1834. године, француски физичар Јеан Цхарлес Пелтиер, истражујући ефекте електричне енергије на проводнике, открио је врло занимљив ефекат. Ако пролазите струју кроз два различита водича који се налазе у непосредној близини један другог, тада један од тих проводника почиње веома да се загрева, а други, напротив, постаје веома хладан. Количина произведене и апсорбоване топлоте директно зависи од снаге и правца електричне струје. Ако промените смер струје, онда ће хладна и врућа страна променити места. Нешто касније, овај феномен назван је Пелтиер-ов ефект и сигурно је заборављен због тадашње практичне недостатке потражње.
И тек након стотину година, с размаком ере полуводича, појавила се хитна потреба за компактним, јефтиним и ефикасним хладњацима. Тако су се 60-их година 20. века појавили први полуводички термоелектрични модули који су се звали Пелтиер-ови елементи.
Пелтиер термоелемент
Основа било којег термоелектричног модула је чињеница да различити проводници имају различите нивое енергије електрона. Другим речима, један проводник може бити представљен као високоенергетски регион, а други проводник као нискоенергетски регион. Када два проводљива материјала дођу у контакт током проласка електричне струје кроз њих, електрон из нискоенергетског региона мора да пређе у високоенергетски регион.
То се неће десити ако електрон не добије потребну количину енергије. У тренутку апсорпције ове енергије електроном контактна тачка два проводника се хлади. Ако промените смер струје, онда ће доћи до ефекта загревања контактне тачке.
Могу се користити било који проводници, али тај ефекат постаје физички приметљив и значајан само у случају коришћења полуводича. На пример, када су метали у контакту, Пелтиеров ефекат је толико безначајан да је готово невидљив на позадини охмичког загревања.
Уређај модула
Термоелектрични модул (ТЕМ), без обзира на његову величину и место примене, састоји се од различитог броја, такозваних термопарова. Термоелемент је сама цигла од које је израђен било који ТЕМ. Састоји се од два полуводича различитих врста проводљивости. Као што знате, постоје две врсте проводљивости п и н типа. Сходно томе, постоје две врсте полуводича. Ова два различита елемента спојена су у термоелемент помоћу бакреног моста. Као полуводичи, користе се соли метала као што су бизмут, телур, селен или антимон.
ТЕМ - скуп сличних термопарова који се међусобно серијски повезују. Сви термопарови су смештени између две керамичке плоче. Пелтиер плоча. Плоче су направљене од нитрида или глинице. Стварни број термопарова у једном елементу може варирати у врло широком распону, од неколико комада до неколико стотина или хиљада.
Другим речима, Пелтиер-ови елементи могу бити апсолутно било које снаге, од стотина удела до неколико стотина или хиљада вати. Директна струја узастопно пролази кроз све термопарове и као резултат тога се горња керамичка плоча хлади, а доња, напротив, загрева. Ако промените смер струје, онда ће плоче променити места, горња ће почети да се загрева, а доња ће се охладити.
Елемент има једну карактеристику која се активно користи за повећање ефикасности хлађења овог уређаја. Као што је познато, када струја пролази кроз Пелтиер-ов елемент, долази до температурне разлике између површине која се греје и површине која се хлади. Дакле, ако се површина која се активно загрева подвргава се присилном хлађењу. На пример, коришћењем посебног хладњака, то ће довести до још јачег хлађења површине, односно оне која се хлади. У овом случају, разлика у температури са околним ваздухом може достићи неколико десетина степени.
Предности и недостаци
Као и сваки технички уређај, термоелектрични модул има своје предности и недостатке:
Мале величине. И да будем прецизнији, ТЕМ може бити било које величине, од микроскопског до гигантског.- Одсуство покретних елемената у дизајну, због чега је уређај потпуно нечујан у раду.
- Одсуство течних или гасних резервоара у дизајну, што уређај чини крајње једноставним и у уређају и у раду.
- У зависности од правца струје, ТЕМ може бити или расхладни или грејни елемент.
- Главни недостатак ТЕМ-а је његова ниска ефикасност у поређењу са расхладним уређајима типа компресора који раде на фреону.
Проблем повећања ефикасности ТЕМ-а почива на техничкој загонетки која је још увек нерешива. Слободни електрони у ствари имају двоструку природу, што се манифестује у пракси и истовремено су носиоци и електричне струје и топлотне енергије. Као резултат тога, високо ефикасан Пелтиер елемент треба да буде направљен од материјала који истовремено има две међусобно искључиве особине. Овај материјал треба да добро проводи електричну енергију и лоше преноси топлоту. За сада такав материјал не постоји у природи, али научници активно раде у том правцу.
Техничке спецификације
Сви термоелектрични модули имају одговарајуће техничке карактеристике:
Кмак - капацитет хлађења. Израчунава се на основу највеће дозвољене струје и температурне разлике између супротних површина. Вредност се мери у ватима.- ДТмак - максимална температурна разлика између површина елемената. Мерјено у степенима.
- Имак - дозвољена јакост струје, која је неопходна за појаву максималне температурне разлике.
- Умак је максимални дозвољени напон.
- Отпорност је унутрашњи отпор уређаја.
- ЦОП (коефицијент перфоманце) - коефицијент ефикасности. Ово је ефикасност елемента. Приказује однос снаге хлађења и потрошње енергије. За најнапредније моделе овај коефицијент готово достиже 0, 5. У једноставнијим онима не прелази 0, 2-0, 3.
Примена ТЕМ-ова
Упркос озбиљном недостатку који је својствен свим Пелтиер елементима без изузетка, наиме врло ниској ефикасности, ови уређаји се прилично користе у науци и технологији, као иу свакодневном животу.
Термоелектрични модули су важни конструкцијски елементи уређаја као што су:
Мобилни фрижидери. Конкретно, ауто-фрижидере.- Преносиви генератори топлоте. За струју на тешко доступним местима.
- Расхладни системи у савременим рачунарима.
- Аутомобилски клима уређаји.
- Хладњаци за хлађење и грејање воде.
- Одвлаживачи зрака.
- Лабораторијски инкубатори за хлађење.
Пелтиер елемент у рукама домаћег мајстора
Потребно је одмах резервисати, независна производња термоелектричног елемента је барем бесмислена и бескорисна за свакога. Осим ако је произвођач ученик седмог разреда и на тај начин не учврсти знање стечено на часовима физике.
Много је лакше купити нови термоелектрични елемент у одговарајућој продавници. Срећом, јефтини су и нема избора за одређени модел. И осим чињенице да се у њима нема шта покварити или истрошити, ниједан термоелемент преузет са старог рачунара или аутомобилског клима уређаја неће се разликовати у својим техничким карактеристикама од новог.
Најпопуларнији модел термоелемента је ТЕЦ1-12706. Димензије овог уређаја су 40 до 40 милиметара. Састоји се од 127 термопарова који су спојени заједно у серију. Дизајниран је за струју од 5 А, са напоном струје од 12 В. Такав елемент кошта у просеку од 200 до 300 рубаља. Али можете да га пронађете за стотину или, уопште, за то ако га уклоните са старог рачунара или неког другог непотребног уређаја.
Најмање два врло занимљива и корисна уређаја у домаћинству могу се произвести помоћу таквог елемента.
Како сами направити фрижидер
Производња преносних фрижидера, посебно за машине, у потпуности се заснива на Пелтиеровом ефекту. Да бисте направили такав уређај код куће, требат ће вам:
- Термоелемент марке ТЕЦ1-12706. У најближој продавници (специјализованој) кошта 200 рубаља.
- Радијатор и вентилатор. Уклоњени су са старог рачунара који је служио својој сврси.
- Контејнер Свака непотребна посуда од пластике, метала или дрвета. Споља и изнутра, такав контејнер се прелепи пјенама за уштеду топлоте или полистиренским пјенама.
Термоелектрични модул је интегрисан у поклопац спремника. У овом случају, усисавање хладноће ће се вршити одоздо, што ће довести до равномерног хлађења резервоара. Са унутрашњости спремника је на његов поклопац причвршћен радијатор помоћу термалне пасте и причврсних вијка.
Да бисте повећали снагу будућег расхладног уређаја, можете повећати број термопарова, до два или три или више. У овом случају, модули се лепе један за другим, поштујући поларитет. Другим речима, врућа страна доњег елемента је у контакту са хладном страном доњег.
Споља је на поклопцу прикључен још један радијатор, заједно са рачунарским хладњаком. На месту причвршћивања радијатора треба да постоји добра топлотна изолација између хладне - унутрашње и топле - спољне стране. Потребно је пажљиво затегнути горње и доње радијаторе причврсним вијцима како керамичке плоче смештене између термоелемера не пукну.
Електрична енергија је повезана помоћу напајања које се може преузети са старог рачунара .
Преносни термоелектрични генератор
Таква мини-електрана може увелико помоћи туристу или ловцу када батерије свих електронских уређаја буду у шуми. У овој је ситуацији врло романтично узети неколико сухих чипса и конуса, направити малу ватру и користити је за пуњење празних батерија, а истовремено за кухање. Ово омогућава израду преносног термогенератора на термоелементу.
Да бисте направили овај чудотворни уређај, потребна вам је преносна пећ за кампирање која ради на било којој врсти горива. У екстремним случајевима ће то учинити чак и мала свећа или таблета сувог алкохола.
У пећи се прави пожар, а термоелектрични модул је споља спојен помоћу термалне пасте. Кроз жице се повезује на претварач напона.
Јачина добијене струје директно ће зависити од разлике у температури између хладне и вруће стране термоелемента. За ефикасан рад неопходна је разлика између хладне и топле површине од најмање 100 степени.
У овом случају, потребно је разумети да је максимална температура ограничена талиштем лемљења лемљења, са чиме је направљен и сам модул. Због тога се за такве уређаје користе посебни топлотни модули, који се израђују помоћу посебних ватросталних лемова. У конвенционалним модулима тачка лемљења је 150 степени. У ватросталним модулима лемљење се почиње топити на температури од 300 степени.