Элементы пельтье или бесплатное электричество от костра. Как сделать термогенератор пельтье своими руками

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

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.

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.

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

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
• максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения – градусы;
• допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
• максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
• внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
• коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского – coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

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.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

• мобильных холодильных установок;
• небольших генераторов для выработки электричества;
• систем охлаждения в персональных компьютерах;
• кулеры для охлаждения и нагрева воды;
• осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

• простота конструкции;
• устойчивость к вибрации;
• отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• низкий уровень шума;
• небольшие габариты;
• возможность работы в любом положении;
• длительный срок службы;
• небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело – охладить небольшой объем холодильной камеры, другое – помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

• вода не охлаждается ниже 10-12°С;
• на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
• устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
• не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный – к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

1. подключаем щупы к выводам модуля;
2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.

Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.

Вид термоэлектрического генератора

Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.

Модули «Пельтье» разных размеров

Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

Эффект «Пельтье» заключается в выделении тепла в месте контакта разнородных проводников при протекании по ним электрического тока.

Принцип действия модулей

На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.

Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).

Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.

Модуль «Пельтье»

Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.

Схема принципа работы модуля

В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.

Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.

Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.

На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.

Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.

Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.

На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.

Как выглядит структура модуля

Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.

В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.

Достоинства и недостатки ТЭМ

К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:

• малые размеры;
• возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
• обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
• отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.

Недостатки модулей:

• малый КПД (2-3%);
• необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
• значительное потребление электроэнергии;
• высокая стоимость.

Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:

• охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
• использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
• создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
• термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.

При малой производительности ТЭГ целесообразно применять в походных условиях, где требуется получить электричество для зарядки сотового телефона или светодиодной лампочки. Простота конструкции позволяет изготовить электрогенератор своими руками.

Альтернативными источниками также являются солнечные батареи или ветрогенератор . Для первых требуются особые условия – наличие солнечного освещения, которое может быть не всегда. Другой источник имеет большие габариты и для него необходим ветер. Ещё одним недостатком у них является наличие подвижных частей, снижающих надёжность и имеющих большой вес.

Термогенераторы промышленного изготовления

Компания BioLite разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного ТЭГ.

Компактная переносная печка на дровах

Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит.

При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. Красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

Схема работы ТЭГ компании BioLite на дровах

Печь-генератор «Индигирка», разработанная петербургским предприятием Криотерм, имеет характеристики:

• тепловая мощность – 6 кВт;
• вес – 56 кг;
• габариты – 500х530х650 мм;
• эл. мощность при напряжении 5В – 60 Вт.

Печь является обычной отопительно-варочной, где с двух сторон закреплены термоэлектрогенераторы.

Как выглядит печь-термоэлектрогенератор «Индигирка»

Устройство довольно удобное, но впечатляет цена – 50 тыс. руб. Хоть печь, и предназначена для походных условий, но рядовым охотникам и рыболовам она будет явно не по карману. Как отопительная, она ничем не лучше обычных и более дешёвых моделей.

Если пристроить ТЭГ к простой печи, устройство, изготовленное своими руками, будет работать отлично.

ТЭГ своими руками

Чтобы термоэлектрический генератор собрать своими руками, необходимы следующие элементы:

1. Модуль. Для генерирования электрического тока можно применять не все модули, а только те, которые способны выдержать нагрев до 300-400 0 С. Наличие запаса по нагреву необходимо, поскольку даже при незначительном перегреве элемент выходит из строя. Наиболее распространены модели типа ТЕС1-12712 в виде квадратных пластин с размером стороны 40, 50 или 60 мм.

Если взять максимальный размер, достаточно в конструкции, сделанной своими руками, применить один элемент. Первые 3 цифры маркировки – 127 означают, сколько элементов содержится в 1 пластине. Последние цифры показывают величину максимально допустимого тока, который составляет 12 А.

1. Повышающий преобразователь. Он необходим для получения постоянного напряжения 5В. Генератор может выдавать меньшее напряжение, которое необходимо увеличить. Устройства выпускают зарубежные (типы 5V NCP1402 и MAX 756) и отечественные (3.3В/5В ЕК-1674). Для зарядки мобильника следует подобрать устройство с USB разъёмом.
2. Нагреватель. Простейшими вариантами являются костёр, свеча, самодельная лампа или миниатюрная печка.
3. Охладитель. Проще всего применять воду или в зимнее время – снег.
4. Соединительные элементы. Необходимо оборудование для создания максимально возможного температурного перепада между двумя сторонами пластины. Здесь выбор за умельцами, они чаще всего применяют 2 кружки или кастрюли разных размеров, у которых отпиливаются ручки и где одна вставляется внутрь другой. Между ними помещается модуль и крепится на термопасту. К нему припаиваются 2 провода и подключаются к преобразователю напряжения.

Для повышения КПД генератора, днища металлических поверхностей кружек или кастрюль, контактирующие с пластиной генератора, следует отполировать. Кроме того, на места между донышками меньшей и большой кружек наносится термостойкий герметик. Тогда тепло от нагрева будет локализовано в месте нахождения модуля.

Провода между модулем и преобразователем защищаются термостойкой изоляцией и герметиком.

Во внутреннюю кружку наливается вода, и вся конструкция ставится на огонь. Через несколько минут можно проверить выходное напряжение мультиметром.

Для того чтобы собрать термоэлектрический генератор самостоятельно, понадобятся материалы:

1. элемент «Пельтье»;
2. корпус от старого блока питания компьютера для изготовления мини-топки;
3. преобразователь напряжения с USB выходом на 5В при входном 1-5 В;
4. радиатор с кулером от процессора;
5. термопаста.

Затраты здесь небольшие и устройство вполне способно зарядить мобильный телефон. Генератор, собранный своими руками, является аналогом зарубежной модели фирмы BioLite. Если его собрать аккуратно, устройство будет надёжно работать долгое время, поскольку ломаться здесь нечему. Важно только не перегреть элемент «Пельтье», отчего он может выйти из строя.

При использовании куллера для охлаждения радиатора его следует подключить к генератору, после чего часть вырабатываемой энергии будет расходоваться на охлаждение.

Несмотря на дополнительные энергозатраты, КПД установки возрастёт. Если радиатор будет сильно нагреваться в процессе работы, необходимо принять меры по его охлаждению. Иначе эффективность работы генератора будет низкой.

Характеристики генератора следующие:

• выходное напряжение – 5В;
• мощность нагрузки – 0,5А;
• тип выхода – USB;
• топливо – любое.

Устройство изготавливается следующим образом:

• разобрать блок питания, оставив корпус;
• приклеить термопастой модуль «Пельтье» к радиатору. Клеить надо холодной стороной, где нанесена маркировка;
• зачистить и отполировать наружную боковую поверхность корпуса блока питания и приклеить к ней элемент другой стороной (вместе с радиатором);
• припаять провода от входа преобразователя напряжения к выводам пластины.

Проверить ТЭГ можно, если наложить внутрь топки тонких веточек и поджечь их. Через несколько минут можно подключать телефон, для подзарядки которого требуется разница температуры сторон модуля 100 0 С. На рисунке ниже изображён генератор в сборке.

Термоэлектрогенератор в сборке, изготовленный своими руками

При использовании ТЭГ необходимо соблюдать полярность подключения модулей.

Видео. Термоэлектрический генератор

Эффект «Пельтье» позволяет создать небольшие генераторы и холодильники, работающие без подвижных частей. Повышение качества модулей и снижение энергопотребления мобильных устройств позволяет создать своими руками термоэлектрогенератор для зарядки аккумуляторов и снабжения небольшим количеством энергией различные устройства, где КПД не имеет особого значения.

Энергия и элементы питания ,

DIY или Сделай сам

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.

Термоэлектрический генератор Пельтье основывается на т.н. «эффекте Пельтье», который был открыт ученым в 1834 году. Он заключается в том, что при пропускании электрического тока в замкнутой цепи, которая состоит из двух соединенных пластин (металлических или полупроводниковых), в них будет возникать разность температур. То есть один элемент будет нагреваться, а второй – охлаждаться. Обратный эффект был открыт еще раньше немецким ученым Зеебеком. Его можно сформулировать так: в замкнутой цепи из двух проводников, контакты которых имеют разную температуру, возникает ток.

Собственно, нас интересует как раз последний вариант, используя который мы будем получать ток. Так что правильнее, пожалуй, было бы говорить о термоэлектрическом генераторе Пельтье-Зеебека.

Сразу стоит отметить, что КПД такого генератора очень низок. И вряд ли стоит ожидать, что полученной энергии хватит на нечто большее, чем зарядка телефона или работа лампочки. Но для туристов и просто энтузиастов этого достаточно.

Для получения тока можно использовать различные конструкции. Самым простым является «кружка», часть которой нагревается огнем, а вторая – охлаждается водой. Мы рассмотрим 3 термоэлектрических генератора Пельтье.

Для этого нам нужно:

• Модуль Пельтье . Мы рекомендуем TEC1-12712. Обратите внимание, что этот модуль выпускается в трех вариантах: 40х40, 50х50, 60х60. Чем больше размер, тем выше стоимость (примерная — 1000-2000 рублей). Нам понадобится либо 1 модуль размером 60х60 или выше, либо 2 модуля размером 40х40. Первые 3 цифры – количество элементов (127). Последние две цифры в маркировке – это максимальный ток. В нашем случае – 12А.
• Повышающий преобразователь постоянного напряжения (до 5В). В большинстве случаев нам будет необходим ток с напряжением 5В. Этого хватит для зарядки телефона, фонарика, радио и для работы обычной лампы накаливания. Но наш генератор, скорее всего, будет выдавать ток меньшего напряжения. Необходимо его измерить и добавить в систему соответствующий преобразователь. Они могут быть как отечественного производства — КР1446ПН1 (или КР1446ПН1Е); повышающий преобразователь 3.3B/5B ЕК-1674. Так и импортного — 5V NCP1402; MAX 756. Цены на них могут существенно отличаться, но, немного поискав, можно купить подходящий преобразователь менее, чем за 10 у.е. Выход преобразователя зависит от того, для чего будет использоваться термогенератор Пельтье. Если для зарядки мобильника – USB разъем и.т.д.
• Нагревательный элемент . Самый простой – костер. Как вариант, можно использовать свечи (только надо будет поправлять генератор по мере того, как свеча будет оплавляться). Принцип тут простой – нужно передать модулю Пельтье как можно больше тепла. Поэтому источник должен быть либо очень горячим – огонь газовой плиты, костер. Либо потери тепла нужно минимизировать. Для этого нагревательный элемент можно поместить в стакан, коробку. Ниже мы остановимся на этом подробнее.
• Охлаждающий элемент. Самый простой – вода или сухой лед. Если вы находитесь у реки – можно попробовать использовать холодную воду. В этом случае нагревательный элемент будет сверху.

Теорию мы прошли, теперь настало время практики.

Нам осталось подобрать последний элемент – соединительные элементы. Их задача – создать максимальную разницу температур между пластинами модулья Пельтье. Здесь есть, где разгуляться фантазии, и многое зависит от того, где, как и зачем вы собираете генератор Пельтье, поэтому мы просто приведем примеры.

Пример 1. Две металлические кружки разного размера с отпиленными ручками. Можно взять ковшик или маленькую кастрюлю. Ставим кастрюлю на огонь (можно использовать и электрическую плиту), сверху кладем модуль и накрываем кружкой или ковшиком меньшего размера, в которую насыпан лед, снег или просто холодная вода. Далее к выходу генератора подпаиваем провод, который ведет к входу преобразователя напряжения. Перед этим поверхности, разумеется, надо отполировать. Также следует нанести и термопасту, подробнее об этом будет сказано ниже.

Пример 2. Нам понадобится свеча Икея, чашка, ковш и пластина из дюралюминия. При помощи термостойкого клея приклеиваем модуль Пельтье к пластине. С другой стороны модуля так же приклеиваем дно ковшика.

Пример 3. Берем модуль на 127 элементов, размеры 50х50. Также понадобятся два алюминиевых бруска, контактные поверхности которых мы предварительно полируем и наносим термопасту. Бруски приклеиваем по обеим сторонам модуля. К «холодному» бруску прикрепляем радиатор. А «горячий» кладем на работающую конфорку электрической плиты.

Мощности вот такого монстра хватило, чтобы зажечь 10-ваттную лампочку, с напряжением до 6В.

Недостатком всех предыдущих вариантов является то, что в домашних условиях трудно организовать эффективное охлаждение. Лед растает, радиатор нагреется. А вот в «диких» условиях все может быть проще: для охлаждения можно использовать речную воду или снег, а для нагрева – упомянутый выше костер.

Важно! КПД генератора Пельтье очень низок, поэтому следует использовать все возможности для улучшения КПД. Все они, так или иначе, направлены на то, чтобы уменьшить потери тепла.

Во-первых, для лучшей теплопроводности поверхность соединительных элементов, которая контактирует с модулем, нужно отполировать до зеркального блеска. Для этого можно использовать станок или дрель со вставленным войлочным пыжем, на который наносится паста ГОИ.

Затем на них следует нанести термопасту, которая хорошо проводит тепло. Взять ее можно в любом магазине радио- или компьютерной техники.

Также на места, через которые «уходит» тепло, можно нанести термостойкий герметик. В нашей первой конструкции это будет пространство между донышками большего ковша и меньшей кружки. Благодаря этому полученное тепло не будет «расходиться» по всей поверхности донца внешней кружки. В этом нет необходимости, если у вас донца примерно одного размера, как это показано на фото ниже.

И чашка, и ковш примерно одного диаметра – все тепло от чашки уходит наверх, к модулю Пельтье.

Если провода между модулем и преобразователем проходят в «горячей зоне», их также следует изолировать термостойким герметиком или тканью.

Измерить полученный ток можно тестером, светодиодом, маломощной лампочкой и т.д. Отметим, что ток появляется не сразу после запуска, а спустя 1-2 минуты.

Холодильное оборудование настолько прочно вошло в нашу жизнь, что даже трудно представить, как можно было без него обходиться. Но классические конструкции на хладагентах не подходят для мобильного использования, например, в качестве походной сумки-холодильника.

Для этой цели используются установки, в которых принцип работы построен на эффекте Пельтье. Кратко расскажем об этом явлении.

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.

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.

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

Технические характеристики

Характеристики термоэлектрических модулей описываются следующими параметрами:

• холодопроизводительностью (Q max), эта характеристика определяется на основе максимально допустимого тока и разности температуры между сторонами модуля, измеряется в Ваттах;
• максимальным температурным перепадом между сторонами элемента (DT max), параметр приводится для идеальных условий, единица измерения – градусы;
• допустимая сила тока, необходимая для обеспечения максимального температурного перепада – I max ;
• максимальным напряжением U max , необходимым для тока I max , чтобы достигнуть пиковой разницы DT max ;
• внутренним сопротивлением модуля – Resistance, указывается в Омах;
• коэффициентом эффективности – СОР (аббревиатура от английского – coefficient of performance), по сути это КПД устройства, показывающее отношение охлаждающей к потребляемой мощности. У недорогих элементов этот параметр находится в пределах 0,3-0,35, у более дорогих моделей приближается к 0,5.

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.

Применение

Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:

• мобильных холодильных установок;
• небольших генераторов для выработки электричества;
• систем охлаждения в персональных компьютерах;
• кулеры для охлаждения и нагрева воды;
• осушители воздуха и т.д.

Приведем детальные примеры использования термоэлектрических модулей.

Холодильник на элементах Пельтье

Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:

• простота конструкции;
• устойчивость к вибрации;
• отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• низкий уровень шума;
• небольшие габариты;
• возможность работы в любом положении;
• длительный срок службы;
• небольшое потребление энергии.

Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.

Элемент Пельтье как генератор электроэнергии

Термоэлектрические модули могут работать в качестве генераторов электроэнергии, если одну из их сторон подвергнуть принудительному нагреву. Чем больше разница температур между сторонами, тем выше сила тока, вырабатываемая источником. К сожалению, максимальная температура для термогенератора ограничена, она не может быть выше точки плавления припоя, используемого в модуле. Нарушение этого условия приведет к выходу элемента из строя.

Для серийного производства термогенераторов используют специальные модули с тугоплавким припоем, их можно нагревать до температуры 300°С. В обычных элементах, например, ТЕС1 12715, ограничение – 150 градусов.

Поскольку КПД таких устройств невысокий, их применяют только в тех случаях, когда нет возможности использовать более эффективный источник электрической энергии. Тем не менее, термогенераторы на 5-10 Вт пользуются спросом у туристов, геологов и жителей отдаленных районов. Большие и мощные стационарные установки, работающие от высокотемпературного топлива, используют для питания приборов газораспределительных узлов, аппаратуры метеорологических станций и т.д.

Для охлаждения процессора

Относительно недавно данные модули стали использовать в системах охлаждения CPU персональных компьютеров. Учитывая низкую эффективность термоэлементов, польза от таких конструкций довольно сомнительна. Например, чтобы охладить источник тепла мощностью 100-170 Вт (соответствует большинству современных моделей CPU), потребуется потратить 400-680 Вт, что требует установки мощного блока питания.

Второй подводный камень – незагруженный процессор будет меньше выделять тепловой энергии, и модуль может охладить его меньше точки росы. В результате начнет образовываться конденсат, что, гарантировано, выведет электронику из строя.

Тем, кто решиться создать такую систему самостоятельно, потребуется провести серию расчетов по подбору мощности модуля под определенную модель процессора.

Исходя из выше сказанного, использовать данные модули в качестве системы охлаждения CPU не рентабельно, помимо этого они могут стать причиной выхода компьютерной техники из строя.

Совсем иначе обстоит дело с гибридными устройствами, где термомодули используются совместно с водяным или воздушным охлаждением.

Гибридные системы охлаждения доказали свою эффективность, но высокая стоимость ограничивает круг их почитателей.

Кондиционер на элементах Пельтье

Теоретически такое устройство конструктивно будет значительно проще классических систем климат-контроля, но все упирается в низкую производительность. Одно дело – охладить небольшой объем холодильной камеры, другое – помещение или салон автомобиля. Кондиционеры на термоэлектрических модулях будут больше (в 3-4 раза) потреблять электроэнергии, чем оборудование, работающее на хладагенте.

Что касается использования в качестве автомобильной системы климат-контроля, то для работы такого устройства мощности штатного генератора будет недостаточно. Замена его на более производительное оборудование приведет к существенному расходу топлива, что не рентабельно.

В тематических форумах периодически возникают дискуссии на эту тему и рассматриваются различные самодельные конструкции, но полноценного рабочего прототипа пока не создано (не считая кондиционера для хомячка). Вполне возможно, ситуация измениться, когда появятся в широком доступе модули с более приемлемым КПД.

Для охлаждения воды

Термоэлектрический элемент часто используют как охладитель для кулеров воды. Конструкция включает в себя: охлаждающий модуль, контролер, управляемый термостатом и обогреватель. Такая реализация значительно проще и дешевле компрессорной схемы, помимо этого, она надежней и проще в эксплуатации. Но есть и определенные недостатки:

• вода не охлаждается ниже 10-12°С;
• на охлаждение требуется дольше времени, чем компрессорному аналогу, следовательно, такой кулер не подойдет для офиса с большим количеством работников;
• устройство чувствительно к внешней температуре, в теплом помещении вода не будет охлаждаться до минимальной температуры;
• не рекомендуется установка в запыленных комнатах, поскольку может забиться вентилятор и охлаждающий модуль выйдет из строя.

Настольный кулер для воды с использованием элемента Пельтье

Осушитель воздуха на элементах Пельтье

В отличие от кондиционера, реализация осушителя воздуха на термоэлектрических элементах вполне возможна. Конструкция получается довольно простой и недорогой. Охлаждающий модуль понижает температуру радиатора ниже точки росы, в результате на нем оседает влага, содержащаяся в воздухе, проходящем через устройство. Осевшая вода отводится в специальный накопитель.

Несмотря на низкий КПД, в данном случае эффективность устройства вполне удовлетворительная.

Как подключить?

С подключением модуля проблем не возникнет, на провода выходов необходимо подать постоянное напряжение, его величина указанна в даташит элемента. Красный провод необходимо подключить к плюсу, черный – к минусу. Внимание! Смена полярности меняет местами охлаждаемую и нагреваемую поверхности.

Как проверить элемент Пельтье на работоспособность?

Самый простой и надежный способ – тактильный. Необходимо подключить модуль к соответствующему источнику напряжения и дотронуться до его разных сторон. У работоспособного элемента одна из них будет теплее, другая – холоднее.

Если подходящего источника под рукой нет, потребуется мультиметр и зажигалка. Процесс проверки довольно прост:

1. подключаем щупы к выводам модуля;
2. подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
3. наблюдаем за показаниями прибора.

В рабочем модуле при нагреве одной из сторон генерируется электрический ток, что отобразится на табло прибора.

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Сделать самодельный модуль в домашних условиях практически невозможно, тем более в этом нет смысла, учитывая их относительно невысокую стоимость (порядка $4-$10). Но можно собрать устройство, которое будет полезным в походе, например, термоэлектрический генератор.

Для стабилизации напряжения необходимо собрать простой преобразователь на микросхеме ИМС L6920.

На вход такого преобразователя подается напряжение в диапазоне 0,8-5,5 В, на выходе он будет выдавать стабильные 5 В, что вполне достаточно для подзарядки большинства мобильных устройств. Если используется обычный элемент Пельтье, необходимо ограничить рабочий диапазон температуры нагреваемой стороны 150 °С. Чтобы не утруждать себя отслеживанием, в качестве источника тепла лучше использовать котелок с кипящей водой. В этом случае элемент гарантировано не нагреется выше температуры 100 °С.