1834. francuski fizičar Jean Charles Peltier, istražujući učinke električne energije na vodiče, otkrio je vrlo zanimljiv učinak. Ako prolazite struju kroz dva različita vodiča smještena u neposrednoj blizini jedan drugoga, tada se jedan od tih vodiča počinje jako zagrijavati, a drugi, naprotiv, postaje vrlo hladan. Količina proizvedene i apsorbirane topline izravno ovisi o jačini i smjeru električne struje. Ako promijenite smjer struje, tada će hladna i vruća strana promijeniti mjesta. Nešto kasnije, ovaj fenomen nazvan je Peltierov efekt i sigurno je zaboravljen zbog tadašnjeg praktičnog nedostatka potražnje.
I tek nakon stotinu godina, s procvatom doba poluvodiča, pojavila se hitna potreba za kompaktnim, jeftinim i učinkovitim hladnjacima. Tako su se 60-ih godina 20. stoljeća pojavili prvi poluvodički termoelektrični moduli koji su se nazivali Peltierovi elementi.
Peltier termoelement
Temelj bilo kojeg termoelektričnog modula je činjenica da različiti vodiči imaju različitu razinu energije elektrona. Drugim riječima, jedan vodič se može predstaviti kao visokoenergetsko područje, a drugi vodič kao područje niske energije. Kad dva vodljiva materijala dođu u kontakt tijekom prolaska električne struje kroz njih, jedan elektron iz niskoenergijskog područja mora prijeći u visokoenergetsko područje.
To se neće dogoditi ako elektron ne stekne potrebnu količinu energije. U trenutku kada energija apsorbira ovu energiju, dodirna se točka dva vodiča hladi. Ako promijenite smjer struje, doći će, naprotiv, učinak zagrijavanja kontaktne točke.
Mogu se koristiti bilo koji vodiči, ali taj učinak postaje fizički vidljiv i značajan samo u slučaju korištenja poluvodiča. Na primjer, kada su metali u kontaktu, Peltierov efekt je toliko beznačajan da je gotovo nevidljiv na pozadini ohmičkog grijanja.
Uređaj modula
Termoelektrični modul (TEM), bez obzira na veličinu i mjesto primjene, sastoji se od različitog broja, takozvanih termoparova. Termoelement je ona sama opeka od koje je izrađen bilo koji TEM. Sastoji se od dva poluvodiča različitih vrsta vodljivosti. Kao što znate, postoje dvije vrste vodljivosti p i n vrsta. U skladu s tim, postoje dvije vrste poluvodiča. Ova dva različita elementa spojena su u termoelement pomoću bakrenog mosta. Kao poluvodiči koriste se soli metala poput bizmuta, telura, selena ili antimona.
TEM - skup sličnih termoparova koji se međusobno serijski povezuju. Svi termoparovi nalaze se između dvije keramičke ploče. Peltier ploča. Ploče su izrađene od nitrida ili glinice. Stvarni broj termoelemenata u jednom elementu može varirati u vrlo širokom rasponu, od nekoliko komada do nekoliko stotina ili tisuća.
Drugim riječima, Peltier-ovi elementi mogu biti apsolutno svake snage, od stotina frakcije do nekoliko stotina ili tisuća vata. Izravna struja prolazi sukcesivno kroz sve termoparove i kao rezultat toga se gornja keramička ploča hladi, a donja se, naprotiv, zagrijava. Ako promijenite smjer struje, tada će ploče mijenjati mjesta, gornja će se početi zagrijavati, a donja će se ohladiti.
Element ima jednu značajku koja se aktivno koristi za povećanje učinkovitosti hlađenja ovog uređaja. Kao što je poznato, kad struja prolazi kroz Peltierov element, dolazi do temperaturne razlike između površine koja se zagrijava i površine koja se hladi. Dakle, ako se površina koja se aktivno zagrijava podvrgava se prisilnom hlađenju. Primjerice, korištenjem posebnog hladnjaka to će dovesti do još jačeg hlađenja površine, odnosno one koja se hladi. U ovom slučaju, temperaturna razlika s okolnim zrakom može doseći nekoliko desetaka stupnjeva.
Prednosti i nedostaci
Kao i svaki tehnički uređaj, termoelektrični modul ima svoje prednosti i nedostatke:
Male veličine. I da budemo precizniji, TEM može biti bilo koje veličine, od mikroskopskog do gigantskog.- Odsutnost pokretnih elemenata u dizajnu, zbog čega je uređaj potpuno nečujan u radu.
- Nepostojanje tekućih ili plinskih punila u dizajnu, što uređaj čini krajnje jednostavnim i u uređaju i u radu.
- Ovisno o smjeru struje, TEM može biti ili rashladni ili grijaći element.
- Glavni nedostatak TEM-a je njegova niska učinkovitost u odnosu na rashladne jedinice kompresora koji rade na freonu.
Problem povećanja učinkovitosti TEM-a počiva na tehničkoj zagonetki koja je još uvijek nerazrješiva. Slobodni elektroni imaju, ustvari, dvostruku prirodu, što se očituje u praksi i oni su istovremeno nositelji i električne struje i toplinske energije. Kao rezultat toga, visoko učinkovit Peltier element trebao bi biti izrađen od materijala koji istovremeno ima dva međusobno isključiva svojstva. Ovaj materijal treba dobro provesti struju i loše provoditi toplinu. Za sada takav materijal ne postoji u prirodi, ali znanstvenici aktivno rade u tom smjeru.
Tehničke specifikacije
Svi termoelektrični moduli imaju odgovarajuće tehničke karakteristike:
Qmax - kapacitet hlađenja. Izračunava se na temelju najveće dopuštene struje i temperaturne razlike između suprotnih površina. Vrijednost se mjeri u vatima.- DTmax - maksimalna temperaturna razlika između površina elemenata. Mjeri se u stupnjevima.
- Imax - dopuštena jakost struje, koja je potrebna za pojavu maksimalne temperaturne razlike.
- Umax je najveći dozvoljeni napon.
- Otpornost je unutarnji otpor uređaja.
- COP (koeficijent perfomance) - koeficijent učinkovitosti. Ovo je učinkovitost elementa. Prikazuje omjer snage hlađenja i potrošnje energije. Kod najnaprednijih modela ovaj koeficijent gotovo doseže 0, 5. Kod jednostavnijih ne prelazi 0, 2-0, 3.
Primjena TEM-ova
Unatoč ozbiljnom nedostatku koji je svojstven svim Peltier elementima bez iznimke, naime vrlo maloj učinkovitosti, ovi uređaji se prilično koriste u znanosti i tehnologiji, ali i u svakodnevnom životu.
Termoelektrični moduli važni su strukturni elementi uređaja kao što su:
Mobilni hladnjaci. Konkretno, auto-hladnjake.- Prijenosni generatori topline. Za struju na teško dostupnim mjestima.
- Rashladni sustavi u modernim računalima.
- Automobilski klima uređaji.
- Hladnjaci za hlađenje i grijanje vode.
- Odvlaživači.
- Laboratorijski inkubatori za hlađenje.
Peltier element u rukama domaćeg majstora
Potrebno je odmah izvršiti rezervaciju, neovisna izrada termoelektričnog elementa svima je barem besmislena i beskorisna. Osim ako je proizvođač učenik sedmog razreda i na taj način ne učvrsti znanje stečeno na satovima fizike.
Mnogo je lakše kupiti novi termoelektrični element u odgovarajućoj trgovini. Srećom, oni su jeftini i nema nedostatka određenog modela. A osim činjenice da se u njima nema što razbiti ili istrošiti, bilo koji termoelement preuzet sa starog računala ili automobilskog klima uređaja neće se razlikovati u svojim tehničkim karakteristikama od novog.
Najpopularniji model termoelementa je TEC1-12706. Dimenzije ovog uređaja su 40 do 40 milimetara. Sastoji se od 127 termoelemenata međusobno povezanih u nizu. Dizajniran je za struju od 5 A, s naponom kruga od 12 V. Takav element košta u prosjeku od 200 do 300 rubalja. Ali možete ga pronaći za stotinu, ili općenito, ako ga uklonite sa starog računala ili nekog drugog nepotrebnog uređaja.
Najmanje dva vrlo zanimljiva i korisna uređaja u kućanstvu mogu se izraditi korištenjem takvog elementa.
Kako sami napraviti hladnjak
Proizvodnja prijenosnih hladnjaka, posebno za strojeve, u potpunosti se temelji na Peltierovom efektu. Da biste napravili takav uređaj kod kuće, trebat će vam:
- Termoelement marke TEC1-12706. U najbližoj trgovini (specijaliziranoj) košta 200 rubalja.
- Radijator i ventilator. Uklonjeni su sa starog računala koje je poslužilo svojoj svrsi.
- Kontejnera. Svaka nepotrebna posuda izrađena od plastike, metala ili drveta. Izvana i iznutra takav se spremnik zalijepi pjenama za uštedu topline ili polistirenskim pjenama.
Termoelektrični modul ugrađen je u poklopac spremnika. U tom će se slučaju unos hladnoće dogoditi od vrha do dna, što će dovesti do ravnomjernog hlađenja spremnika. S unutarnje strane spremnika pričvršćen je radijator na njegov poklopac pomoću termalne paste i pričvrsnih vijka.
Da biste povećali snagu budućeg rashladnog uređaja, možete povećati broj termoelemenata, do dva ili tri ili više. U ovom slučaju, moduli se međusobno prianjaju, promatrajući polaritet. Drugim riječima, vruća strana donjeg elementa je u kontaktu s hladnom stranom donjeg.
Izvana je na poklopac pričvršćen još jedan radijator, zajedno s hladnjakom računala. Na mjestu pričvršćivanja radijatora treba postojati dobra toplinska izolacija između hladne - unutarnje i vruće - vanjske strane. Potrebno je vrlo pažljivo zategnuti gornje i donje radijatore pričvrsnim vijcima kako keramičke ploče smještene između termoelemenata ne puknu.
Električna energija je povezana s napajanjem koje se može preuzeti sa starog računala .
Prijenosni termoelektrični generator
Takva mini-centrala može uvelike pomoći turistu ili lovcu kada baterije svih elektroničkih naprava sjede u šumi. Vrlo je romantično u ovoj situaciji uzeti nekoliko suhih čipsa i konusa, napraviti malu vatru i koristiti je za punjenje ispražnjenih baterija, a ujedno je i kuhati. To omogućuje izradu prijenosnog termogeneratora na termoelementu.
Da biste napravili ovaj čudotvorni uređaj, potrebna vam je prijenosna peć za kampiranje koja radi na bilo kojoj vrsti goriva. U ekstremnim će slučajevima učiniti čak i mala svijeća ili tableta suhog alkohola.
U peći se stvara vatra, a termoelektrični modul na njega je spojen izvana uz pomoć toplinske paste. Kroz žice se spaja na pretvarač napona.
Jačina dobivene struje izravno će ovisiti o temperaturnoj razlici između hladne i vruće strane termoelementa. Za učinkovit rad nužna je razlika između hladne i vruće površine od najmanje 100 stupnjeva.
U tom je slučaju potrebno razumjeti da je maksimalna temperatura ograničena talištem lemljenja, s čime je izrađen i sam modul. Stoga se za takve uređaje koriste posebni toplinski moduli, koji se izrađuju pomoću posebnog vatrostalnog lemljenja. U konvencionalnim modulima talište lemljenja je 150 stupnjeva. U vatrostalnim modulima lemljenje se počinje topiti na temperaturi od 300 stupnjeva.