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.
Как повысить мощность автохолодильника?
Итак, товарищи, прошу вашей помощи.
Имеем вот такой автохолодильник: avtozvuk.ua/info/41128
Есть желание увеличить его «хладопроизводительность». Внутри стоит один элемент Пельтье TEC1-12705 (lib.chipdip.ru/053/DOC000053443.pdf). Как посоветуете поступить? Поставить еще такой же (или такого же размера, но мощнее 12706/12708)? Или поставить дополнительно больший по площади и мощности 12715? Или не один, а, например, добавить еще 2-3? И вообще, какую «конфигурацию» элементов рациональнее использовать?
Правильно ли я понимаю, что чем сильнее мы охладим «горячую» сторону «рабочего» элемента, тем холоднее будет «холодная» сторона?
Заранее спасибо!)
1 декабря 2014
Поделиться:
Комментарии 48
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы писать комментарии, задавать вопросы и участвовать в обсуждении.
Я езжу на Mitsubishi Pajero Sport (2G)
Mishka1984, вы совершенно правы: чем сильнее мы охладим горячую сторону, тем холоднее будет холодная сторона. Я, например, на ребра внешнего радиатора под вентилятор намотал х/б узкую киперную ленту, свободный конец которой пропустил через кембрик в стакан с водой. Кембрик нужен для предотвращения испарения воды по пути к радиатору, а уровень воды должен быть выше поверхности радиатора. При внешней температуре выше 30 градусов в холодильнике за ночь температура понижается до отрицательных значений ( на радиаторе холодной стороны образуется иней ).
Удачи. Юрий.
Спасибо) Два года уж прошло, энтузиазм как-то пропал. Хотя впереди лето, может еще поколдую что-нибудь)
Тема подзабыта, освежу. Есть термохолодильник Mystery. пользуюсь уже более 4-х лет. В принципе все устраивало, но во время последней поездки перестал холодить. Вскрытие показало, что умер элемент Пельтье ТЕС1-12705. Что бы добраться до элемента надо было снять радиаторы (их два- сверху (большой) и снизу (по меньше)). Сам элемент вроде прозванивается (КЗ нет), даже вроде меняется напруга при нагреве от пальцев, но если подавать 12 в непосредственно на него, то ни чего не происходит — не греется, не охлаждается. Заказал на Alie на замену за копейки. Но проблема в том, что когда снимал, не обратил внимание какой стороной куда стоял. Ясно, что вроде ни чего страшного, можно ставить любой, а потом, если не угадаю, переполюсовать питание на него. Но на нижнем радиаторе стоит термостат на 75 градусов, я так думаю, что термостат стоит на той стороне, что нагревается, на это и надо ориентироваться. Или я не прав?
Расскажи, что это за разделение такое?
Без машины
В теории, доработать увеличением элементов можно.
Там еще прикол с разделением элементов, через пенопласт. С помощью тепловых трубок. У моего холодильника так.
Но доработать его точно не получиться, корпус сильно ограничен. Да и ток будет непомерный. У моего 4 ампера.
Несуществующий пользователь
Без машины
Я не совсем в теме, но насколько я понял о элементах пельтье, то они вырабатывают электричество за счёт разницы температур, т.е. чем больше разница, тем больше тока (значит для получения электричества одну сторону охладить, а вторую нагреть). Это про вопрос охлаждения сторон. Как с обратной реакцией — не скажу. А не подскажете эл.схему вашего холодильника (как работает)? Извините, если коммент бесполезен.
Элемент Пельтье и в обратную сторону работает: при подаче на него наряжения одна сторона охлаждается, другая нагревается. Элемент зажат между радиаторами: с одного вентилятором гонится холод в камеру, с другого тепло в атмосферу. Кстати, при смене полярности стороны «меняются местами»: внутрь холодильника будет нагнетаться тепло.
Схемы там как таковой нет: тумблер смены полярности да блок питания (холодильник может от 220 работать). А так тупо + и- с АКБ на элемент.
Пардон. Ты хочешь сказать панель работает от12 аккомулятора и 220
От 12 В. А внутри еще преобразователь (блок питания) стоит.
простите, а вариант «заморозить бутыль воды и кинуть внутрь» не рассматривается ?
Перечитайте камменты внимательно. Так и делаю.
Да и вопрос не «как холодную водичку довезти», а «как улучшить холодильник»…
есть мнение, что бутылку со льдом можно использовать не только как питьевую ёмкость, но и как т.н. «аккумулятор холода».
Еще раз напишу: 5 бутылок по 0,5 ночь лежат в морозилке. Затем кладутся в холодильник, холодильник в багажник. Через 30 часов езды на жаре летом все эти бутылки чуть прохладные, но не холодные. Меня это не совсем устраивает…
У меня обычная термосумка с батареями. На день хватает.
В продаже имеются автомобильные морозильники до -18*C. Цена вопроса ~10000 рублей. Производство Италия.
Эт не реклама, электрикой лучше не баловаться. Сосед баловался, авто ночью сгорела до тла.
Спасибо, конечно, но за 10000 я из багажника термос сделаю)
Покупали по работе, вещь просто классная
Я сделал со своим холодильником легкую модернизацию. В результате температура внутри стала ниже на 2 градуса при неизменной температуре снаружи. Вместо элемента пельтье 65Вт я поставил 108Вт. В итоге вилка в прикуриватель расплавилась. В Mitsubishi Pajero с двумя аккумуляторами общей емкостью где-то 169 А*ч 3 часа работы холодильника заметно не разряжали АКБ — заводился без проблем.
Странно, что никто об этом не подумал, но… прежде чем наращивать количество элементов советую обратить внимание на подсчет количества потребляемой мощности, элементы прожорливые шибко. Ваш 12706 жрет около 72 ватт, что больше одной фары головного света. Предложенный ниже 12715 жрет 136 Ватт, что уже равно двум фарам. Если вы сделаете бутерброд, то не подохнет ли ваш аккумулятор прежде чем остынет холодильник. Т.е. желательно использовать при езде(работающем генераторе), и позаботится о нужном сечении проводов и безопасности, а также здоровье генератора, чтобы его хватило не только на нужды такого бутерброда из элементов, но и на нужды самого автомобиля. Вот и думайте, что делать. )
Это вопрос из другой области. Надо решить что делать с холодильником, а потом решим и как его запитать.
когда то баловался с этими элементами.впринципе да чем сильнее охладишь горячую сторону тем сильнее охладится холодная. как вариант ставь бутерброд из 2 элементов в конфигурации х-гх-г тоесть один элемент охлаждает второй но перед этим рекомендую заняться герметизацией бокса и заменой его наполнителя.
Тоже об этом подумал, но пока не залез во внутрь еще.
как вариант можно электрику не трогать. разберись с теплоизоляцией ящика и внутрь пару аккумуляторов холода. температуру должно сбить градуса на 3-4. я думаю имеющегося охладителя хватит для поддержания температуры
Это параллельный электрике этап. Подходить к вопросу будем комплексно))
Не получится на пельтье. Хоть сколько ставь, все равно разница температур снаружи и внутри будет 10-15 градусов. Увеличив кол-во модулей или их мощность ты выиграешь только во времени достижения этой разницы.
Обоснуй? Почему так?
Ты спросил, я ответил. Разжевывать и обосновывать мне времени нет. Вики тебе в помощь. Если ты из тех, кто на своих ошибках учится, то вперед закупаться элементами п., вентиляторами, радиаторами. Но один фиг, ничего у тебя не выйдет.
Ок, но ты больше время-то не трать. До вики я как-нибудь без тебя доберусь.
Мне кажется надо взять элемент побольше ru.aliexpress.com/item/1p…15-4V-15A/1949920543.html и увеличить площадь обдува
Т.е. использовать один элемент? Почему не «стопку»?
если площадь позволит то можно и больше, а стопку один на другой имелось ввиду?
Ну да, многие их так используют.
тогда так и делать, а что если еще по 2м бокам расположить по одному слабому элементу? Энергопотребление возрастет, но тем не менее холодить будет нормально
Попробую… Пока займусь механикой камеры))
Без машины
Через термопасту попробуй закрепить, на горячей стороне радиатор поставь, попробуй еще вентилятор закрепить. В авто напряжение какое?
Радиаторы есть, стоят на термопасте, вентилятор есть и закреплен, в машине 12 вольт, как у всех. Мало!) Минералка из морозилки через 30 часов слегка прохладная…
Где-то вычитал, что для эффективной работы «стопки» элементов, отдавать холод должен меньший по площади, а его должны охлаждать бОльшие элементы. Так вот площадь ЧЕГО увеличивать?
Несуществующий пользователь
Без машины
Поставь с горячей стороны пластины радиатор с обдувом — холодная станет холодней. если этого будет недостаточно, нужно увеличить мощность элемента.
С горячей стороны стоит радиатор 120х90 с обдувом. С холодной тоже есть, но меньше, и тоже обдувается. Хочу большего!))
Увеличить мощность и оставить ОДИН элемент, или добавлять элементы? Вот в чем вопрос)
Несуществующий пользователь
Без машины
Тогда лучше увеличить число элементов, чем мощность — площадь обдува будет больше.
Поставить два рядом не получится, только «стопкой».
Несуществующий пользователь
Без машины
стопкой смысла нет — это эквивалент элемента бОльшей мощности.
А вообще, разница температур горячей и холодной стороны — величина постоянная для конкретного элемента или нет?
Несуществующий пользователь
Без машины
Теоритически — по закону сохранения энергии минус кпд модуля пельтье. НО главное не забывать, что охлаждение это отбор тепла. Чем быстрее и полнее забрать тепло, тем ниже температура.
С горячей стороны стоит радиатор 120х90 с обдувом. С холодной тоже есть, но меньше, и тоже обдувается. Хочу большего!))
Увеличить мощность и оставить ОДИН элемент, или добавлять элементы? Вот в чем вопрос)
Да уж. Я заказал понельки 06 . нашел пенопластовый толстый короб под холодильник. Хотел слепить холодильник в авто. Но как получил стал проверять на батарее от шурика и стало смешно. Греется моментально, достал кусок замороженного мяса и преложил панель. Чем плотнее всей плоскостью панели я прекладывал к ровному месту холодного мяса, тем сильнее охлаждалася другая сторона панели. Вывод: создайте максимальное охлаждение горячей стороны панели, за счёт хорошего радиатора часто рёберного и мощного производительного вентилятора. Лепить бутерброды из панелей не стоит- чем больше панель тем сильнее её надо охлаждать в итоге напруги на бутерброд надо будет немеренно. Не вижу смысла. Залезьте в ютуб посмотрите ролики и делайте выводы. Будем эксперементировать. Пишите что у кого получилось и мы сломаем эту идею или головы. Всем спасибо.
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.
Исследование эффективности элемента Пельтье при различных режимах работы
Аннотация. В статье исследовалась работа элемента термоэлектрического охлаждения (элемента Пельтье) в зависимости от различных условий (напряжения, наличия пассивного и активного теплоотвода). Показано, что с ростом напряжения на элементе его относительная эффективность снижается. Продемонстрировано, что наличие пассивного (радиатор) и особенно активного теплоотвода существенно увеличивает эффективность элемента Пельтье.
Ключевые слова: эффект Пельтье, элемент Пельтье, термоэлектрическое охлаждение, активное охлаждение, пассивное охлаждение
Выпуск
Год
Ссылка на статью
№1(1)
2016
Гнусин П.И. Исследование эффективности элемента Пельтье при различных режимах работы // Видеонаука: сетевой журн. 2016. №1(1). URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/40-issledovanie-effektivnosti-elementa-pelte-pri-razlichnykh-rezhimakh-raboty (дата обращения 19.06.2016).
Исследование эффективности элемента Пельтье при различных режимах работы
Введение.
Элементы термоэлектрического охлаждения, или элементы Пельтье, широко применяются для охлаждения малогабаритных элементов электронных устройств, таких, как микропроцессоры, ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы; для стабилизации температуры когерентных источников оптического излучения во избежание их дрейфа, и в ряде других приложений. К их важным практическим достоинствам можно отнести малые габариты и вес, отсутствие охлаждающих жидкостей, возможность охлаждения устройства существенно ниже температуры окружающей среды.
К сожалению, несмотря на хорошую изученность эффекта Пельтье, вопросам, связанным с оптимизацией режимов их работы, на практике уделяется при разработке систем охлаждения достаточно мало внимания. Это связано во многом с недостаточной информированностью разработчиков электронных устройств об основных особенностях систем термоэлектрического охлаждения, в результате чего, как правило, выбирается элемент, наиболее приближенный по номинальным параметрам электропитания к уже задействованным в электронном устройстве. При этом, действительно, достигается максимально возможная разница температур между охлаждаемой и нагреваемой поверхностями термоэлектрического элемента, что, однако, не гарантирует максимальной эффективности охлаждения и тем более не гарантирует максимальной эффективности на единицу затраченной на охлаждение электрической энергии. Настоящее исследование было предпринято для того, чтобы оптимизировать работу сборки из термоэлектрических элементов в условиях ограниченной допустимой потребляемой мощности и отработать сопутствующие технические решения.
Эксперимент
В исследовании использовался охлаждающий модуль модели Storm -71 ( TB -127-1,0-1,3) производства Kryotherm (г. Санкт-Петербург) с габаритными размерами 40 мм ´ 40 мм ´ 3.6 мм. Элемент представлял собой плоскую квадратную пластину с керамическими поверхностями и внутренней структурой, выполненной из полупроводниковых и керамических элементов, имеющую два электрических контакта. В табл. 1 приведены параметры модуля, взятые из паспорта прибора и сайта производителя [1] (преимущество отдавалось параметрам, приведенным в паспорте):
Характеристики исследованного термоэлектрического элемента.
Дифференциальное сопротивление, Ом (при температуре 295 К)
Максимальная разность температур нагреваемой и охлаждаемой сторон (при температуре нагреваемой стороны T г = 300 К), ° С
Максимальная холодопроизводительность, Вт
Максимальная рабочая температура, ° С
Максимальное напряжение, В
Максимальная сила тока, А
При приложении к контактам термоэлектрического элемента постоянного напряжения температура его сторон определяется двумя конкурирующими процессами: выделением Джоулева тепла во внутренней структуре элемента (интенсивность которого пропорциональна квадрату силы тока, протекающего через элемент) и переносом тепла от «холодной» стоны элемента к «горячей» благодаря эффекту Пельтье (при этом при изменении полярности тока, проходящего через элемент, «холодная» и «горячая» стороны меняются местами). Конкуренция этих процессов и определяет в конечном итоге температуру «холодной» стороны элемента.
В ходе эксперимента были проведены следующие испытания:
1. Измерение вольт-амперной характеристики (для элемента без отвода тепла от горячей стороны)
2. Измерение температур холодной и горячей поверхностей в зависимости от условий отвода тепла (с пассивным охлаждением; с активным охлаждением).
Видео первой части эксперимента (без отвода тепла от горячей стороны) представлено в начале статьи. Элемент Пельтье в данной части эксперимента закреплялся в вертикальном положении в проволочной оснастке для минимизации тепловых потоков через стол и элементы крепления.
Пассивное охлаждение осуществлялось алюминиевым радиатором высотой 36 мм с цилиндрическим сердечником диаметром 37 мм и 36 алюминиевыми пластинами, расстояние между которыми составляло 1-4 мм. Общие габаритные размеры радиатора составляли 85х85х36 мм. Элемент Пельтье располагался под сердечником радиатора. Радиатор прижимался к элементу Пельтье под действием собственного веса, дополнительной термопроводящей пасты не использовалось.
Активное охлаждение осуществлялось компьютерным вентилятором (производитель Minibe а, номинальное напряжение до 24В, максимальная мощность 2,16 Вт, диаметр вентилятора 57 мм), питаемым тем же источником, что и элемент Пельтье, напряжением 10 В. Воздушный поток, проходящий через вентилятор, не измерялся в ходе эксперимента.
Для минимизации тепловых потоков через стол и элементы крепления сборка из элемента Пельтье, радиатора и вентилятора (при его наличии) закреплялась болтами на тонком (0.5 мм) алюминиевом листе на воздухе, таким образом, что рабочего стола касался только закрепленный на нем край листа. Вентилятор закреплялся на верхней поверхности радиатора (эксперимент с активным охлаждением).
Схемы расположения элементов для трех составных частей эксперимента приведены на Рисунке 1.
а — элемент без отвода тепла от горячей стороны;
б — элемент с пассивным охлаждением;
в — элемент с активным охлаждением.
1 — элемент Пельтье; 2 — проволочная оснастка; 3 — радиатор (заштрихован сердечник радиатора); 4 — крепежная алюминиевая пластина; 5 — вентилятор.
Рисунок 1 — Схемы трех частей эксперимента.
Красным выделена горячая поверхность элемента Пельтье, синим — холодная поверхность, желтые точки — места измерения температуры, стрелки — общие направления воздушных потоков, создаваемых вентилятором.
На Рисунке 2 представлено фото экспериментальной сборки с пассивным охлаждением. Хорошо видны детали структуры радиатора охлаждения.
Рисунок 2 — Фото экспериментальной сборки с пассивным охлаждением.
Измерение температуры производилось при помощи регистратора SM -130 с миниатюрным волоконно-оптическим датчиком температуры OS 4210 производства Micron Optics . Датчик представляет собой волоконный световод с чувствительным элементом, внедренный для целей защиты в металлическую трубку диаметром 1 мм и длиной 2 см. Малые габариты датчиков обеспечивали близкое расположение к элементу Пельтье и минимизацию влияния на ход эксперимента. На достаточном удалении от элементов установки датчиком той же модели параллельно измерялась температура воздуха в помещении.
Результаты
Наиболее детальное исследование работы элемента охлаждения было проведено для случая (а) (элемент без радиатора). Экспериментальное оборудование подробно описано в видео. В ходе эксперимента постоянное напряжение на элементе повышалось с шагом 1 В и после каждого повышения измерялась сила тока и температура, установившиеся на элементе. Максимальное значение напряжения составило +5 В, во избежание перегрева горячей стороны элемента. Следует указать, что реального охлаждения холодной стороны элемента Пельтье удалось добиться только при минимальном напряжении (+1 В), поскольку при отсутствии эффективных механизмов отвода тепла от элемента выделение Джоулева тепла уже при небольших значениях протекающего тока превалирует над эффектом Пельтье. Несмотря на это, разница температур между «горячей» и «холодной» сторонами элемента была весьма заметной. На Рисунке 3 приведены измеренные значения температуры «горячей» и «холодной» сторон от напряжения на элементе, а также зависимость от напряжения разницы температур и величины среднего нагрева. Хорошо прослеживается уже упомянутая зависимость – средняя величина нагрева элемента растет с ростом напряжения квадратично, в то время как разность температур «холодной» и «горячей» сторон благодаря эффекту Пельтье растет линейно.
Тг – температура на «горячей» стороне;
Тх – температура на «холодной» стороне;
Тк – измеренное значение комнатной температуры;
Рисунок 3 — Измеренные значения температур в ходе первой части эксперимента (а), сравнение измеренной разницы температур на «горячей» и «холодной» сторонах элемента с номинальной (б).
Тот факт, что измеренная зависимость разницы температур на поверхностях элемента от напряжения (Рисунок 3, б) проходит существенно выше точки, соответствующей номинальным характеристикам элемента, обусловлен, по нашему мнению, малыми габаритами применявшихся в эксперименте датчиков, благодаря чему температура в точке расположения датчика максимально приближена к температуре в центре соответствующей поверхности. По нашем мнению, весьма вероятно, что при изготовлении и заводской проверке элементов использовались гораздо более габаритные измерители, что приводило к занижению температуры горячей поверхности и завышению температуры холодной.
Дополнительная информация об элементе, полученная в ходе эксперимента, представлена на Рисунке 4. На Рисунке 4, а приведена полученная вольт-амперная характеристика элемента. Видно, что в пределах эксперимента вольт-амперная характеристика практически линейна, хотя при повышении напряжения сопротивление элемента несколько повышается, возможно, вследствие его нагрева.
На Рисунке 4, б показана разность температуры на «горячей» и «холодной» поверхностях, построенная в зависимости от потребляемой элементом электрической мощности, а также ее аппроксимация корневой зависимостью (при аппроксимации зависимости прямой в двойном логарифмическом масштабе было получено оптимальное значение степени 0.552, что хорошо согласуется с корневой зависимостью, получаемой при сравнении выражений для величины эффекта Пельтье и потребляемой электрической мощности). Хорошо видно снижение эффективности элемента с ростом потребляемой мощности.
Рисунок 4 — Вольт — амперная характеристика элемента Пельтье (а) и зависимость разницы температур на «горячей» и «холодной» поверхностях от потребляемой электрической мощности (б).
Указанная конкуренция между выделением Джоулева тепла (величина которого равна потребляемой термоэлектрическим элементом электрической мощности) и эффектом Пельтье приводит к тому, что электрическая эффективность элемента Пельтье с ростом напряжения существенно падает, и для максимального рабочего значения напряжения оказывается относительно небольшой. Это, однако, не говорит о принципиально низкой эффективности элемента Пельтье как охладителя (о чем, в частности, пишет даже [2]), поскольку далеко не всегда целесообразна работа элемента в номинальном режиме, в котором его электрическая эффективность минимальна. В частности, как следует из результатов первой части эксперимента, при неэффективном отводе тепла от «горячей» стороны значение напряжения, соответствующее наименьшей температуре «холодной» стороны элемента, может быть существенно ниже номинального. Установка в сборке нескольких элементов, каждый их которых работает при напряжении ниже номинального, может, таким образом, быть оптимальным решением, когда общая потребляемая электрическая мощность ограничена.
Во второй части эксперимента (схемы (б), (в) на Рисунке 1) была качественно исследована эффективность элемента для различных конструкций охлаждающей элемент сборки, состоящей из радиатора и вентилятора. Поскольку из геометрических соображений разместить датчики в непосредственном соприкосновении с поверхностями элемента не представлялось возможным, в данной части эксперимента точность определения температуры на поверхностях элемента существенно ниже. Тем не менее, единство расположения датчиков в обоих случаях обеспечивало качественные результаты для взаимного сравнения.
Для двух схем охлаждения, представленных на Рисунке 1 б, в, нами была измерена температура в радиаторе вблизи горячей поверхности и температура непосредственно под крепежной пластиной вблизи холодной, а также комнатная температура (как и в первой части эксперимента, они обозначены T г , T х и T к ) при напряжении на элементе, равном +10 В. Дополнительно было качественно исследована зависимость температуры «холодной» поверхности элемента от подаваемого напряжения. Для обоих схем (пассивное и активное охлаждение) при повышении напряжения вплоть до значения 10 В наблюдается снижение температуры холодной поверхности (с ростом напряжения в диапазоне по крайней мере 0-10 В теплоотвод увеличивается). Результаты второй части эксперимента представлены в табл. 2.
Эффективность работы элемента Пельтье при различной конструкции охлаждающей сборки.
Величина нагрева
«горячей» стороны,
Величина охлаждения
«холодной» стороны,
Разность температуры в точках измерения