Элемент Пельтье используется как эффективный термоэлектрический преобразователь. Купить элемент Пельтье и установить его в электронном приборе необходимо, если есть необходимость использовать известный физический эффект изменения температуры тела, по которому протекает ток. Ниже опишем детальнее как используется этот эффект и его применение в полупроводниковой среде. Однако отметим сейчас другое – конструктивная простота и мощность такого устройства зачастую достаточна для реализации эффективных схем охлаждения. При этом в некоторых случаях пластина Пельтье может быть единственным рациональным и эффективным способом охлаждения объекта.
Как правило, элементы Пельтье используются в собранном и отдельно поставляемом виде как детали для ремонта или модернизации работы охлаждающих устройств.
Конструктивно такие элементы состоят из набора:
- две пластины, изолированные друг от друга, изготовленные из керамических материалов;
- термопары, установленные между пластинами-изоляторами;
- отдельно расположенной или встроенной системы контроля напряжения.
Манипуляция током с помощью разных p-n/n-p переходов, которая построена на манипулировании полярности, осуществляется через нагрев или охлаждения отдельных элементов. Разность температур на составляющих блоках элемента Пелетье по сути будет переносом тепла от отдельной части элемента в другую. Существует значительное ограничение в применение этой схемы – наличие небольшой общей мощности и минимальной разницы температур внутри и снаружи устройства. Именно эти характеристики и определяют направление использования элементов Пельтье, где требуется прежде всего технологическая чистота применения и высокая эрнергосберегаемость.
Основное направление использования элементов Пельтье: бытовая техника и промышленность
Особенности конструкции и производительности обусловили и специфическое применение таких элементов охлаждения. Модули Пельтье используются там, где необходимо минимальное вмешательство в другие технические процессы или где необходимо минимальное потребление энергии:
- в устройствах для охлаждения образцов для лабораторных исследований перед их применением или во время работы с ними для поддержания температуры;
- в холодильниках компактной конструкции, используемых для автотранспорта;
- для тележек, где требуется поддержка температуры во время проведения банкета, приема, подачи на стол блюд с заданной температурой.
В основном для охлаждения в бытовом сегменте, такие системы используются в том случае, если применять полноценный компрессорно-охладительный контур нет смысла. Элементы Пельтье обеспечивают компактность и минимум поглощения ресурсов.
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕМЕНТ ПЕЛЬТЬЕ И КАК ЕГО ИСПОЛЬЗОВАТЬ
Использование элемента Пельтье в быту
Мухаметшин, Д. И. Использование элемента Пельтье в быту / Д. И. Мухаметшин, Д. О. Лузгин. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2023. — № 5 (68). — С. 136-137. — URL: https://moluch.ru/young/archive/68/3724/ (дата обращения: 06.02.2024).
Исследованы известные примеры использования элемента Пельтье в быту. Предложены предположительно новые примеры использования элемента Пельтье, оценена целесообразность, возможная эффективность и польза предложенных примеров.
Ключевые слова: элемент Пельтье, альтернативные источники энергии, использование альтернативных источников энергии в быту.
Что такое элемент Пельтье? Краткое объяснение принципа работы. Достоинства и недостатки
Элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.Простыми словами, элемент Пельтье может применяться для охлаждения либо для нагревания чего-либо.
Из преимуществ использования элемента Пельтье можно выделить:
— Низкая цена. Один термоэлектрический охладитель Пельтье можно купить за 100–200 рублей
— Отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей
— Возможность как нагревания, так и охлаждения чего-либо
— Безопасность
Однако у элемента Пельтье есть один существенный недостаток: низкий коэффициент полезного действия относительно многих других источников энергии. Это ведёт к большой потребляемой мощности при достижении заметной разницы температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C. Возможно, с развитием науки удастся достичь высокого КПД при применении элемента Пельтье.
Примеры использования элемента Пельтье в быту
— Холодильник на элементах Пельтье. Самый главный недостаток заключается в том, что такой холодильник будет значительно уступать по производительности другим видам холодильников. С другой стороны, у такого холодильника есть множество плюсов, в числе которых: устойчивость к вибрации; низкий уровень шума; небольшие габариты; мобильность; длительный срок службы; небольшое потребление энергии. Можно сделать вывод, что такой холодильник — идеальный вариант, когда нужно хранить небольшой объем пищи, а при необходимости такую установку легко перенести в другое место.
— Элемент Пельтье как генератор электроэнергии. Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. КПД таких устройств невысок, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Термогенераторы на 5–10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т. д.
— Для охлаждения процессора. Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Однако целесообразность использования этих элементов очень сомнительна. Из-за низкого КПД термоэлементов нужен будет очень мощный блок питания.
— Кондиционер на элементах Пельтье. Такой кондиционер целесообразно использовать в совсем маленьких помещениях из-за низкого КПД.
— Осушитель воздуха. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель. Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.
Изучив данные примеры, можно понять, что главными достоинствами элемента Пельтье являются низкая цена, компактность и мобильность. Главный недостаток — низкий КПД. Однако в быту нам часто не сильно важен КПД устройства, поэтому элемент Пельтье нашел своё применение.
Предположительно новые примеры использования элемента Пельтье и оценка их эффективности
- Фен на элементах Пельтье. Вместо обычного электронагревателя в фене можно использовать элемент Пельтье. Прохождение воздуха через нагревающуюся часть элемента будет соответствовать теплому режиму работы, а через охлаждающуюся — прохладному. Такой фен будет стоить значительно дешевле, однако и разность температур будет меньше, поэтому он подойдёт не всем. Однако где-то его применение будет целесообразно.
- Утюг. Элемент Пельтье также можно использовать в утюге. Однако понадобится довольно много элементов, чтобы добиться нужной температуры, поэтому целесообразность такого применения сомнительна.
- Термоэлектрические системы отопления. Такие системы будут использовать тепло, выделяемое при сгорании газа или топлива, для производства электроэнергии и обогрева помещения. Они могут быть полезны в удаленных районах или при аварийных ситуациях.
Представлены новые и изучены известные примеры использования элемента Пельтье в быту. Элемент Пельтье является очень неплохим альтернативным источником энергии с большим количеством плюсов и единственным минусом: относительно низким КПД. Элемент Пельтье нашел и продолжает находить своё применение в быту.
- Элемент Пельтье. — Текст: электронный // Википедия: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье (дата обращения: 09.04.2023).
- Что такое элемент Пельтье, его устройство, принцип работы и практическое применение. — Текст: электронный // ASUTPP: [сайт]. — URL: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html (дата обращения: 09.04.2023).
Ключевые слова
альтернативные источники энергии, элемент Пельтье, использование альтернативных источников энергии в быту
элемент Пельтье, альтернативные источники энергии, использование альтернативных источников энергии в быту
- Как издать спецвыпуск?
- Правила оформления статей
- Оплата и скидки
Устройство и принцип работы
Современные модули представляет собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами. С упрощенной схемой такого элемента можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.
Обозначения:
- А – контакты для подключения к источнику питания;
- B – горячая поверхность элемента;
- С – холодная сторона;
- D – медные проводники;
- E – полупроводник на основе р-перехода;
- F – полупроводник n-типа.
Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются (см. рис.3). Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.
Технические характеристики
Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:
- холодопроизводительностью (Qmax), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
- максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DTmax), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения — градусы;
- допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – Imax;
- максимальным напряжением Umax, необходимым для тока Imax, чтобы достигнуть пиковой разницы DTmax;
- внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
- коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского — coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.
Где купить элемент Пельтье
На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.
На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!
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.
Коротко о главном
Модуль Пельтье – это соединенные в одной плоскости полупроводниковые пары, при пропускании через которые электротока, одна сторона нагревается, другая охлаждается. Эффект был открыт в 19-ом веке, сегодня активно применяется в качестве охладителей различных устройств.
В отличие от стандартного холодильника, такие модули не нуждаются во фреоне и оборудовании для его циркуляции, не шумят, имеют простое устройство и легко обслуживаются. При выборе модели нужно учесть характеристики и правильно расшифровать маркировку.
Преимущества Пельтье-элементов выражаются в малых размерах, простоте, отсутствии движущихся частей, оптимальной стоимости, универсальности поверхностей, бесшумности. Недостатки выражаются в ограниченности отведения тепла, низком КПД и необходимости обустройства дополнительного теплоотвода.
Наиболее широкое применение плата нашла в следующих проектах:
- Мобильные холодильники.
- Генераторы тока.
- Охладители компьютеров.
- Кондиционеры.
- Водяные кулеры.
- Воздушные осушители.
Подключить готовое устройство нужно в соответствии с инструкцией, предварительно проверив его на работоспособность.
Напишите в комментариях, для каких целей вы бы стали применять модуль Пельтье?
Элемент пельтье что это такое
- На главную
- О компании
- Руководство компании
- Политика качества
- Выставки
- Сертификаты
- Историческая справка
- Преимущества и область применения
- Термоэлектрические модули
- Термоэлектрические сборки
- Генераторные модули
- Термоэлектрические генераторы
- Инструкция по установке ТЭМ
- Программа Криотерм
- Рекламация о неисправности
- Перечень испытаний
- Результаты испытаний
- Историческая справка
- Преимущества и область применения
Устройство термоэлектрического модуля (элемента Пельтье)
В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока через цепь из различных проводников, место соединения проводников охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока. Количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через проводники.
В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном элементе Пельтье термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах — от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности — от десятых долей до сотен ватт.
При прохождении через элемент Пельтье постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны элемента Пельтье меняются местами.
Современные однокаскадные термоэлектрические охладители (Элементы Пельтье) позволяют получить разность температур до 74–76 К. Для получения более низких температур применяются многокаскадные модули, представляющие собой несколько однокаскадных модулей с последовательным тепловым соединением между собой. Например, серийно производимые фирмой Криотерм четырехкаскадные термоэлектрические элементы Пельтье позволяют развить разность температур до 140 К.
