Hladilna oprema in sistemi za hlajenje zraka so bistveni elementi vsakdanjega življenja. Vendar pa standardne volumetrične zasnove, ki temeljijo na hladilnem sredstvu, niso primerne za mobilne aplikacije, kot so hladilne torbe. V takih primerih se uporabljajo naprave, ki temeljijo na delovanju Peltierjevega učinka, o čemer bomo podrobneje razpravljali v tem gradivu.
Peltierjev element oziroma termoelektrični hladilnik temelji na termočlenu dveh elementov s p- in n-tipom prevodnosti, ki sta povezana s povezovalno bakreno ploščo. Detajli so v večini primerov izdelani iz bizmuta, telurja, antimona in selena. Takšne naprave se uporabljajo v domačih hladilnih sistemih, imajo tudi možnost ustvarjanja energije.
Vsebina
Kaj je
Fenomen in izraz Peltier nakazujeta na odkritje leta 1834 francoskega znanstvenika Jean-Charlesa Peltierja.Bistvo odkritja je, da se toplota nenehno sprošča oziroma absorbira na območju, kjer je stik med dvema različno usmerjenima prevodnikoma, skozi katera teče električni tok.
Klasična teorija razlaga ta pojav na naslednji način: s pomočjo električnega toka se med kovinami prenašajo elektroni, ki se pospešujejo ali upočasnjujejo, odvisno od kontaktne potencialne razlike na kovinskih vodnikih z različnimi stopnjami prevodnosti. Peltierjevi elementi tako prispevajo k pretvorbi kinetične energije v toploto.
Na drugem prevodniku se pojavi nasprotni učinek, kjer je na podlagi temeljnega zakona fizike potrebno dopolnjevanje energije. Ta situacija nastane zaradi procesa toplotnega nihanja, zaradi katerega se kovina drugega prevodnika ohladi.
S pomočjo sodobnih tehnologij je mogoče izdelati Peltierjev modul z največjim termoelektričnim učinkom.
Naprava in načelo delovanja
Sodobni Peltierjevi moduli so zasnova, v kateri sta dve izolacijski plošči, termoelementi pa so med njimi povezani v strogem zaporedju. Standardna shema tega elementa za boljše razumevanje njegovega delovanja je prikazana na sliki.
Oznake konstrukcijskih elementov:
- A - kontakti, s pomočjo katerih se izvede povezava z virom napajanja;
- B - vroča površina;
- C - hladna stran;
- D - bakreni vodniki;
- E je polprevodnik s p-stičem;
- F je polprevodnik n-tipa.
Element je narejen tako, da sta obe površini v stiku s p-n ali n-p stičišči glede na polarnost. Kontakti p-n se segrejejo, temperatura n-p pa se zmanjša.Posledično se na koncih elementa pojavi temperaturna razlika DT. Ta učinek pomeni, da toplotna energija, ki se giblje med elementi modula, uravnava temperaturni režim glede na polarnost. Upoštevati je treba tudi, da se v primeru spremembe polarnosti spremenita vroča in hladna površina.
Specifikacije
Tehnični parametri Peltierjevega elementa imajo naslednje vrednosti:
- hladilna zmogljivost (Qmax) - izračunana na podlagi trenutne omejitve in temperaturne razlike med konci modula. Merska enota - Watt;
- mejna temperaturna razlika (DTmax) - merjeno v stopinjah, ta značilnost je podana za optimalne pogoje;
- Imax je največji električni tok, potreben za zagotovitev večje temperaturne razlike;
- mejna napetost Umax, ki je potrebna, da električni tok Imax doseže največjo temperaturno razliko DTmax;
- Upornost - notranja upornost naprave, merjena v Ohmih;
- COP je koeficient učinkovitosti oziroma učinkovitosti Peltierjevega modula, ki odraža razmerje med hlajenjem in porabo energije. Glede na značilnosti naprave je za poceni naprave indikator v območju 0,3-0,35, pri dražjih modelih se giblje do 0,5.
Prednosti mobilnega Peltierjevega elementa so majhne dimenzije, reverzibilnost procesa, pa tudi možnost uporabe kot prenosni električni generator ali hladilnik.
Pomanjkljivosti modula so visoki stroški, nizka učinkovitost znotraj 3%, visoki stroški energije in potreba po stalnem vzdrževanju temperaturne razlike.
Aplikacija
Tudi ob upoštevanju nizkega koeficienta učinkovitosti se plošče v modulu Peltier pogosto uporabljajo v merilnih, računalniških napravah, pa tudi v prenosnih gospodinjskih aparatih. Tukaj je seznam naprav, katerih sestavni del so modeli:
- Prenosne hladilne naprave;
- majhni generatorji električne energije;
- hladilni kompleksi v osebnih in prenosnih računalnikih;
- Hladilniki za ogrevanje in hlajenje pitne vode;
- sušilniki zraka.
Kako se povezati
Modul Peltier lahko povežete sami, ne zahteva veliko časa in truda. Izhodni kontakti morajo biti napajani s konstantno napetostjo, ki je navedena v navodilih za uporabo naprave. Rdeča žica je priključena na plus, črna pa na minus. Upoštevajte, da se pri obrnjeni polarnosti ogrevane in ohlajene površine zamenjata.
Pred priključitvijo je priporočljivo preveriti delovanje elementa. Eden od preprostih in zanesljivih načinov za preverjanje naprave je taktilna metoda: za to morate napravo priključiti na vir električnega toka in se dotakniti različnih kontaktov. V normalno delujoči napravi bodo nekateri kontakti topli, drugi pa hladni.
Preverite lahko tudi z multimetrom in vžigalnikom. Če želite to narediti, morate sonde priključiti na kontakte naprave, pripeljati vžigalnik na eno stran in opazovati odčitke multimetra. Če Peltierjev element deluje v standardnem načinu, bo med postopkom ogrevanja na eni strani nastal električni tok, podatki o napetosti pa bodo prikazani na zaslonu multimetra.
Kako narediti peltier element, ki ga naredite sami
Peltierjev element je nepraktičen za izdelavo doma zaradi nizkih stroškov in potrebe po posebnem znanju za ustvarjanje delovnega elementa. Vendar pa lahko z lastnimi rokami sestavite učinkovit mobilni termoelektrični generator, ki vam bo prišel prav na podeželju ali na kampiranju.
Da bi stabilizirali električno napetost, boste morali sami sestaviti standardni pretvornik na čipu L6920 IC. Na vhod naprave je treba uporabiti napetost 0,8-5,5 V, na izhodu pa bo proizvedla 5 V, ta vrednost je dovolj za polnjenje baterije mobilnih naprav v standardnem načinu. Če se uporablja standardna elektronska naprava Peltier, bo treba temperaturno mejo ogrevane površine omejiti na 150 stopinj. Za lažji nadzor temperature je priporočljivo uporabiti kotliček z vrelo vodo, potem se model ne bo segrel nad 100 stopinj.
Peltierjeve plošče se pogosto uporabljajo za hlajenje sodobnih gospodinjskih aparatov, v klimatskih napravah je dokazana učinkovitost naprave, zlasti za stabilizacijo toplotnega režima in hlajenje zmogljivega procesorja. Na podlagi Peltierjevega elementa so učinkoviti mobilni hladilniki pogosto izdelani doma za poletne koče ali avtomobile, ki napajajo radiator. Zaradi reverzibilnosti procesa se samoizdelani elementi uporabljajo kot mobilne male elektrarne na območjih brez vira električne energije.
Podobni članki:
