫКЛ. »

По указанным выше причинам компания Meerstetter продает только контроллеры TEC с питанием от постоянного тока.

—> Купить TEC-контроллер здесь

Сравнение двух TEC-контроллеров

Мы сравнили TEC-контроллер Meerstetter Engineering с постоянным током (вариант 1) с ШИМ-контроллером TEC (вариант 2) другого производителя, чтобы подчеркнуть разницу. между термоэлектрическими системами охлаждения, питающимися от постоянного тока, и системами, использующими ШИМ. Цель состоит в том, чтобы сравнить общую энергоэффективность.
Оба контроллера выполняют одну и ту же задачу, но с точки зрения эффективности разница весьма разительна.

Установка состоит из следующих компонентов:

• Блок питания контроллера ТЭО
• Контроллер ТЭО
• Охлаждаемый объект (нагрузка 1 Вт)
• Элемент Пельтье
• Радиатор
• Вентилятор 0 для охлаждения радиатора1

В качестве целевой температуры для нагрузки мощностью 1 Вт в качестве охлаждаемого объекта мы выбрали в обоих случаях 10 °C при температуре окружающей среды 24,5 °C.

Результаты представлены на следующем рисунке и обсуждаются ниже.

Сравнение двух контроллеров ТЭО

Примечательные отличия и наблюдения: W)

Температура радиатора в случае 2 была на 5 °C выше. Это может привести к повышению температуры в термоэлектрической системе охлаждения, особенно когда она заключена в корпус.

Более высокая температура радиатора на 5 К также приводит к более высокому dT элемента Пельтье:
dT = T _HS — T _O = T _ammb + ΔT _HS — T _O

4 9 In other 9 Другими словами, общее количество тепла, которое необходимо отвести системе с помощью ШИМ-регулятора, более чем в 4 раза больше. Следовательно, это приводит к необходимости радиатора гораздо большего размера для корпуса 2.

Более эффективная система позволяет также использовать более мелкие компоненты, такие как блок питания или радиатор и т. д.

Линейные и импульсные контроллеры ТЭО

Существует два способа генерирования постоянного тока для управления ТЭО. Один из способов — использовать линейный источник питания, а другой — SMPS.

Линейные контроллеры TEC выдают постоянный ток, что обеспечивает оптимальную работу TEC. Однако сами по себе они очень неэффективны и генерируют большие тепловые потери.

Контроллеры ТЭО SMPS также управляют ТЭО постоянным током, но они гораздо более эффективны, что приводит к значительно меньшим потерям тепла.

SMPS Контроллеры TEC имеют высокий КПД, (>90%) электроника генерирует мало потерь.

 

—> Купить контроллер TEC здесь

Элементы Пельтье производят тепло, холод или электричество

Краткое резюме: элемент Пельтье — это простой инструмент, не имеющий движущихся частей, который можно использовать для нагрева, охлаждения или выработки электроэнергии. Большая универсальность делает эти устройства весьма полезными в долгосрочной ситуации выживания. У них есть ограничения в том, что они не очень эффективны и не выполняют много работы по отдельности, но этому противостоит их простота.

Элементы Пельтье представляют собой твердотельные устройства, что означает, что они прослужат очень долго. Они гибки в том смысле, что их можно использовать для таких вещей, как, помимо прочего, зарядка аккумуляторов, работа небольших электрических устройств, таких как светодиоды, а также для нагрева и охлаждения.

Вы ограничены только своим воображением и количеством имеющихся у вас элементов Пельтье. Я хотел бы иметь тысячи таких со мной, когда SHTF.

Хорошо, теперь немного больше информации о том, как работают эти элементы Пельтье. Эффект Пельтье был открыт кем-то еще, человеком по имени Пельтье в начале 19 века.век. Эффект Пельтье возникает, когда электрический ток протекает по двум разнородным проводникам. Поток электричества заставляет одну сторону нагреваться, а другую охлаждать. Степень нагрева или охлаждения, которую вы получаете, во многом определяется типом используемого металла. Теллурид висмута — очень часто используемый металл элемента Пельтье.

Вы можете использовать любой металл, но вы потратите время зря, если не будете использовать лучший металл. Например, если используется свинец, эффект есть, но настолько мал, что вы даже не сможете его измерить. Так что пока даже не думайте делать что-то подобное самостоятельно.

Вот почему! Хотя вы можете сделать простое термоэлектрическое устройство с одной полупроводниковой таблеткой, вы не сможете передать через нее значительное количество тепла, поскольку каждая таблетка может работать только с очень небольшим напряжением (милливольты). Чтобы дать устройству Пельтье больше возможностей, вам нужно использовать несколько гранул из двух разных металлов вместе. Различные элементы лучше работают для нагрева или охлаждения, поэтому используются два разных металла, чередующиеся между ними.

Обычно это конфиденциальная информация компании.

На рисунке ниже показано, как устроен реальный элемент Пельтье.

Таким образом, наиболее распространенные устройства Пельтье теперь используют этот формат, соединяя более пары сотен гранул, и это позволяет устройству по-прежнему потреблять, например, только 5 ампер вместо более тысячи, если бы каждая была подключена параллельно. Большинство из них предназначены для работы в системах от 12 до 16 вольт. Всегда постоянный ток! Никогда переменный ток, поскольку переменный ток просто пропускал бы ток вперед и назад через устройство, не производя ничего, кроме отработанного тепла.

Итак, вы берете это маленькое устройство и с помощью электричества нагреваете и охлаждаете устройство на противоположных сторонах ИЛИ вы можете добавлять тепло, как от пламени, на одну сторону и охлаждать с другой стороны и производят небольшое количество электроэнергии.

Если вы пропускаете электричество через устройство Пельтье и хотите поменять местами горячую сторону и холодную сторону, вы просто меняете направление электричества, меняя провода местами.

Обычно к каждой стороне элемента Пельтье подключается радиатор для более быстрого перемещения тепла с холодной стороны на горячую. Более быстрое движение тепла означает, что производится больше электроэнергии. Если тепло не отводится с горячей стороны, устройство перестанет работать. Поэтому радиаторы очень важны для получения чего-либо полезного от этих устройств.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. При добавлении тепла в систему устройство может работать только при определенной температуре. Если вы превысите эту температуру, устройство расплавится и выйдет из строя навсегда. 150 градусов по Цельсию — очень распространенный температурный предел. Помните, что 100 градусов по Цельсию — это 212 градусов по Фаренгейту.

Собери свой собственный термоэлектрический вентилятор!

Обычное использование этих устройств, с которыми вы, возможно, знакомы, — портативные холодильники на 12 В или охладители напитков, которые сохраняют банку газировки холодной. Многие компьютеры используют эти устройства для охлаждения процессора.