През 1834 г. френски физик Жан Чарлз Пелтие, изследващ ефекта на електричеството върху проводниците, открива много интересен ефект. Ако прекарате ток през два различни проводника, разположени в непосредствена близост един до друг, тогава един от тези проводници започва да се нагрява много, а вторият, напротив, става много студен. Количеството топлина, генерирана и погълната директно зависи от силата и посоката на електрическия ток. Ако промените посоката на тока, тогава студените и горещи страни ще променят местата. Малко по-късно това явление се нарича ефект на Пелтие и е безопасно забравено поради практическата липса на търсене по това време.
И само след сто и повече години, с разцвета на полупроводниковата ера, имаше спешна нужда от компактни, евтини и ефективни охладители. Така през 60-те години на 20 век се появяват първите полупроводникови термоелектрически модули, които се наричат елементи на Пелтие.
Термодвойка Peltier
Основата на всеки термоелектрически модул е фактът, че различните проводници имат различни нива на електронна енергия. С други думи, един проводник може да бъде представен като високоенергиен регион, вторият проводник като нискоенергиен регион. Когато два проводящи материала влязат в контакт по време на преминаването на електрически ток през тях, електрон от нискоенергийния регион трябва да премине във високоенергийния регион.
Това няма да се случи, ако електронът не придобие необходимото количество енергия. В момента на поглъщане на тази енергия от електрон, контактната точка на два проводника се охлажда. Ако промените посоката на текущия поток, напротив, ще има ефект на загряване на контактната точка.
Могат да се използват всякакви проводници, но този ефект става физически забележим и значителен само в случай на използване на полупроводници. Например, когато металите са в контакт, ефектът на Пелтие е толкова незначителен, че е почти невидим на фона на омичното нагряване.
Модулно устройство
Термоелектрическият модул (ТЕМ), независимо от неговия размер и място на приложение, се състои от различен брой, така наречените термодвойки. Термодвойката е самата тухла, от която е изградена всяка TEM. Състои се от два полупроводника с различен тип проводимост. Както знаете, има два типа проводимост p и n видове. Съответно има два вида полупроводници. Тези два различни елемента са свързани в термодвойка с помощта на меден мост. Като полупроводници се използват соли на метали като бисмут, телур, селен или антимон.
TEM - набор от подобни термодвойки, свързани помежду си последователно. Всички термодвойки са разположени между две керамични плочи. Пелтиева плоча. Плочите са изработени от нитрид или алуминий. Реалният брой термодвойки в един елемент може да варира в много широк диапазон, от няколко парчета до няколкостотин или хиляди.
С други думи, елементите на Peltier могат да бъдат с абсолютно всяка мощност, от стотни части на част, до няколкостотин или хиляди вата. Директен ток преминава последователно през всички термодвойки и в резултат горната керамична плоча се охлажда, а долната, напротив, се загрява. Ако промените посоката на тока, тогава плочите ще променят местата, горната ще започне да се нагрява, а долната ще се охлади.
Елементът има една функция, която се използва активно за повишаване на ефективността на охлаждане на това устройство. Както е известно, когато ток преминава през елемент на Peltier, възниква разлика в температурата между повърхността, която се нагрява и повърхността се охлажда. Така че, ако повърхността, която се нагрява активно, е подложена на принудително охлаждане. Например, използвайки специален охладител, това ще доведе до още по-силно охлаждане на повърхността, тоест тази, която се охлажда. В този случай температурната разлика с околния въздух може да достигне няколко десетки градуса.
Предимства и недостатъци
Както всяко техническо устройство, термоелектрическият модул има своите предимства и недостатъци:
Малките размери. И за да бъдем по-точни, ТЕМ може да бъде от всякакъв размер, от микроскопичен до гигантски.- Отсъствието на движещи се елементи в дизайна, което прави устройството напълно безшумно при работа.
- Липсата на течни или газови пълнители в дизайна, което прави устройството изключително просто както в устройството, така и в експлоатация.
- В зависимост от посоката на тока, ТЕМ може да бъде или охлаждащ елемент, или нагревателен елемент.
- Основният недостатък на TEM е ниската му ефективност в сравнение с хладилни агрегати от компресорния тип, работещи на фреон.
Проблемът с повишаването на ефективността на ТЕМ се опира на технически пъзел, който все още е неразрешим. Свободните електрони всъщност имат двойствена природа, което се проявява на практика и те са едновременно носители както на електрически ток, така и на топлинна енергия. В резултат на това високоефективният елемент на Peltier трябва да бъде направен от материал, който има две взаимно изключващи се свойства едновременно. Този материал трябва да води електричество добре и да води топлина лошо. Засега такъв материал не съществува в природата, но учените активно работят в тази посока.
Технически спецификации
Всички термоелектрически модули имат съответните технически характеристики:
Qmax - капацитет за охлаждане. Изчислява се въз основа на максимално допустимия ток и температурната разлика между противоположните повърхности. Стойността се измерва във ватове.- DTmax - максимална разлика в температурата между повърхностите на елементите. Измерва се в градуси.
- Imax - допустима сила на тока, която е необходима за възникване на максималната разлика в температурата.
- Umax е максимално допустимото напрежение.
- Устойчивостта е вътрешната устойчивост на устройството.
- COP (коефициент на производителност) - коефициент на ефективност. Това е ефективността на елемента. Показва съотношението мощност на охлаждане и консумация на енергия. За най-модерните модели този коефициент почти достига 0, 5. В по-прости от тях не надвишава 0, 2-0, 3.
Прилагане на ТЕМ
Въпреки сериозния недостатък, присъщ на всички елементи на Peltier без изключение, а именно много ниската ефективност, тези устройства са доста широко използвани както в науката и технологиите, така и в ежедневието.
Термоелектрическите модули са важни структурни елементи на устройства като:
Мобилни хладилници По-специално, автохладилниците.- Преносими топлинни генератори. За електричество на трудно достъпни места.
- Охлаждащи системи в съвременните компютри.
- Автомобилни климатици.
- Охладители както за охлаждане, така и за отопление на водата.
- изсушители.
- Лабораторни инкубатори за охлаждане.
Елемент на Пелтие в ръцете на домашен майстор
Необходимо е да направите резервация веднага, независимото производство на термоелектрически елемент е поне безсмислено и безполезно за никого. Освен ако производителят не е ученик в седми клас и по този начин консолидира знанията, придобити в часовете по физика.
Много по-лесно е да купите нов термоелектричен елемент в подходящия магазин. За щастие те са евтини и няма недостиг на избора на конкретен модел. И освен факта, че в тях няма какво да се счупи или износва, всяка термодвойка, взета от стар компютър или автомобилен климатик, няма да се различава по техническите си характеристики от новата.
Най-популярният модел термодвойка е TEC1-12706. Размерите на това устройство са 40 на 40 милиметра. Състои се от 127 термодвойки, свързани заедно в серия. Той е проектиран за ток от 5 A, с напрежение на веригата 12 V. Такъв елемент струва средно от 200 до 300 рубли. Но можете да го намерите за сто или като цяло за него, ако го премахнете от стар компютър или друго ненужно устройство.
Най-малко две много интересни и полезни устройства в домакинството могат да бъдат произведени с помощта на такъв елемент.
Как сами да си направите хладилник
Производството на преносими хладилници, по-специално за машини, се основава изцяло на ефекта на Peltier. За да направите такова устройство у дома, ще трябва:
- Термодвойка на марката TEC1-12706 Това струва 200 рубли в най-близкия магазин (специализиран).
- Радиатор и вентилатор. Те са извадени от стария компютър, който е изпълнил своето предназначение.
- Контейнер. Всеки ненужен контейнер, изработен от пластмаса, метал или дърво. Отвън и отвътре такъв контейнер се залепва с плочи за пестене на пещ или пенополистирол.
Термоелектрическият модул е интегриран в капака на контейнера. В този случай приемът на студ ще се случи отгоре надолу, което ще доведе до равномерно охлаждане на резервоара. От вътрешната страна на контейнера към капака му е прикрепен радиатор с помощта на термопаст и монтажни болтове.
За да увеличите мощността на бъдещото хладилно устройство, можете да увеличите броя на термодвойките, до две или три или повече. В този случай модулите се прилепват един към друг, спазвайки полярността. С други думи, горещата страна на основния елемент е в контакт със студената страна на горния.
Отвън, друг радиатор е прикрепен към капака заедно с компютърен охладител. На мястото на закрепване на радиаторите трябва да има добра топлоизолация между студената - вътрешна и гореща - външна страна. Необходимо е много внимателно да затегнете горните и долните радиатори с фиксиращи болтове, така че керамичните плочи, разположени между термодвойките, да не се напукат.
Електричеството е свързано чрез захранване, което може да се вземе от стар компютър .
Преносим термоелектричен генератор
Такава мини електроцентрала може много да помогне на турист или ловец, когато батериите на всички електронни джаджи седят в гората. В тази ситуация е много романтично да вземете няколко сухи чипа и шишарки, да направите малък огън и да го използвате за зареждане на разредени батерии и в същото време за готвене. Това прави възможно да се направи преносим термогенератор, изграден върху термодвойка.
За да изградите това чудо-устройство, се нуждаете от преносима печка за къмпинг, която работи на всякакъв вид гориво. В крайни случаи дори малка свещ или таблетка сух алкохол ще ви свърши работа.
В печката се прави пожар, а термоелектрическият модул е прикрепен към нея отвън с помощта на термопаста. Чрез проводници той се свързва към преобразувател на напрежение.
Големината на получения ток ще зависи пряко от температурната разлика между студената и горещата страна на термодвойката. За ефективна работа е необходима разлика между студена и гореща повърхност от поне 100 градуса.
В този случай е необходимо да се разбере, че максималната температура е ограничена от точката на топене на спойката, с която е направен самият модул. Следователно, за такива устройства се използват специални термични модули, които са направени с помощта на специална огнеупорна спойка. В конвенционалните модули точката на топене на спойка е 150 градуса. В огнеупорни модули запойът започва да се топи при температура 300 градуса.