Эффект пельтье — справочник студента

Эффект Пельтье - Справочник студентаПриветствую уважаемых любителей самоделок и юных (а может быть и уже не очень) электронщиков, а так же любителей альтернативной энергии.В этой статье я расскажу как можно сделать простейшей преобразователь тепла в электрическую энергию. Более верно даже сказать не тепла, а разницы температур. Если вы еще не знаете что такое «эффект Зеебека» и элементы Пельтье, то перед чтением статьи рекомендую почитать соответствующие материалы в википедии. Сегодня как раз я расскажу и покажу, как на практике все это можно применить. В интернете довольно много материалов на эту тему, но мне постоянна не нравилось либо исполнение, либо не полное объяснение «темы». Моя же самоделка очень проста, так что её сможет повторить практически любой, кто хоть раз держал паяльник в руках и хоть немного умеет понимать схемы и разбираться в радиокомпонентах (хотя я буду все объяснять для совсем новичков).

А перед началом чтения статьи, я рекомендую посмотреть видео с демонстрацией, и подробнейшем процессом сборки.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

И так, вот схема которую нам предстоит собрать.

Эффект Пельтье - Справочник студентаКак видим на вход необходимо подать всего около 0.07V для работы схемы. Как раз столь низкое напряжение и будет выдавать наш элемент Пельтье.

Для сборки нам потребуется следующее:

— 1 элемент Пельтье— Германиевый транзистор мп 40— электролитический конденсатор 16V 1000мкФ— электролитический конденсатор 25V 10мкФ— выпрямительный диод Д220 (хотя можно использовать и любой другой с низкими потерями)— подстроечный резистор (от 1кОм, я использую на 50кОм)— светодиод— ферритовое кольцо— залакированный провод 0.25 мм— радиатор (необязательно, для более эффективного охлаждения)А так же:— паяльник и принадлежности (флюс, олово)— нож (для зачистки провода)— клей (необязательно)Эффект Пельтье - Справочник студента

Вот изображение компонентов, которые потребуются.

 Показать / Скрыть текстЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаПервым делом отмеряем и отрезаем 2 куска по 50 см залакированного провода 0.25 мм.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Теория экзестенциального анализа и логотерапия в. франкла - справочник студента

Оценим за полчаса!

[center]

Далее подготавливаем ферритовое кольцо. Продеваем сразу 2 отрезка провода, делаем 1 виток и фиксируем обмотку клеем. Так же рекомендую сразу подписать начало и конец обмоток (любым удобным для вас способом).После равномерно наматываем провод, периодические фиксируя клеем.После выполнения этого этапа, должно получится что-то наподобие этого.

Далее зачищаем концы обмоток, а затем и облуживаем их.После этого, необходимо найти начало одной, и конец другой обмотки (для этого их и необходимо было как-то обозначить), после этого скрутить их и запаять вместе.После этих действий, с кольца должно выходить 3 конца (было 4, 2 скрутили вместе).

С этим этапом разобрались, настала очередь сборки основных частей схемы.

Берем наш транзистор, и сразу подписываем где что расположено (коллектор, эмиттер, база)Если его расположить так, как показано на рисунке, то коллектор будет слева, база по центру, эмиттер справа.Если кому интересно, то вот некоторые характеристики транзистора.Нам необходимо припаять наш подстроечный резистор на базу (центральную ногу) транзистора.

Далее берем в руке наш диод, и определяем у него анод (треугольничек) и катод (стрелочка).Теперь припаиваем диод стороной катода (стрелочки) к коллектору транзистора.Затем подготавливаем конденсатор на 10мкФ который, и паяем его «минус» к выходу диода.А «плюс» этого конденсатора, идет на эмиттер транзистора.Таким образом получаем «это».Настала очередь светодиода.

Его мы паяем параллельно конденсатору и согласно его полярности. То есть минус светодиода паяется после диода, а плюс к эмиттеру.Настало время соединить ферритовое кольцо с тем, что мы только что спаяли.

Как вы наверняка помните, 1 из выводов подстроечного резистора припаивался к базе транзистора, ну а 2 вывод необходимо припаять к одному из концов обмотки на ферритовом кольце (тот конец, что не скручен!).А оставшаяся свободная обмотка (опять же которая не общая!) припаивается к коллектору (выше диода!)Получаем что-то подобное.

Далее берем оставшийся конденсатор (на 1000мкФ), и припаиваем его «плюс» к эмиттеру, а «минус» соединяется с той самой двойной обмоткой ферритового кольца.На этом схему можно считать практически собранной, остается только припаять сам элемент.Для этого черный провод (минуса) припаивается к минусу конденсатора (понятно что того, который на 1000мкФ), и плюс к плюсу того же кондера.

То есть параллельно ему.ВСЕ! На этом этапе сборка завершается! Что теперь нужно для работы этой схемы? Да ничего, просто прислоните руку к одной из сторон элемента и она заработает.Но для более эффективного преобразования, необходимо и более эффективное охлаждение обратной стороны Пельтье. Для этого и используется радиатор.

К стати, схема «стартует» от напряжения всего 100мВ!Ну, а теперь немного выскажу своего мнения по этому поводу. Тема альтернативной энергетики всё более развивается в мире, солнечная, ветровая и многие другие. Но тема термоэлектрических преобразователей поднимется довольно редко, хотя это и очень эффективный способ преобразования энергии.

Разница температур встречается везде, внутри и снаружи помещения, на разных уровнях слоёв почвы, воздуха и тд!

Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами.~Никола Тесла

Источник: https://USamodelkina.ru/16261-fonarik-rabotajuschij-ot-tepla-ruki-na-jelementah-pelte.html

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студента

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.

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

Эффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студентаЭффект Пельтье - Справочник студента

карта сайта

Источник: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/effekt-pelte/

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье – это процесс, сопровождающийся появлением разницы температур на двух различных материалах при прохождении по ним электрического тока. Впервые объяснён академиком и изобретателем Ленцем.

Благодарности

Нельзя обойти благодарностью АН СССР и академика А.Ф. Иоффе за грандиозный труд по развитию термоэлектричества в СССР и доведения результатов исследований до сведения общественности.

Применяемость

Эффект Пельтье применяется для охлаждения, нагрев возможен любым проводником по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, явление полезно:

  1. Для создания холодильников низкого напряжения и постоянного тока. С возможностью подогрева при изменении полярности питания. На западе так конструируют дорожные сандвиченницы. Холод сохраняет продукт от порчи, обратная полярность позволяет подать продукт на стол горячим.
  2. Кулеры процессоров вносят значительную лепту в общие шумовые характеристики системного блока. Если заменить их элементами Пельтье, порой хватает общего вентилятора. Он шумит не настолько сильно, корпус лишён мощного радиатора, а крепление надёжное (в отличие от материала материнской платы).

Развитие теории охлаждения

Эффект Пельтье не привлекал пристального внимания учёных, казался бесполезным.

Открытый в 1834 году, пылился на полках научных библиотек более века прежде, нежели стали находиться первые значимые технические решения в этой области.

К примеру, Альтенкирх (1911 год) заявлял о невозможности применения эффекта Пельтье в холодильных установках, в расчётах опирался на использование чистых металлов, вместо сплавов и полупроводников.

Ошибочность выводов немецкого учёного подтверждена позже, в чем немалая роль отводится лаборатории полупроводников Академии наук СССР.

К 1950 году создана стройная теория, позволившая в течение последующего ряда лет создать первый электротермический холодильник.

При сравнительно небольшом КПД в 20% прибор понижал температуру на 24 градуса, чего в большинстве случаев хватало для бытовых целей. Годами позже разница температур уже составляла 60 градусов.

В физике 50-х годов элемент Пельтье рассматривался как холодильная машина с электронным газом вместо фреона. Сообразно этому велось рассмотрение системы.

Основной параметр – холодильный коэффициент, отношение количества тепла, забираемого в единицу времени к мощности, которая на это затрачивается.

У современных фреоновых кондиционеров и холодильников цифра превышает единицу. В 50-х годах для элемента Пельтье едва достигала 20%.

Эффект с позиций термодинамики

Эффект Пельтье описывается формулой, показывающей, какая энергия переносится при определённой величине электрического тока. Выражая её во временных единицах, находят мощность устройства, исходя из которой определяют потребности холодильника.

Сегодня популярны бесшумные элементы Пельтье для кулеров процессоров. Небольшая пластина охлаждает кристалл и охлаждается радиатором кулера.

Элемент Пельтье служит тепловым насосом, гарантированно отводящим тепло от центрального процессора, не давая перегреваться.

Эффект Пельтье - Справочник студента

В формуле на рисунке через альфа обозначены коэффициенты термо-ЭДС половинок (составных частей) элемента. Т – рабочая температура в градусах Кельвина.

В каждом элементе, как правило, присутствует побочный эффект Томсона: если по проводнику течёт ток, и вдоль линии имеется градиент (направленная разница) температур, станет, помимо джоулевой, выделяться и иная теплота. Последняя носит имя Томсона. В отдельных участках цепи энергия станет поглощаться.

Значит, эффект Томсона оказывает сильное влияние на работу нагревателей и холодильников. Но является, как уже сказано, побочным, неучтённым фактором.

Теплота, переносимая эффектом Томсона, прямо пропорциональна разнице температур на концах проводника и зависит от величины протекающего тока.

Явление проявляется лишь в веществах с ярко выраженной зависимостью коэффициента термо-ЭДС от температуры. В некоторых расчётах эффект Томсона считается нулевым, это близко к истине.

В термодинамической теории процесс отдачи и отбора тепла рассматривается с точки зрения двух тепловых потоков:

  • Поток тепла, забираемый охлаждающимся спаем, сопровождается двумя параллельно идущими процессами:
  1. Паразитное выделение тепла по закону Джоуля-Ленца. В термодинамике берётся как половина произведения квадрата тока на сопротивление. Вторая половина падает на горячем спае.
  2. Поток нагрева теплом, идущим от тёплой части. Равен разнице температур, перемноженной с полной теплопроводностью ветвей термоэлемента.
  • На горячем спае идут обратные процессы по второму пункту (тепло уносится к охлаждаемой части) и аналогичные по первому – выделяется джоулева теплота.
Читайте также:  Принцип гюйгенса-френеля - справочник студента

Из формулировок следует, что действенным решением добиться максимального КПД станет теплоизоляция между спаями. В паре используются полупроводники, способные генерировать термо-ЭДС, электрическому току приходится преодолевать её сопротивление.

Затрачиваемая энергия пропорциональна разнице температур и разнице коэффициентов термо-ЭДС веществ и зависит от протекающего тока.

Графики зависимости представляют кривые, и дифференцируя их с целью найти экстремумы, возможно получить условия достижения максимальной разницы температур (между комнатой и холодильником).

Эффект Пельтье - Справочник студента

На рисунках показаны результаты операции взятия производной, где вычислены оптимальные токи для сопротивления R термопары и предельного увеличения холодильного эффекта. Из указанных формул следует, что идеальная машина получится, если:

  • Электропроводность материалов термопары одинакова.
  • Теплопроводность материалов термопары одинакова.
  • Коэффициенты термо-ЭДС одинаковы, но противоположны по знаку.
  • Сечения и длины ветвей термопары одинаковы.

Реализовать эти условия на практике сложно. В этом случае предельный холодильный коэффициент равен отношению температуры холодного спая, к разнице температур. Напомним, это характеристика идеальной машины, в реальности пока недостижимая.

Эффект Пельтье - Справочник студента

Как оптимизировать работу холодильной машины на элементах Пельтье

На рисунках представлены графики величин, влияющих на КПД элементов Пельтье. Первое, что бросается в глаза – коэффициент термо-ЭДС стремится к нулю по мере роста концентрации носителей заряда. Это напоминает, что металлы не считаются лучшим материалом для создания термопар. Теплопроводность, напротив, возрастает. В термодинамике считается, что она слагается из двух компонентов:

  1. Теплопроводность кристаллической решётки.
  2. Теплопроводность электронная. Указанная составляющая по очевидным причинам зависит от концентрации свободных носителей заряда и обусловливает рост кривой на представленном графике. Теплопроводность кристаллической решётки остаётся практически постоянной.

Исследователей интересует произведение квадрата коэффициента термо-ЭДС на электропроводность. Упомянутая величина стоит в числителе выражения для холодильного коэффициента.

Согласно данным, экстремум наблюдается при концентрации свободных носителей в районе 10 в 19 степени единиц на кубический сантиметр.

Это на три порядка меньше, чем отмечается в чистых металлах, откуда прямо следует заключение, что идеальным материалом для элементов Пельтье станут полупроводники.

Доля второй компоненты уже сравнительно невелика в меньшую сторону по оси абсцисс, допускается брать и материалы из этого интервала. Электропроводность диэлектриков слишком мала, что объясняет невозможность их применения в данном контексте. Все это позволяет установить причину, почему выводы Альтенкирха не воспринимаются всерьёз.

Квантовая теория применительно к элементам Пельтье

Термодинамика не позволяет провести точный расчёт, но качественно описывает процесс выбора материалов для элементов Пельтье. Чтобы исправить ситуацию, физики призывают на помощь квантовую теорию.

Она оперирует прежними величинами, выраженными через концентрацию свободных носителей заряда, химический потенциал, постоянную Больцмана.

Такие теории принято ещё называть кинетическими (или микроскопическими), потому что рассматривается иллюзорный и непознанный мир мельчайших частиц. Среди обозначений встречаются:

  1. l – длина свободного пробега носителей заряда. Зависит от температуры. Результат определяется по показателю степени механизма рассеяния электронов r (для атомных решёток это 0; для ионных и температуры ниже дебаевской – 0,5; выше дебаевской – 1; при рассеянии ионами примеси – 2).
  2. f – функция распределения Ферми (по энергетическим уровням).
  3. x – приведённая кинетическая энергия носителей заряда.

Интегралы функций Ферми занесены в таблицы, их вычисление не представляет сложности. Уравнения микроскопической теории решают относительно коэффициентов термо-ЭДС и электропроводности, что позволяет найти холодильный коэффициент. Эти сложные операции проделаны Б.И.

Боком, установившим, что оптимальное значение коэффициента Зеебека находится в интервале между 150 и 400 мкВ/К, но зависит от степени механизма рассеяния. С первого взгляда понятно, что значения у металлов не наблюдаются.

В итоге группой физиков под руководством Иоффе показано, что лучший материал для термопар должен удовлетворять ряду условий:

  1. Максимальное отношение подвижности носителей к коэффициенту теплопроводности кристаллической решётки.
  2. Концентрация носителей согласно формуле, приведённой на рисунке.

Эффект Пельтье - Справочник студента

В.П. Жузе показывает, какие вещества обладают нужной подвижностью. Их кристаллическая структура посередине между атомной и металлической. Введение примесей в материал всегда понижает подвижность.

Этим объясняется факт, что коэффициент термо-ЭДС для сплавов выше, нежели для чистых материалов. Зато примеси увеличивают r. У идеального вещества, не существующего в природе, коэффициент термо-ЭДС должен сохранять постоянное значение, равное 172 мкВ/К.

Требуется, чтобы концентрация менялась по закону, указанному на рисунке (см. по п. 2).

Полупроводники отличаются возможностью подобрать материалы, где концентрация носителей заряда зависит от температуры, и отыскать такие, где разница практически равна нулю. За счёт комбинирования указанных качеств возможно попытаться найти самый близкий к идеалу материал.

Конструкции холодильников

Для усиления эффекта элементы Пельтье объединяются параллельно. При этом их мощности складываются. Для конструирования собственных холодильников нужно быть в курсе расчета теплопотерь через плоскостные конструкции. Созданы специальные калькуляторы, многие доступны онлайн.

Заниматься конструированием наугад невыгодно по очевидным причинам. А приятная новость в том, что элементы Пельтье значительно подешевели за последние годы. На Али-экспресс купите продукцию из Китая 60 Вт за 300 рублей. Не сложно убедиться, что за 3000 можно собрать холодильник. А какую он станет поддерживать температуру, зависит от конструкции, требующей расчёта.

Источник: https://VashTehnik.ru/enciklopediya/effekt-pelte.html

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье
(1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он
пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к
ней медными проводниками.

В ходе эксперимента он обнаружил, что одно
соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.

Сам Пельтье не понимал в полной степени сущность открытого им явления.

Истинный смысл явления был позже объяснён в 1838г Ленцем (1804-1865 г.).

В своём опыте Ленц эксперементировал с каплей воды, помещённой на стыке
двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном
направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока —
таяла.

Тем самым было установленно, что при прохождении тока через
контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом
— поголщается.

Данное явление было названо эффектом Пельтье (противоположным эффекту Зеебека).

Эффект Пельтье́ — процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQ12 = P12Idt = − dQ21Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт идёт ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler). Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.

Эффект Пельтье - Справочник студентаПринцип действияВ основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих 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 используются контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек.

Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой.

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).

Протекающий 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.

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 К.

  • Достоинства и недостатки
  • Применение
  • Сущность эффекта

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей.

При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна.

Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах, маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров, и, кроме того, необходимая мощность охлаждения невелика.Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах.

За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 — 40 К ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 для одностадийних холодильников и до −120 для двухстадийных).Эффект Пельтье - Справочник студентаКлассическая теория объясняет явление Пельтье тем, что при переносе электронов током из одного металла в другой, они ускоряются или замедляются внутренней контакной разностью потенциалов между металлами. В случае ускорения кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. В обратном случае кинетическая энергия уменьшается, и энергия пополняется за счёт энергии тепловых колебаний атомов второго проводника, таким образом он начинает охлаждаться. При более полном рассмотрении учитывается изменение не только потенциальной, но и полной энергии.Уже в 20 веке было выясенно, что эффект Пельтье значительно сильнее проявляется при соединении полупроводников разных типов. В зависимости от направления протекания электрического тока через p-n- и n-p- переходы вследствии взаимодействия заряов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации, энергия либо поглощается, либо выделяется. В связи с этим полголощается или вылеляется тепло. Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы — модули Пельтье сравнительно большой мощности.

Техническая реализация Пельтье эффекта в полупроводниках

Источник: https://diod.ucoz.ru/load/fizicheskie_zakony/fizika/ehffekt_pelte/22-1-0-51

Термоэлектрическое охлаждение. Эффект Пельтье

holodilshikПредлагаю посмотреть два небольших видеоролика.Возможно, некоторые из вас уже встречали их в сети. Подобные устройства применяются в компьютерной технике.Однако, давайте ниже поговорим чуть подробней о физической природе этого явления. Такие небольшие охлаждающие устройства интересны тем, что в их принцип действия базируется на конкретном физическом эффекте.Ролик 1Ролик 2

В основе этих устройств лежит эффект Пельтье.

Это физическое явление было открыто в 1834 году Жаном-Шарлем Пельтье, часовщиком из Франции. Полученный эффект был назван в честь первооткрывателя — эффект Пельтье. Пельтье установил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из двух разных проводников, один из спаев охлаждается, а второй нагревается.

Выделение тепла при воздействии электричества было к тому времени уже известно и понятно, а вот выделение холода было непонятно и не изучено.

Тогда попытки использовать эффект для получения низких температур не имели успеха, поскольку не получилось получить высокую величину ЭДС. Поэтому о эффекте Пельтье забыли на больше, чем сотню лет.

Проблема была решена с заменой проводников на полупроводники, у которых он более заметен. В 30-е годы 20 века наш соотечественник академик А.Ф.Иоффе предложил и показал способность полупроводников обеспечить достаточную эффективность процесса.

  • Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, более известному как термоэлектрический эффект.
  • Дальнейшее понижение температуры возможно только каскадным соединением термоэлементов.
  • Чтобы получить достаточную холодпроизводительность, не увеличивая слишком сильно электрический ток, последовательно соединяют элементы Пельтье в батареи.
  • Батарея Пельтье

Эффект Пельтье обратим. Это мы видим на ролике 2.

Если сменить полярность, то контакт, который был до этого горячим станет холодным и наоборот.Как я уже писал выше, если использовать в качестве проводников благородные металлы, то то максимальная разница температур, которую можно выжать между двумя точками, будет не выше 3 К.

Поэтому для получения большей разницы температур стали использовать сочетания материалов — полупроводников, электрическая проводимость, которых заключена между проводимостью чистого металла, например такого как медь. При пропускании постоянного тока на одном полупроводнике будет выделяться тепло, на другом тепло будет поглощаться.

Такие однокаскадные установки позволяют получить максимально снижение температуры на 70…75 К.Благодаря этого удалось добиться: более глубокого охлаждения, повысить эффективность процесса охлаждения, снизить габариты низкотемпературных установок.Источник: http://podberi-holodilnik.ru/aimg/content/c90791135f6df6227ac4e26cd52e7fd9e7d55e76.gifПреимущества холодильных машин на основе батарей Пельтье:- отсутствие движущихся частей, а следовательно шумов и вибраций;- отсутствие рабочих веществ (хладагентов и хладоносителей);- небольшие размеры;- возможность непрерывно регулировать производительность в любых пределах.Но недостатки крайне сильно ограничили применение таких устройств нишевыми продуктами:- малый КПД (COP), ниже парокомпрессионных фреоновых установок;- низкая холодпроизводительность;- высокая стоимость.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 для элемента Пельтье при этом должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.Что на практике сложно достижимо.НА сегодня, такие охладители нашли применение в фототехнике, приборах ночного видения, телескопах. Также применяются в системах охлаждения компьютерной техники, автомобильных холодильниках.

Читайте также:  Свойства функции распределения, график - справочник студента

Возможно использование новых материалов откроет новые возможности для применения подобных систем и установок. Наиболее перспективно на данный момент применение в охлаждении компьютерных систем.

Если внимательно смотреть ролик можно увидеть обозначение TEC — это сокращение от английского Thermoelectric Cooler, что обозначает термоэлектрический охладитель, так еще называют элементы Пельтье.

Кстати, именно СССР являлся лидером в технологии термоэлектрического охлаждения, как в фундаментальных исследованиях, так и в практическом применении. Здесь были созданы в 60-х годах первые бытовые термоэлектрические холодильники.

Также холодильники на основе эффекта Пельтье применяются в космосе. Более подробно можно почитать в статье Космические холодильники.

Источник: https://holodilshik.livejournal.com/9888.html

Что такое элемент Пельтье, его характеристики и принцип работы

Вы, конечно, прекрасно знаете, что с помощью электрического тока возможно производить нагрев предметов, например, паяльник, чайник и т.п.

А вы знаете, что с электричеством можно также и охлаждать? И я сейчас говорю не о холодильниках, где компрессором гоняется фреон, а речь идет о так называемом элементе Пельтье.

В этом материале я расскажу вам об этом изделии подробно. Итак, начнем.

Содержание

  • Историческая справка
  • Как работает термоэлемент
  • Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье
  • Недостатки и достоинства такого элемента
  • Маркировка изделия и ее расшифровка
  • Технические параметры элемента Пельтье
  • Область применения данных элементов
  • Как проверить исправность модуля Пельтье
  • Заключение

Историческая справка

В далеком 1834 году ученым из Франции Ж. Ш. Пельтье был открыт крайне любопытный эффект при протекании электрического тока по проводнику.

Так, если через близко расположенные разнородные проводники пропускать электрический ток, то один из них сильно нагревается, а другой напротив охлаждается.

И величина вырабатываемого тепла и холода прямо пропорционально связана с величиной пропускаемого тока.

Если же вектор направления тока изменить, то и стороны нагрева и охлаждения так же поменяются местами. Про это открытие, которое впоследствии назвали эффект Пельтье, на долгие годы просто напросто забыли, пока во второй половине двадцатого столетия не были произведены первые полупроводниковые элементы Пельтье.

Как работает термоэлемент

В основе абсолютно любого термоэлектрического модуля положен принцип разности уровня энергии электронов, то есть один проводящий элемент представляет из себя область с высокой проводимостью, а другой с низкой проводимостью. И если совместить такие проводники и пропустить через них ток, то электрону, чтобы пройти из низкоэнергетической области в высокоэнергетическую нужно накопить энергию. При этом та область где происходит поглощение энергии электроном начинает охлаждаться.

Если изменить полярность подключения элемента, то эффект охлаждения сменится на нагревание.

Этот эффект наблюдается у абсолютно любых элементов, но реальные следы данного явления начинают проявляться, когда используются полупроводники.

Внутреннее устройство термоэлемента Пельтье

yandex.ru

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) реализован из N-ого числа термопар. Причем сама термопара выполнена из пары полупроводников разнородного типа, которые соединены между собой пластиной из меди.

Данные полупроводники выполнены из солей таких металлов как: теллур, висмут, селен или сурьма.

Таких термопар соединенных в последовательную цепь может быть в одном устройстве сколь угодно много. И вся эта конструкция закрывается с обеих сторон керамическими пластинами.

Так как число термопар может быть различным, то значит и мощность элемента Пельтье также может варьироваться и очень сильно.

Протекающий постоянный ток нагревает одну часть элемента (например, верхнюю), а вторую (нижнюю) наоборот охлаждает. Если сменить полярность, то нагреваемая и охлаждаемая стороны поменяются местами.

Есть одна очень любопытная особенность функционирования такого элемента. Если в процессе работы принудительно охлаждать ту сторону, что подвергается нагреву, то сторона охлаждающаяся еще больше охладится и разница температур с воздухом может быть десятки градусов.

yandex.ru

Недостатки и достоинства такого элемента

К сожалению, еще не придумано таких изделий, у которых были бы только плюсы, поэтому давайте рассмотрим положительные и отрицательные стороны элемента Пельтье.

Плюсы изделия

1. По размеру данное изделие может быть абсолютно любым.

2. В изделии нет движущихся деталей, а это значит что оно полностью бесшумно.

3. Лишь изменив полярность питания элемента нагревательная поверхность превращается в охлаждающую.

Минусы изделия

1. Единственным, но самым существенным недостатком ТЭМа считается его маленький КПД.

И проблема низкого КПД заключена в том, что по своей сути электроны обладают двойной природой и переносят как заряд, так и тепловую энергию и для того, чтобы создать высокоэффективный элемент Пельтье, нужен материал с высокой проводимостью электрического тока и низкой проводимостью тепла, а такой материал пока не придуман.

Маркировка изделия и ее расшифровка

На любом элементе присутствует буквенно-циферный код, который выглядит так:

  1. И вот как он расшифровывается:
  2. Первые две буквы всегда «ТЕ» всегда неизменны и означают что перед нами термоэлемент.
  3. Третья буква указывает на размерность модуля «С» — стандартный модуль, «S» — малый модуль
  4. А первая цифра, идущая после букв, говорит о количестве слоев (каскадов) в элементе.
  5. Далее три идущие цифры говорят о числе термопар в модуле (в данном элементе 127 пар).
  6. Последние две цифры указывают на номинальный ток, в нашем варианте ток равен 10 Амперам.

Технические параметры элемента Пельтье

Главные параметры у элементов таковы:

— Q max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье.

  • — Imax – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума.
  • — U max — предельное напряжение.
  • — Resistence – сопротивление внутренних элементов изделия.

— COP – это КПД нашего изделия. Данный показатель только у самых «крутых» модулей едва дотягивается до 50 %, а те элементы, которые нам могут предложить китайские производители, имеют КПД от 20% до 30%.

Область применения данных элементов

Данные термоэлектрические модули нашли свое применение в следующих областях:

Мобильные (автомобильные) холодильники.

Мобильные термогенераторы. В таких изделиях применяется обратный эффект, то есть при нагревании одной стороны элемента и охлаждении другой, происходит вырабатывание электрической энергии.

  1. Осушители воздуха.
  2. Лабораторные инкубаторы.
  3. Кулеры для воды.

Как проверить исправность модуля Пельтье

Заключение

Это все, что я хотел сегодня вам рассказать об элементе Пельтье. Если вы захотели приобрести такой элемент, то покупал я его в этом магазине. В следующих статьях я расскажу о том, как собрать на основе этого элемента термогенератор, так что если вам статья понравилась, то присоединяйтесь к каналу и оцените ее лайком и репостом. Спасибо за ваше внимание!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5bf839a4414f1b00a938ac33

Создание автономной энергетической установки с использованием элемента Пельтье

Актуальность

Развитие технологии и техники шагнуло далеко вперед, что дало возможность создать новые источники генерации электрической энергии.

Среди основных видов генерации электроэнергии специалисты выделяют следующие: тепловую, ядерную, гидроэнергию и альтернативные виды.

В данной работе обращается внимание на систему Пельтье, использующую для работы разницу температур рабочих поверхностей в разных частях плитки.

Цели работы:

  1. Провести изучение распространенных способов получения электрической энергии, особое внимание уделить преобразованию из тепловой.
  2. Провести изучение принципа работы системы Пельтье, системы PN-переходов.
  3. Разработать конструкцию устройства, сделать расчет потребляемого тепла и получающейся электроэнергии, подобрать изделия для реализации замысла, выработать требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  4. Разработать рабочие чертежи с помощью программы «Компас-3D».
  5. Осуществить 3D-прототипирование, используя программу 3Dmax, с изготовлением деталей при помощи 3D-принтера.
  6. Провести сборку и тестирование первой версии прибора, тесты датчиков, их работоспособности, измерения точности и достоверной работы датчиков, системы обработки данных.
  7. Провести необходимые измерения по результатам испытаний, сделать расчеты мощности КПД, определить их зависимость от температурных режимов работы устройства.
  8. Собрать окончательную версию работающего прототипа прибора, провести испытания.

Содержание работы

Развитие технологии и техники шагнуло далеко вперед, что дало возможность создать новые источники генерации электрической энергии.

Среди основных видов генерации электроэнергии специалисты выделяют следующие: тепловую, ядерную, гидроэнергию и альтернативные виды.

В данной работе обращается внимание на систему Пельтье, использующую для работы разницу температур рабочих поверхностей в разных частях плитки.

При пропускании через термопару тока происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n-контакте. В результате участок полупроводника, примыкающий к n-p-переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то, наоборот, n-p-участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье может достигать 70 °C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны относительно другой. То есть чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

  • Система Пельтье имеет свойство обратимости, благодаря которой она может вырабатывать электричество.
  • Для нашего случая надо нагревать одну сторону, а вторую охлаждать для получения электричества из-за разницы температур.
  • Выводы
  1. Проведено изучение распространенных способов получения электрической энергии из тепловой.
  2. Проведено изучение принципа работы системы Пельтье, ее кинематической схемы, циклов и термодинамических процессов.
  3. Разработаны рабочие чертежи с помощью программы «Компас-3D».
  4. Разработана конструкция устройства, подобраны изделия для реализации замысла, выработаны требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  5. Произведено 3D-прототипирование с помощью программы 3Dmax и 3D-принтера.
  6. Проведены сборка и тестирование первой версии прибора, тесты датчиков, их работоспособности, измерения точности и достоверности работы датчиков, системы обработки данных.
  7. Проведены необходимые измерения по результатам испытаний, сделаны расчеты мощности и КПД, определена их зависимость от режимов работы системы.
  8. В конструкцию прибора внесены изменения по результатам испытаний.
  9. Собрана окончательная версия работающего прототипа прибора. Проведены демонстрационные испытания.
  1. Удалось создать прототип независимого источника электропитания на базе системы Пельтье.
  2. Перспективы использования результатов работы
  3. Организация стартапа, вывод рабочей установки на выпуск в серийное производство.
  4. Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2019 г. – победитель.

Городская конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату»2019 г. – призер.

Источник: http://profil.mos.ru/ntek/proekty/sozdanie-avtonomnoj-energeticheskoj-ustanovki-s-ispolzovaniem-elementa-pelte.html

РадиоКот :: Практика применения элементов Пельтье

Добавить ссылку на обсуждение статьи на форумеРадиоКот >Лаборатория >Радиолюбительские технологии >

Теги статьи: Добавить тег

Практика применения элементов Пельтье.

Введение

Как я знаю многие коты, которые любят ковыряться в компьютерах, задумывались о том, как охладить компьютер элементами Пельтье. Но не каждый задумывался о том, что эти элементы можно использовать в качестве источника напряжения с хорошими характеристиками.

Ну так вот- спустя некоторое время родился у меня в голове вариант использования элементов Пельтье в качестве альтернативного источника электроэнергии.

Так как я со своей кошечкой любим погулять на природе, и также любим мы гаджеты, которые сопровождают нас, то с помощью этой «Термоэлектрической шепотницы» (так я назвал этот агрегат), можно зарядить любой маломощный гаджет — телефон или фотоаппарат.

Теория

Принцип действия элемента Пельтье базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих 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. У элементов Пельтье есть такая особенность, что если нагреть одну и охдадить другую стороны, то элемент начинает генерировать электричество.

Практика

Теперь я вам расскажу о том, как можно применить элемент в качестве источника электоэнергии. Прошу извинения- фото процесса не будет так как фотоаппарат накрылся медным тазом, но расскажу подробно как могу.

Для конструкции нам понадобятся сами элементы Пельтье, термопаста, радиатор(200см^2), стеклоткань или асбестовая ткань и банка с ровными стенками. Итак- берем стеклоткань, режем на куски под размер элементов и хорошенько пропитываем ее термопастой. Это нужно для лучшего теплообмена, так как термоэлементы выходят из строя при 250 градусов.

Затем прикладываем этот материал на банку. Банка должна быть подготовлена, то есть в ней должны быть просверлены отверстия снизу для доступа воздуха. Как только мы положили пропитанную термопастой стеклоткань, кладем на эту поверхность термоэлектрические модули(сколько? а это по вашим возможностям).

Модули должны быть подготовлены, то есть провода припаяны и выведены наружу в теплостойкой изоляции. Затем все элементы мы мажем термопастой, не жалея ее, так как нужна хорошая теплоотдача для большего КПД установки. После на термопасту мы прижимаем радиатор из алюминия и конечно прикручиваем его. Собственно и готово.

Можно проверить работоспособность. Примечание Кота. Используйте обычную термопасту, без добавления металла! Металлизированная паста электропроводна, и ей можно закоротить полупроводниковые структуры элемента Пельте.

Первое испытание

Зажигаем и следим за показаниями. Показания зарегестрированы на 3 минуте после запуска.

7 минут после поджига.

Вот сила тока на 8 минуте.

Мощность устройства: предпологаемая 3 ватта, получившаяся 2.5 ватт.

 Итак подведем итоги

Конструкция получилась на скорую руку но рабочая, при этом отдавая положенное электричество. Есть одно но: напряжения одного элемента не хватает на зарядку аккумуляторов выше 3 вольт, для этого нужно собрать повышающий DC-DC преобразователь чтобы обеспечить 5 вольт для зарядки гаджета.

  • Итого
  • Затраты 200 рублей на термоэлектрический модуль из советского автомобильного холодильника.
  • Радиатор бесплатный
  • Заключение

Аппарат  был представлен на выставке по альтернативной энергетике в Усть-Каменогорске и занял 1 место. Так как была продемонстрирована возможность использования тепла огня не только для приготовления пищи и согревания, но и для получения электричества.

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья? Заработало ли это устройство у вас?

Источник: https://www.radiokot.ru/lab/hardwork/91/

Ссылка на основную публикацию