Модуль пельтье как генератор электрической энергии? - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Модуль пельтье как генератор электрической энергии?

Эксперимент по постройке термоэлектрического генератора на основе элементов Пельтье

Здравствуйте, меня зовут Данил, и я параноик. Паранойя моя заключается в том, что я убежден в неминуемом приходе Большого Песца. В каком обличье этот самый песец придет, не важно – если останемся в живых, то, скорее всего, придется начинать жить с нуля. А жить гораздо веселее, когда у тебя есть, от чего зарядить аккумуляторы в фонарике и дозиметре. Тех, кто считает так же (а также и всех любопытствующих), прошу под кат (осторожно, тяжелые фотки).

Исследовательская часть

Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества.

Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.

Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.

Обмозговав эти доводы, я приуныл. Но вскоре случайно наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, исключительно ссылка на исходный материал). Я просидел на нем безвылазно двое суток, и в процессе наткнулся на прелюбопытную статью про печку-щепочницу из корпуса от компьютерного БП с элементом Пельтье на боку (ссылка в конце поста). В комментариях было много скептики, но автор писал, что спокойно заряжал телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя… Я загорелся.

Конструкторская часть

Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (на эксперименты хватит). Обошелся он мне в 320 рублей. Что порадовало, так это ускоренная, с отслеживанием, но бесплатная доставка. Плюс товар отправили буквально через час после оплаты (а дело было в воскресенье).

Пока элемент Пельтье ехал, я продумал конструкцию будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (прекрасно подошел древний процессорный радиатор), а также откопал на просторах Интернета схему DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 ампер при напряжении 5 вольт.

Делать печку-щепочницу по примеру из той статьи я посчитал не целесообразным. Металл, из которого делают компьютерное железо, очень мягкий, от воздействия высоких температур его «поведет», да и прогорит он быстро. Поэтому было решено сделать «съемный вариант» генератора, который можно было бы закрепить на боку стационарной печки или прислонить к стоящему на костре котелку. А чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом огне, нужна была термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстой алюминиевой пластины размерами 100х120х5 миллиметров.

Чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке, а к нему, в свою очередь, прижать радиатор, я решил использовать детский металлический конструктор, который я когда-то покупал для нужд робототехники.

Но вот элемент Пельтье приехал, и настало время для сборки.

Технологическая часть

У нас был радиатор, алюминиевая пластина, элемент Пельтье, горстка радиодеталей, кусок фольгированного текстолита и самые разные винтики и гайки. Дальше не помню.

Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.

Прошу прощения за размеченную и просверленную в двух местах пластину – до меня только после дошло, что неплохо бы фотографировать весь процесс сборки с самого начала.

Первая неприятность, которая меня подстерегала – это 12-вольтовый штатный вентилятор на радиаторе. Так как я собираюсь добывать всего 5 вольт, да еще и при довольно небольшом максимальном токе, то это могло создать проблему.

Сначала я закинул удочки во все радио- и компьютерные магазины Перми, однако нигде не нашлось вентилятора 80х80 миллиметров на 5 вольт. А если и были, то меньших размеров и на ток более 200 мА, что было слишком много.

Затем я покопался на Ибее и обнаружил, что нужный мне вентилятор стоит от 300 рублей. Но надеяться на скорую доставку было бессмысленно, и поэтому я оставил этот вариант как резервный.

И только после всех поисков я догадался включить штатный 12-вольтовый вентилятор к 5-вольтовому источнику напряжения. Оказалось, что он вполне неплохо дует, и при этом потребляет не очень большой ток. Поэтому я решил пока оставить его, а после проведения испытаний при необходимости заказать вентилятор на Ибее.

Я разметил алюминиевую пластину и просверлил в ней два отверстия для крепления радиатора и два – для платы преобразователя напряжения. Отверстия я сделал диаметром 4 миллиметра (под винты из конструктора), а с внешней стороны расширил их до 7,5 миллиметров, чтобы скрыть шляпки винтов. После этого я скруглил напильником острые углы и прошелся крупной наждачкой по всем поверхностям пластины, и мелкой – по месту прижатия элемента Пельтье.

На этом обработку подложки я посчитал завершенной и приступил к изготовлению преобразователя напряжения.
Импульсный повышающий преобразователь напряжения собран на ИМС L6920, которая начинает работать при входном напряжении 0,8 вольт и позволяет снять со своего выхода фиксированное напряжение 3,3 или 5 вольт, или изменяемое от 1,8 до 5,5 вольт.

Принципиальная схема преобразователя является типовой и взята из даташита.

Для получения 5 вольт на выходе схемы ножка 1 соединена с общим проводом. Также настроена выдача низкого уровня на ножке 3 при падении входного напряжения ниже 1,5 вольт.

Для схемы была разведена печатная плата, на которой предусмотрено крепление к основанию-подложке с помощью все тех же деталей от детского конструктора. За перегрев платы я не беспокоюсь, так как она имеет принудительное охлаждение потоком воздуха, выдуваемым из радиатора.

Пришлось повозиться с макросом корпуса, в котором была купленная мной микросхема. На сайте магазина значилось, что она в корпусе SSOP-8. Как оказалось, в стандартном наборе макросов Sprint Layout нет такого корпуса. Я нашел чертеж корпуса SSOP-8 и сделал макрос, после чего развел плату. После пробной печати выяснилось, что микросхема несколько шире, и на свои контактные площадки не помещается. Гугление конкретной модели микросхемы (L6920D) привело меня на сайт Чип-Дипа, где я узнал, что ИМС с индексом D изготавливается в корпусе TSSOP-8. Почесав затылок, я нашел чертеж этого корпуса, создал макрос и переразвел плату. Теперь все оказалось правильно.

Плата изготовлена при помощи ЛУТа и собрана. Оказалось, что корпус TSSOP-8 паять без фена очень неудобно. Но мы люди тертые, FTDI-микросхемы с шагом ножек 0,4 миллиметра паяли.

Теперь можно заняться установкой элемента Пельтье и радиатора. Подложку и радиатор в местах контакта с элементом я намазал термопастой. Затем стянул получившийся «бутерброд» гайками.

Оказалось, что плата преобразователя не влезает, упирается входным разъемом в радиатор, слегка не рассчитал. Перевернул крепежные скобы, плату вывесил наружу, а для защиты элементов от механических повреждений добавил еще две скобы. Вот что в итоге получилось:

Теперь можно проверить работоспособность генератора. Я нагревал его на газовой горелке. Вентилятор решил пока не ставить.

Для начала оказалось, что я перепутал полярность подключения элемента к преобразователю. Хотя вроде бы все было правильно – черный провод – к минусу, красный – к плюсу. Однако работать генератор не хотел. Тогда я изменил полярность подключения элемента.

Генератор заработал – сначала загорелись оба светодиода, сигнализируя о наличии 5 вольт на выходе и низком напряжении на входе, затем красный светодиод погас – напряжение поднялось выше полутора вольт.

К моему неудовольствию оказалось, что без вентилятора через пару минут работы системы радиатор ощутимо нагрелся. Так дело не пойдет.

На следующий день я прогулялся по металлорынку и нескольким компьютерным барахолкам, но на мой вопрос о 5-вольтовых вентиляторах везде разводили руками и советовали сходить «еще вон в то место», в котором я уже был пару минут назад. В итоге я поехал домой не солоно хлебавши.

Дома я провел эксперимент по запитке штатного 12-вольтового вентилятора от выходных 5 вольт преобразователя. Результаты меня не порадовали – преобразователь с явной неохотой погасил красный светодиод, а вентилятор несколько секунд слабо подергивался, пытаясь запуститься. Воздушного потока от работающего в полсилы вентилятора оказалось недостаточно для нормального охлаждения – радиатор так же быстро нагрелся, хоть и не обжигал теперь пальцы. В итоге вентилятор я решил все же заказать с Ибея.

Результат

Несмотря на низкий КПД элемента Пельтье в режиме генерации, промежуточный результат я все же получил – при подключении к выходу преобразователя портативного аккумулятора с заявленным током заряда 1000 мА генератор смог дать ток около 600 мА. Думаю, для зарядки большинства гаджетов в условиях Большого Песца этого тока вполне хватит.

По приезду вентилятора (Ибей обещает середину марта-начало апреля) проверю охлаждение. Плюс нужно будет протестировать работу генератора в «боевых» условиях – на костре.

За качество фотографий извиняюсь — фотограф из меня никакой. Ссылка на вдохновившую меня статью: тыц.

Элементы Пельтье или бесплатное электричество от костра

При помощи простых приспособлений можно использовать теплопотери от нагревания воздуха или жидкостей. В этой статье мы расскажем, как использовать бросовую энергию печей, котлов и открытого огня, преобразовав её в постоянный электрический ток небольшой силы.

  • Конструкция термоэлектрического модуля
  • Собираем ТЭМ на 5 В
  • Энергопечь

Любой химический процесс проходит с выделением разного рода энергии. Такой мощный источник, как горение использовался во все времена. Его можно назвать первичным источником тепла и света. Горят практически все вещества на Земле, выделяя при этом тепло и свет в разных количествах. Преобразовать тепловую энергию в электрическую — дело несложное, если под рукой есть рабочая паротурбина, подобная тем, что установлены на ТЭЦ. Это громоздкое и сложное устройство, которому вряд ли найдётся место в котельной загородного дома. Мы попробуем извлечь пользу из выделения тепла при печном отоплении или нагревании воды.

Эффект Пельтье — это явление перепада температур при взаимодействии термопар двух различных типов проводников (p-типа и n-типа) при прохождении через них постоянного тока. Эффект Зеебека — следствие эффекта Пельтье, когда при нагревании одной из термопар образуется электрический ток. Мы не будем подробно описывать термодинамику процесса — эту сложную для восприятия информацию можно легко найти в справочной литературе. Нас интересует результат и варианты его практического использования.

Конструкция термоэлектрического модуля

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) состоит из множества термопар, соединённых между собой медной пластиной. Поле термопар вклеивается между двух керамических пластин. Собрать такой модуль возможно только в заводских условиях. Но скомпоновать несколько ТЭМ для собственных нужд получится и дома. Элементы Пельтье-Зеебека имеются в свободной продаже в специализированных магазинах (и на сайтах) по продаже технологического оборудования.

Собираем ТЭМ на 5 В

  • модуль Пельтье TEC1–12705 (40×40) — 2 шт.;
  • повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
  • лист дюралюминия толщиной 3 мм;
  • ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
  • термоклей;
  • паяльник.

Вырезаем из листа дюралюминия две одинаковые пластины, размерами чуть более двух модулей, лежащих рядом. Укрепляем термоклеем пластины на модулях с обеих сторон. Фиксируем (термоклеем) получившийся «сэндвич» на дно ковша. Такую конструкцию уже можно ставить на огонь, но мы получим на выходе бесполезные 1,5 В. Для улучшения характеристик нам и нужен повышающий преобразователь, который мы впаиваем в цепь. Он повысит напряжение до 5 В, а этого уже достаточно для зарядки мобильного телефона.

Читайте также  Почему не работает пьезорозжиг на газовой плите?

Внимание! Преобразователь имеет размеры 1,5х1,5 см. При отсутствии профессиональных навыков доверьте пайку специалисту.

Разность температур в нашей конструкции получается за счёт нагрева одной стороны (от печи или пламени) и охлаждения другой (вода в ковше). Разумеется, чем больше разница, тем эффективнее работа модуля. Поэтому, для работы в режиме микрогенератора понадобится сравнительно низкая температура воды в ковше (её лучше периодически заменять). Для выработки заветных 5 В достаточно поставить конструкцию на стакан с горящей свечой.

Пропорционально комбинируя большее количество модулей, мы получим более эффективную систему выработки энергии. Соответственно, увеличивая конструкцию, пропорционально увеличиваем теплообменник. При этом охлаждаемая поверхность должна быть полностью покрыта ёмкостью с водой (самый простой и доступный вариант).

Всё так просто, что сразу возникает желание собрать побольше модулей в одну систему и вырабатывать 220 В из костра. А потом подключить масляный обогреватель или кондиционер. Такая простая система имеет свои недостатки, и главный из них — низкий КПД. Обычно этот показатель не превышает 5%. Это обуславливает сравнительно малую силу тока 0,5 — 0,8 А и очень малую мощность — до 4 Вт.

Для насоса или лампы накаливания это ничтожно мало, но вполне достаточно для:

  • зарядки аккумуляторов вплоть до мотоциклетных (в вариантах, пропорциональных требованиям);
  • работы светодиодных (LED) ламп;
  • радиоприёмника.

В зимнее время система, помещённая на источник тепла, находящийся на улице, будет работать максимально эффективно.

Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:

Наименование Цена, руб. Примечание
Модуль Пельтье TEC1–12705 (40×40)* — 2 шт. 600 Цена за 2 шт.
Повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674 320
Дюралюминий 300 Лист для варианта с ковшом
Термоклей Radial 150 2 мл
Ковш 100 Новый
Итого на материалы 1470

*- данная модель элемента выбрана из соображений цены. Ассортимент ТЭМ у фирм-поставщиков довольно широк, что позволяет подобрать более производительные (до 8 В) модели (они ощутимо дороже).

Заводские изделия подобной конструкции только начинают появляться в продаже. Серийное производство ведётся мелкими партиями, да и ассортимент невелик. Стоимость такого «ковшика» стартует с 2500 руб.

Заводской термогенератор — устройство, основанное на эффекте Пельтье-Зеебека, которое можно закрепить прямо на разогретую поверхность. От конструкции, описанной выше, его отличает заводское исполнение (а значит, надёжность), отсутствие жидкостного теплообменника (вместо него — рёбра для воздушного охлаждения) и более высокая цена.

Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:

Напряжение 13,5 В
Сила тока 0,16 А
Мощность 2,2 Вт
Вес 1,6–2 кг
Кабель в бронерукаве Да
Защита от перегрева Да
Набор стандартных разъемов Да
Размеры (примерно) 150х150х200 мм
Цена От 7000 руб.

Как видно из таблицы, заводская надёжность и утилитарность обходится недёшево. При этом нельзя сказать, что он функционально превосходит самодельный вариант с ковшом. Впечатляющие 13,5 В ускорят зарядку мобильника, но для этого будет нужно носить с собой 2 кг веса в походе, а это непозволительная роскошь (с учётом размеров прибора). Ну и, конечно, цена заставляет задуматься. На эту сумму можно собрать уже не «термоковшик», а «термокастрюлю» и спокойно заряжать ноутбук. И ещё один нюанс — прибор всё равно требует закрепления на металлической пластине в случае использования открытого огня.

В целом это приятное и удобное дополнение для тех, у кого нет проблем с деньгами и свободным местом в багажнике.

Энергопечь

На сегодняшний день энергопечь — апофеоз применения ТЭМ в быту. Это заводское изделие, по сути дела топка-«буржуйка», для любого вида твёрдого топлива с интегрированным теплоэлектрическим модулем. Идеальный вариант для охотничьих домиков, дач, отдалённых зимовок и вообще любого вида жизни вдали от цивилизации. Рассчитана на автономное использование (без периферических теплоотводов), имеет только очаг и дымоход. Предусматривает приготовление пищи. На эту печь устанавливают самые мощные элементы Пельтье-Зеебека.

Выходная мощность 25–50 Вт
Выходное напряжение 12 В
Объём топки 30–60 литров
Вес 30–60 кг
Тепловая мощность 4–6 кВт
Стабилизатор Да
Заводские разъёмы Да
Защита от перегрева Да
Цена 23000–40000 руб.

Хотя печь и переносная, безусловно, это «супертяжёлая весовая категория» среди бытовых приборов. Однако и спектр задач у энергопечи довольно широк — она может заряжать даже автомобильные аккумуляторы, освещать LED лампами целые комнаты. Ей найдётся место в экспедиционном обозе и в охотничьем вездеходе, в техническом помещении и на даче. Иными словами, в этом случае источник тепла у нас всегда с собой, осталось найти топливо.

В своей нише энергопечь незаменима, хотя и немного настораживает заявленный производителем срок службы — 10 лет. Следует отметить, что, как и в термогенераторе, есть возможность профилактической (или аварийной) замены всех деталей вплоть до корпуса.

Термоэлектрические модули — крайне занятные объекты. Помимо описанных методов применения их также используют для кондиционирования воды и воздуха. При этом на такой же элемент подаётся постоянный ток и он работает «в обратную сторону» — охлаждает воздух. Эта технология с успехом применяется в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, в автомобилестроении и при производстве микропроцессоров. Мы опишем эти устройства в следующей статье.

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019

Элемент Пельтье, как генератор альтернативной электрической энергии

  • Авторы
  • Файлы работы
  • Сертификаты

Часто приходится снабжать удаленные объекты дорогой электроэнергией в виде дизельных и бензиновых генераторов, что достаточно затратно, поэтому возникает вопрос экономии, и возможные пути решения данного осложнения. Объектом исследования для решения этой проблемы был взят альтернативный источник генерация электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя на основе элемента Пельтье (ЭП). Принцип действия, которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы ЭП (рис. 1) 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. По мере поглощения этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. А во время протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта, дополнительно к обычному тепловому эффекту. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Рис. 1 Строение элемента Пельтье

Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже установленного порога.

Недостатком ЭП является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы ЭП и продлит срок его службы.

Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. На данных местностях для комфортной жизнедеятельности человека, как правило, имеется система отопления помещений, а, следовательно, создается необходимая разность температур. Снаружи температура может опускаться ниже 20 градусов по Цельсию, но в помещение она должна оставаться комфортной для человека. Из этого положения можно извлечь выгоду, поместив на стыке разности температур элементы Пельтье. За счет этого можно значительно снизить энергозатраты в холодное время года, получая и при необходимости запасая электроэнергию.

Но элемент Пельтье не обязательно использовать в зонах с холодным климатом, его так же можно применить в областях с гидротермальными источниками, где стык температур будет появляться от горячей воды с одной стороны и охлаждающим радиатором, с другой стороны (рис.2). За счет этой разницы можно получить неплохой запас мощности, которую можно использовать, например, для питания оборудования, эксплуатируемого для изучения этих самых источников

Рис.2 Применения элемента Пельтье в геотермической зоне

Другим местом установки автономного генератора на основе элемента Пельтье, могут быть регионы с теплым или жарким климатом, где одна сторона будет повернута к источнику тепла, например, к Солнцу, а вторая помещена в землю, с естественным или принудительным охлаждением (рис.3). Одним из примеров такого расположение может являться погреб. Также эти элементы очень удобны во время походов, так как за их счет можно зарядить смартфон на энергии костра или запитать фонарик с помощью тепла организма.

Рис.3 Элемент Пельтье в погребе

Из выше перечисленных аргументов возникает вопрос внедрения автономных генераторов электрической энергии на основе элемента Пельтье точечно в выгодные области применения. Но на данный момент их производство не сильно развито из-за нехватки большого количества потребителей, и поэтому ЭП имеют большую стоимость. Средняя цена за 1 ячейку, стандартного размера 40 x 40 мм, составляет 80 рублей. Но как только данным генератором заинтересуется мировое сообщество, а именно выгодоприобретатели в качестве инвесторов, их производство начнет развиваться, а цена уменьшаться, и в дальнейшем появиться разнообразные размеры ячеек.

На сегодняшний день реализуемо и выгодно использовать данный элемент в качестве компактных и переносных генераторов малой мощности. Рассмотрим мобильные устройства на основе элементов Пельтье. А именно переносное зарядное устройство для телефона и других мобильных устройств. Чем больше будет перепад температур между телом человека и окружающей средой, тем выше будет эффективность ЭП и тем меньше понадобиться элементов-ячеек, но для максимально КПД необходим перепад температур в 100 градусов по Цельсию, а один стандартный элемент-ячейка при таких условиях вырабатывает 5 В и 2 Вт мощности на холостом ходе, но при нагрузке мощность и напряжение сокращаются вдвое, из-за низкого коэффициента полезного действия. Т.к. элементы Пельтье довольно компактные их можно встроить в неподвижные области штанов, куртки и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемым человеком, другая охлаждаться от окружающей среды. А для зарядки смартфона необходимо не менее 12 В, т.е. около шести элементов Пельтье. Средняя цена на элемент Пельтье составляет 100 рублей, итоговая стоимость составит 600 рублей, это дешевле обычных переносных зарядных устройств, которые ещё нужно зарядить перед использованием.

Следующим примером, который несложно реализуем, является установка для источника энергии в походе, как зимой, так и летом, от которой можно заряжать различные маломощные потребители, такие как телефоны, фонарики, холодильники на элементе Пельтье, а также запасать электроэнергию в аккумуляторы. Если вырабатывать энергию летом, то эффективным временным промежутком является ночное время суток, т.к. температура опускается до 10-15 градусов, от этого будет питаться сторона с меньшей температурой, а другая нагреваться от костра, который необходим для обогрева экспедиции. Другой, и более эффективный вариант, это использование данного генератора в зимний период, т.к. возможная разница температур будет существенно больше. Одна часть будет соприкасаться с костром, другая с емкостью для снега, к которой прикрепляются радиаторы с вентиляторами. Чтобы выработать мощность в 24 Вт, потребуется около 12 ЭП, кулер на 5,4 Вт, 2 алюминиевых радиатора, термопаста, умножитель напряжения, если потребуется запитать потребители с большим напряжением напряжению, и сама печка из нержавеющей стали. Экономически расчет показывает выгодность данного походного устройства, 12 элементов Пельтье за 1200 рублей (при оптовой закупке будет дешевле), кулер – 800 рублей, термопаста 600 рублей, 2 алюминиевых радиатора по 300 рублей, а для умножителя напряжения потребуется 4 диода и 4 конденсатора общей стоимостью 300 рублей. Итого 3500 рублей за походный автономный источник электроэнергии на элементах Пельтье. (рис.5). Он не занимает много места, поэтому очень удобен в походах и экспедициях. Если одного генератора будет недостаточно, есть два пути решения: — добавить ещё один генератор; — улучшить схему умножителя напряжения посредством добавления диодов и конденсаторов.

Читайте также  Установка электрического котла отопления своими руками

Рис. 4 Переносной генератор Пельтье

Но одним из самых эффективных и логических способов использования ЭП, является внедрение его в удаленные метеостанции, которые расположены по всему земному шару. Будь это холодный климат, где данный генератор будет намного эффективнее, либо же в областях, где температура окружающей среды не опускается ниже 15 градусов по Цельсию. Один из примеров такого использования будут являться метеостанции и другие объекты, находящиеся в Арктической зоне. Т.к. в наши дни значение Арктики многократно возрастает. Она становится местом самого пристального внимания стран и народов в качестве региона, от самочувствия которого во многом зависит климат планеты, и в качестве сокровищницы уникальной природы, и, как территория с колоссальными экономическими возможностями, с огромным экономическим потенциалом.

Экономическая часть

Объектом исследования была выбрана метеостанция в Арктической зоне.

Для наблюдения за изменениями климата исследователю (человеку) необходимо жильё с комфортными условиями жизни, а именно: отопление и электричество. Необходимая мощность 12 кВт, включающая в себя:

Персональные компьютеры для обработки данных, полученных в результате наблюдения — 800Вт

Холодильник 200 Вт

Прожектор для ночного освещения — 300 Вт

Микроволновая печь СВЧ — 1500 Вт

Обогреватель — 1500 Вт

Электрочайник — 1500 Вт

Стиральная машина — 3000 Вт

Электроплита (2 конфорки) — 4000 Вт

Для обеспечения энергией понадобится бензиновые генератор Robin-Subaru (Россия) EB 12.0/230-SLE. Его цена составляет 213 тысяч рублей.

Производитель: Robin-Subaru ( Россия);

Мощность: 12 кВт12кВА;

Напряжение: 230 В;

Коэффициент мощности: 1 (сos φ);

Коэффициент фаз: 1;

Вид топлива: бензин;

Расход топлива при нагрузке 75%: 3,8 литра;

Ёмкость топливного бака: 26 литров;

Уровень шума: 74 Дб;

Преимущества генератора Robin-Subaru:

Низкая цепа (в сравнении с другими генераторами мощностью 12 кВт).

Расход генератора в час будет составлять 169,1 рубль (при нынешней цене на бензин 44,50 р за литр). Учитывая, что генератор расходует полный бак за день, можно сделать вывод , что затраты на день составят 1157 рублей.

При установке элементов Пельтье на такую же мощность, нам понадобится 6000 штук, которые будут стоить около 550000 рублей (цена указана при поштучной покупке, оптом будет дешевле). Элементы Пельтье не требуют дополнительных расходов для производства энергии, они экологичны и бесшумны. Период самоокупаемости начнётся меньше чем через год, т.к. заправлять генератор необходимо каждый день, в течении года необходимо затратить 420 тысяч, это без учёта цены на доставку бензина. И в итоге за год с генератором расход составит 633 тысячи, при элементах Пельтье 650 тысяч.

Сложностью электроснабжения объектов в Арктической зоне является отсутствие традиционных источников электрической энергии, поэтому на данный момент их замещают с помощью мобильных генераторов и электростанций, побочным эффектом которых является дорогая стоимость электроэнергии.

Рис.5 Установка ЭП в зонах Арктики и Крайнего Севера

Этот недостаток можно значительно уменьшить за счет внедрения автономных генераторов Пельтье, которые будут устанавливаться на стыке температур, в данном случае это будут стены сооружений, снаружи которых будет значительно ниже 0 градусов по Цельсию, а внутри значительно выше 0. А полученную электроэнергию для стабилизации запасать в аккумуляторные батареи (рис.4).

Таким образом, на данный момент использование элемента Пельтье экономически целесообразно только в условиях, где можно получить большой перепад температур, не приводя к дополнительным расходам. В таких зонах как Арктики, Антарктики и регионы Крайнего Севера. Либо в качестве мобильного маломощного электрогенератора, когда нужно получить электрическую энергию, не затратив на это больших ресурсов, и не имея громоздких конструкций.

Список литературы:

Арктика и Антарктика. Вып. 3 (37) / РАН, Науч. совет по изучению Арктики и Антарктики : отв. ред. В. М. Котляков. — М. : Наука, 2004. — 247 с.

Физика твердого тела Учеб. пос. / А. А. Василевский – М.: Дрофа, 2010. – 206 с.

Теория твердого тела / О.Г. Медалунг. – М.: Наука, 1980. – 418 с.

Делаем бесплатное электричество – простой самодельный генератор

Что такое элемент и термогенератор Пельтье

Элементом Пельтье называется термоэлектрический тип преобразователя, который базируется на температурной разности при протекании электричества. Суть открытого в 1834 г. эффекта в том, что тепло выделяется или поглощается в участке контактирования разнородных проводников, подключенных к электричеству.


Что собой представляет элемент Пельтье

К сведению! По этой теории электрический ток осуществляет перенос электронов между металлами. Если увеличить кинетическую энергию, то она превратится в тепловую.


Устройство, преобразующее кинетическую энергию в тепловую

Что это такое?

Под данным термином подразумевают термоэлектрическое явление, открытое в 1834 году французским естествоиспытателем Жаном-Шарлем Пельтье. Суть эффекта заключается в выделении или поглощении тепла в зоне, где контактируют разнородные проводники, по которым проходит электрический ток.

В соответствии с классической теорией существует следующее объяснение явления: электрический ток переносит между металлами электроны, которые могут ускорять или замедлять свое движение, в зависимости от контактной разности потенциалов в проводниках, сделанных из различных материалов. Соответственно, при увеличении кинетической энергии, происходит ее превращение в тепловую.

На втором проводнике наблюдается обратный процесс, требующий пополнения энергии, в соответствии с фундаментальным законом физики. Это происходит за счет теплового колебания, что вызывает охлаждение металла, из которого изготовлен второй проводник.

Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.

Элемент Пельтье в качестве генератора энергии

Термоэлектрический модуль Pelty может выступать как электрогенератор Пельтье при принудительном нагревании одной из его частей. Чем больше показатель температурной разности, тем выше показатель тока источника.

Предельный температурный показатель ограничен, но может быть выше, чем точка припойного плавления, используемая в конструкции модуля. Несоблюдение данного требования приводит к тому, что элемент Пельтье ломается.

Для термогенераторного производства применяют специальный тип модулей, где есть тугоплавкий припой. Их можно подогревать до температурного показателя 300 °С. По сравнению с обычным генератором эта температура в два раза больше. Потому коэффициент полезного действия в подобных устройствах невысок, их используют лишь тогда, когда невозможно применить результативный электроисточник.


Генератор электроэнергии популярен среди путешественников

Обратите внимание! Генераторы с мощностью 10 В популярны у туристов, путешествующих на дальние расстояния. Крупные, мощные постоянные устройства, которые работают от высокого температурного топлива, применяют, чтобы питать газораспределительные узлы, метеорологическую аппаратуру.

Элемент пельтье своими руками

Изготовить устройство в домашних условиях практически невозможно, тем более это не имеет особого смысла, учитывая его невысокую рыночную стоимость.

Но большинство умельцев все же предпочитает мастерить элемент пельтье своими руками, ссылаясь на ряд его достоинств:

  1. Компактность, удобство установки на самодельное электронное плато.
  2. Отсутствие движущихся деталей, что увеличивает сроки его эксплуатации.
  3. Возможность соединения нескольких элементов в каскадной схеме для снижения очень больших температур.

Тем не менее, пельтье своими руками имеет определенные недостатки: низкий коэффициент полезного действия (КПД), необходимость подачи высокого тока для получения заметного перепада температуры, сложность отведения тепловой энергии от охлаждаемой поверхности.

Рассмотрим на примере схем, как сделать пельтье своими руками:

  • Задействовать его в качестве детали термоэлектрического генератора, согласно рисунку подключения.
  • Собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920 (рисунок 1).


Рисунок 1. Элемент пельтье своими руками: универсальная схема
Далее стоит следовать простой инструкции, как сделать пельтье своими руками:

  1. Подать на вход получившегося преобразователя напряжение диапазоном 0.8-5.5В, чтобы иметь на выходе стабильные 5В.
  2. При использовании устройства обычного типа — поставить лимит температуры нагреваемой стороны в 150 градусов.
  3. Для калибровки — в качестве источника тепла использовать емкость с кипящей водой, которая точно не нагреется свыше 100 градусов.

Описание технологии и принцип действия

Способ работы термоэлектрического охладителя достаточно прост. Эффект пельтье своими руками основывается на контакте двух проводников тока, обладающих разным уровнем энергии электронов в зоне своей проводимости.


Рисунок 2. Принцип действия элемента

При подаче электротока через такую связь, электрон приобретает высокую энергию, позволяющую ему перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости второго полупроводника. Когда эта энергия поглощается, происходит остуживание места охлаждения проводников (рисунок 2).

Посмотрев пельтье своими руками видео, можно сделать определенные выводы о принципе его действия:

  1. Величина подаваемого тока будет пропорциональной степени охлаждения — если с одной стороны модуля сделать хороший теплоотвод, при использовании радиаторных схем, его холодная сторона обеспечит максимально низкую температуру.
  2. При смене полярности тока — нагревающая и охлаждающая плоскости меняются метами.
  3. При контакте объекта с металлической поверхностью, он становится настолько мал, что его нельзя увидеть на фоне омического нагрева, других эффектов теплопроводности, поэтому на практике применяют два полупроводника.
  4. Благодаря разнообразному количеству термопар — от 1 до 100, можно добиться практически любого показателя холодильных мощностей.

Технические характеристики элемента пельтье

Компонент получил широкое применение в различных холодильных схемах.

Что неудивительно, так как пельтье своими руками имеет следующие технические характеристики:

  1. Способен достигнуть низких температур, что служит отличным решением для охлаждения электрических приборов и тех оборудования, подвергающегося нагреву.
  2. Прекрасно выполняет работу обычного куллера, что делает возможным его установку в современные звуковые и акустические системы.
  3. Абсолютно бесшумен — в процессе работы не издает никаких посторонних и интенсивных звуков.
  4. Обладает мощной теплоотдачей при сохранении нужной температуры на радиаторе достаточно продолжительное время.

Технические характеристики элемента Пельтье

Термические электрические модули обладают следующими характеристиками:

  • производительность холода;
  • максимальный температурный перепад;
  • допустимая сила тока, которая нужна, чтобы обеспечить максимальный температурный перепад;
  • предельное напряжение в киловаттах, которое необходимо току для достижения пиковой разницы;
  • внутренний показатель сопротивления модуля resestance, указываемый в Омах;
  • коэффициент эффективности или КПД устройства, которое показывает отношения охлаждения к мощности.

Вам это будет интересно Схема соединений Э4


Усредненные технические характеристики

Обратите внимание! Подобные характеристики распространяются и на миниатюрные установки, малые электрогенераторы, холодильные системы охлаждения персональных компьютеров, охлаждающие/нагревающие водные кулеры и осушители воздуха.

Холодильник на элементах пельтье своими руками

Чтобы собрать холодильный агрегат вам понадобятся достаточное количество электрических проводников и специальные инструменты (рисунок 3).

Холодильник на пельтье своими руками требует особого подхода к сборке и используемым материалам:

  1. Основой для платы должна служить прочная керамика;
  2. Для максимального температурного перепада надо подготовить не менее 20 связей;
  3. Правильные расчеты — залог увеличения коэффициента полезного действия на 70%;
  4. Наибольшую мощность используемому оборудованию даст фреон;
  5. Самодельный модуль устанавливается возле его испарителя, рядом с мотором;
  6. Монтаж производится стандартным набором инструментом с применением прокладок;
  7. Они необходимы для изолирования рабочей модели от пускового реле;
  8. Изоляция понадобится и для самой проводки, перед ее подключением к компрессору;
  9. Чтобы избежать короткого замыкания, сила предельного напряжения звонится тестером.
Читайте также  Керамические батареи отопления от электричества

Принцип работы элемента Пельтье

Любой термоэлектрический модуль работает на разности электронной энергии, то есть один проводник — область, где есть высокая проводимость, а второй — место, где низкая проводимость. Если соединить такие источники вместе и пропустить через них заряд, то электрону для прохождения низкоэнергетической области в высокую, нужно подкопить электроэнергии. Та область, где осуществляется энергопоглощение электроном, охлаждается.


Принцип работы

Важно! При изменении полярности подключения элемента вместо охлаждения будет происходить нагревание. Данный эффект наблюдается у любого элемента, но конкретные следы элемента Пельтье будут видны на полупроводниках.

Как правильно применять модуль Пельтье для генератора

Применять модуль Пельтье можно, как термоэлектрогенератор Teksan Colorful, для охлаждения процессора, комнаты, воды. Используется он нередко как кислородный осушитель. Подключить модуль несложно. На провода нужно осуществить подачу постоянного напряжения, значение которого есть на элементе. Красный проводник следует подключить к полюсу, а черный — к нулевому проводнику. Таким образом прибор начнет работу на охлаждение. Если поменять полярность оборудования, то поменяется местами охлаждаемая и нагреваемая поверхности.


Правильное применение модуля для генератора

Обратите внимание! Проверить, функционирует элемент или нет, несложно. До него нужно прикоснуться к нему с разных сторон. Работающий аппарат будет иметь одну горячую, а вторую — холодную область.

Таким образом, элементом Пельтье называется термоэлектрический преобразователь, который работает на температурной разности при протекании электрической энергии. Термогенератор, построенный на технических характеристиках и принципе его функционирования, имеет широкое применение на производстве и в жизни. Использовать его можно по приведенной выше инструкции.

Осушитель пельтье своими руками

В отличие от того же кондиционера, реализация этой идеи вполне себя оправдывает. Осушитель пельтье своими руками имеет простую конструкцию и низкую себестоимость, а его охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, что приводит к оседанию на нем влаги, содержащейся в воздухе, проходящем через прибор. Далее — осевшая вода отправляется в специальный накопитель (рисунок 6).

Осушитель воздуха своими руками пельтье:

  1. Подключается без проблем — на провода выходов подается постоянное напряжение, величина которого прописана в его даташит.
  2. Имеет стандартную полярность — красный проводок идет на плюс, черный — на минус, если их перепутать охлаждаемая и нагреваемая поверхности поменяются местами.
  3. Проверяется тактильно — при подключении к источнику напряжения одна сторона будет холодной, вторая — теплой.
  4. Если источника тока поблизости нет — подключаем щупы к выводам модуля и подносим зажженную спичку или зажигалку к одной из сторон, наблюдаем за показаниями прибора.


Рисунок 6. Схема сборки осушителя воздуха

Элемент Пельтье: принцип работы, применение и как сделать холодильник своими руками

Что такое элемент и термогенератор Пельтье

Элементом Пельтье называется термоэлектрический тип преобразователя, который базируется на температурной разности при протекании электричества. Суть открытого в 1834 г. эффекта в том, что тепло выделяется или поглощается в участке контактирования разнородных проводников, подключенных к электричеству.


Что собой представляет элемент Пельтье

К сведению! По этой теории электрический ток осуществляет перенос электронов между металлами. Если увеличить кинетическую энергию, то она превратится в тепловую.


Устройство, преобразующее кинетическую энергию в тепловую

Тестируем модуль пельтье, собранный своими руками

Учитывая простоту сборки, самостоятельно изготовить приспособление не сложно. Протестировать элемент пельтье своими руками из диодов, как и любой другой, тоже не представляет труда. Главное на начальных этапах использовать правильные материалы — подготовить две металлические пластины и проводку с нужными контактами, полупроводники с маркировкой «РР». Проверить все на исправность можно при помощи мультиметра или обычного тестера, при этом диоды должны светиться при подключении устройства к сети.

Как показывает пельтье своими руками видео, для теста необходимо:

  1. Перед пуском стоит устранить любые сторонние соприкосновения с металлической деталью и проверить надежность крепления проводов, качество пайки схем.
  2. Функциональность готового устройства, проверенного на предмет технических несоответствий, проверяется тестером.
  3. Прибору присоединяется два проводка и проверяется вольтаж — отклонения напряжения будут составлять примерно 23В.
  4. Если в результате, одна из сторон отдает тепло, а другая остается холодной, то ваша конструкция собрана верно.

Элемент Пельтье в качестве генератора энергии

Термоэлектрический модуль Pelty может выступать как электрогенератор Пельтье при принудительном нагревании одной из его частей. Чем больше показатель температурной разности, тем выше показатель тока источника.

Предельный температурный показатель ограничен, но может быть выше, чем точка припойного плавления, используемая в конструкции модуля. Несоблюдение данного требования приводит к тому, что элемент Пельтье ломается.

Для термогенераторного производства применяют специальный тип модулей, где есть тугоплавкий припой. Их можно подогревать до температурного показателя 300 °С. По сравнению с обычным генератором эта температура в два раза больше. Потому коэффициент полезного действия в подобных устройствах невысок, их используют лишь тогда, когда невозможно применить результативный электроисточник.


Генератор электроэнергии популярен среди путешественников

Обратите внимание! Генераторы с мощностью 10 В популярны у туристов, путешествующих на дальние расстояния. Крупные, мощные постоянные устройства, которые работают от высокого температурного топлива, применяют, чтобы питать газораспределительные узлы, метеорологическую аппаратуру.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.


Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

  1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
  2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
  3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Технические характеристики элемента Пельтье

Термические электрические модули обладают следующими характеристиками:

  • производительность холода;
  • максимальный температурный перепад;
  • допустимая сила тока, которая нужна, чтобы обеспечить максимальный температурный перепад;
  • предельное напряжение в киловаттах, которое необходимо току для достижения пиковой разницы;
  • внутренний показатель сопротивления модуля resestance, указываемый в Омах;
  • коэффициент эффективности или КПД устройства, которое показывает отношения охлаждения к мощности.

Вам это будет интересно Регулятор мощности


Усредненные технические характеристики

Обратите внимание! Подобные характеристики распространяются и на миниатюрные установки, малые электрогенераторы, холодильные системы охлаждения персональных компьютеров, охлаждающие/нагревающие водные кулеры и осушители воздуха.

Кондиционер пельтье своими руками

В данном случае, для изделия могут применяться только проводники типа «ПР12» (рисунок 4).

Кондиционер пельтье своими руками собирается только на них, так как они выдерживают аномальные температуры и выдают напряжение до 23В:

  1. Применяется в основном для охлаждения компьютерных видеокарт.
  2. Его сопротивление колеблется в пределах 3 Ом.
  3. Температурный перепад равен 10 градусам, а КПД — 65%.
  4. Для него требуется 14 медных проводничков.
  5. Для подключения задействуется немодульный переходник.
  6. Устройство монтируется рядом с встроенным кулером на видеокарте.
  7. Конструкция крепится металлическими уголками и обычными гайками.


Рисунок 4. Элемент используется и для создания портативных кондиционеров
Если во время работы кондиционера замечаются сильные посторонние шумы, другие нехарактерные звуки — он проверяется на работоспособность мультиметром.

Принцип работы элемента Пельтье

Любой термоэлектрический модуль работает на разности электронной энергии, то есть один проводник — область, где есть высокая проводимость, а второй — место, где низкая проводимость. Если соединить такие источники вместе и пропустить через них заряд, то электрону для прохождения низкоэнергетической области в высокую, нужно подкопить электроэнергии. Та область, где осуществляется энергопоглощение электроном, охлаждается.


Принцип работы

Важно! При изменении полярности подключения элемента вместо охлаждения будет происходить нагревание. Данный эффект наблюдается у любого элемента, но конкретные следы элемента Пельтье будут видны на полупроводниках.

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.


Устройство модульного элемента Пельтье

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.


Рис. 3. А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная

Как правильно применять модуль Пельтье для генератора

Применять модуль Пельтье можно, как термоэлектрогенератор Teksan Colorful, для охлаждения процессора, комнаты, воды. Используется он нередко как кислородный осушитель. Подключить модуль несложно. На провода нужно осуществить подачу постоянного напряжения, значение которого есть на элементе. Красный проводник следует подключить к полюсу, а черный — к нулевому проводнику. Таким образом прибор начнет работу на охлаждение. Если поменять полярность оборудования, то поменяется местами охлаждаемая и нагреваемая поверхности.


Правильное применение модуля для генератора

Обратите внимание! Проверить, функционирует элемент или нет, несложно. До него нужно прикоснуться к нему с разных сторон. Работающий аппарат будет иметь одну горячую, а вторую — холодную область.

Таким образом, элементом Пельтье называется термоэлектрический преобразователь, который работает на температурной разности при протекании электрической энергии. Термогенератор, построенный на технических характеристиках и принципе его функционирования, имеет широкое применение на производстве и в жизни. Использовать его можно по приведенной выше инструкции.

Генератор пельтье своими руками

Самостоятельно собрать подобный прибор не так и сложно. Генератор пельтье своими руками имеет свои особенности: производительность собранного устройства поднимается на 10% за счет большего охлаждения мотора, но нагревать основные комплектующие до показателя свыше 200 градусов не рекомендуется. Прибор выдерживает максимальную нагрузку в 30А, а его сопротивление способно составлять 4Ом благодаря большему количеству проводников (рисунок 5).

Стоит помнить, что генератор на элементах пельтье своими руками:

  1. Имеет температурное отклонение в системе, примерно равное 13 градусам.
  2. В большинстве случаев сборки и разборки конструкции, статор им не мешает.
  3. Модуль крепится непосредственно к ротору, для чего нужно отсоединять центральный вал.
  4. Во избежание нагрева роторной обмотки от индуктора, следует использовать керамические пластины.


Рисунок 5. Элемент пельтье поможет создать походный генератор
Теплогенератор на пельтье своими руками собирается из двух пластин 10*10см, толщиной в 1мм, закрепленных термопастой, которые закрывают собой четыре искомых модуля. Поверх них ставится консервная банка или любая другая емкость для розжига огня, которая обеспечит 170-180 градусов. К нижней части одной из пластин прикрепляется при помощи винтов медный или алюминиевый радиатор. К нему присоединяется еще одна пластинка 20*12см, к которой крепится еще одна такая деталь. На нее устанавливается заводской кожух от аккумулятора, к которому припаивается разъем для зарядки смартфона.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: