Produciamo elettricità gratuita: un semplice generatore fatto in casa. Generatore di elementi Peltier

Bene, tutti i grafici sono disegnati, tutte le tabelle sono compilate, ora puoi sognare. In generale, se si stima al massimo il consumo energetico durante un'escursione, si ottiene quanto segue:
Navigatore GPS - 0,3 W x 10 h = 3 W*h al giorno;
fotocamera (Canon DSLR) - batteria da 8 Wh per 4 giorni = 2 Wh al giorno;
videocamera (videoregistratore per catturare momenti interessanti del viaggio, circa 1 ora di video al giorno) - 1,6 Wh al giorno;
cellulare - circa 0,2 Wh al giorno;
Torcia LED per illuminazione serale del parcheggio - 2 Wh al giorno.
Totale otteniamo: 3 + 2 + 1,6 + 0,2 + 2 = 8,8 Wh al giorno. Tenendo conto delle perdite durante la ricarica delle batterie di questi dispositivi e delle spese impreviste, è possibile arrotondare facilmente questa cifra a 10 Wh al giorno, che equivale approssimativamente a tre batterie AA NiMH (3,2 Wh ciascuna). Assumeremo che questa sia la quantità di elettricità che ti consente di viaggiare comodamente lungo un percorso precedentemente pianificato senza limitare i tuoi impulsi creativi. Questo calcolo è più o meno corretto per un'uscita in solitaria o in gruppo di due persone. Se ci sono più persone, per ogni persona viene aggiunto un ulteriore consumatore, che si tratti di un telefono cellulare o di un'altra fotocamera. Penso che per ogni partecipante “extra” si possa tranquillamente aggiungere 1 Wh, ovvero per un gruppo di 6 persone un livello di consumo energetico confortevole sarà di 14 Wh o circa 4,5 batterie AA. Supponiamo che l'escursione duri 10 giorni, quindi per un gruppo di 2 persone avrete bisogno di 100 Wh di energia, ovvero 31 batterie NiMH con un peso totale di 31 x 31,5 = 976,5 g, cioè quasi 1 kg di batterie. Se prendi batterie alcaline, le migliori danno 2,2 Wh e te ne serviranno 45. Non conosco il loro peso, ma anche se pesano 25 g ciascuno, il totale ammonta a più di un chilogrammo. Per un gruppo di 6 persone, la quantità totale di elettricità è di 140 Wh, ovvero quasi 44 batterie che pesano 1.386 go 64 batterie che pesano ancora di più. Se portate con voi batterie LiPo, come quelle utilizzate dai modellisti, allora per due persone sarà una batteria che pesa 100 Wh ÷ 160 Wh/kg = 0,625 kg o 625 g. Per un gruppo di 6 persone, la massa della batteria LiPo saranno 875 g.
Ora scopriamo come stanno andando le cose con il termogeneratore. Supponiamo di avere uno o più moduli TEC1-12709, riscaldarlo a una temperatura non superiore a 150 °C, raffreddarlo in un flusso con una temperatura di 15 °C, ovvero sul lato freddo ci saranno 20 °C, la differenza di temperatura è 150 - 20 = 130 °C. Per un tale valore di differenza di temperatura non ho un indicatore di efficienza, dovrò contare. Prendiamo due valori massimi sul grafico dell'efficienza rispetto alla corrente per TEC1-12709, ad esempio 13,6 mW/°C per una differenza di temperatura media di 71 °C e 15,7 mW/°C per 87 °C e calcoliamo di quanto l'efficienza è aumentata aumentando la differenza di temperatura di 87 - 71 = 16 °C. Risulta essere 2,1 mW/°C. E poi in proporzione: se un aumento della differenza di 16 °C porta ad un aumento di efficienza di 2,1 mW/°C, allora un aumento della differenza di 130 - 87 = 43 °C porterà ad un aumento di efficienza di (43 x 2,1) ÷ 16 = 5,6 mW/°C. Ciò significa che l'efficienza ad una differenza di temperatura di 130 °C sarà pari a 15,7 + 5,6 = 21,3 mW/°C. Di conseguenza, otteniamo 21,3 x 130 = 2769 mW o 2,8 W. Questo valore è abbastanza vicino alla realtà, a giudicare dal fatto che in alcuni esperimenti video due moduli hanno prodotto 4...6 W. Per ottenere 10 Wh di energia utilizzando un modulo, il generatore deve funzionare per 10 ÷ 2,8 = 3,57 ore, e per 14 Wh - 5 ore. Cioè, se utilizzi un termogeneratore composto da 2 elementi Peltier, la generazione di elettricità anche per un gruppo numeroso non richiede molto tempo.
L'unico grosso problema con la generazione di elettricità durante il campeggio utilizzando questo metodo è la dissipazione del calore sul lato freddo. Il migliore e più ottimale è il raffreddamento ad acqua, poiché l'acqua ha un'elevata capacità termica. A questo proposito, i turisti acquatici sono più fortunati dei ciclisti: il loro metodo di trasporto è legato specificamente all'acqua, e se si pensa alla progettazione del generatore (è molto strano il motivo per cui non è stato ancora pensato e realizzato su scala industriale) , quindi possono generare elettricità durante la guida. Il generatore è parzialmente immerso nell'acqua e parzialmente galleggia in superficie. Il combustibile viene caricato nel forno man mano che si consuma e il tutto viene raffreddato con acqua dall'esterno. Il carburante viene raccolto e preparato presso l'area di sosta.
Se non vuoi preoccuparti di raccogliere legna da ardere e pigne, puoi pensare al design di una stufa a gas. Vale la pena fare un po' di conti qui. Quindi abbiamo:
bombola di gas liquefatto per bruciatori a gas con combustibile del peso di 450 g;
composizione: isobutano - 72%, propano - 22%, butano - 6%, in termini di peso sono rispettivamente 324 g, 99 ge 27 g;
il potere calorifico di questi gas è rispettivamente di 49,22 MJ/kg, 48,34 MJ/kg e 49,34 MJ/kg.
Dopo la moltiplicazione e l'addizione, abbiamo 22,07 MJ in una bombola di gas liquefatto. Consideriamo l'efficienza del nostro generatore pari all'1%, quindi otteniamo 220 kJ come elettricità, ovvero 61,3 Wh. A cosa puoi paragonarlo? Bene, ad esempio, con 19 batterie NiMH AA. Non molto e piuttosto costoso, il gas non è economico.
Poiché l'uso del gas è costoso, puoi inventare qualcosa che utilizzi combustibile liquido, come la benzina. Ho cercato un po' su Internet un catalizzatore economico per bruciatori catalitici, ma non sono riuscito a trovare altro che l'ossido di cromo (VI) ottenuto dal dicromato di ammonio. Sì, e non tutto va così liscio, ma se lo desideri, attraverso una certa quantità di sperimentazione puoi ottenere risultati positivi stabili anche qui. I cuscinetti riscaldanti catalitici prodotti in Cina molto probabilmente utilizzano tracce di elementi del gruppo del platino. Se solo ci fosse un catalizzatore come in questo termoforo, ma più grande per gli elementi Peltier. Il risultato sarebbe un generatore compatto e leggero. Il potere calorifico della benzina è 44,5 MJ/kg, densità 0,74 kg/l, da un litro di benzina si ottengono 33 MJ di energia, con un'efficienza dell'1% si tratta di 330 kJ o 91,6 Wh di elettricità (28 batterie AA). Un'opzione più economica, ma raccogli e prepara comunque ciò che è disponibile in natura gratuito il carburante è naturalmente più redditizio e non ha una caratteristica molto spiacevole inerente alle forniture acquistate nel negozio: non si esaurisce nel momento più inopportuno.

Un gran numero di dispositivi elettronici assorbono energia elettrica, che deve essere costantemente rinnovata. Mentre sei in viaggio, devi portare con te fonti di corrente chimica o generare elettricità dall'energia meccanica utilizzando dispositivi complessi e ingombranti.

Tipologia di generatore termoelettrico

Ancor prima Seebeck aveva scoperto la presenza di termo-EMF in un circuito di conduttori diversi quando si mantengono temperature diverse nel punto di contatto. Sulla base degli effetti termoelettrici, è stato creato il cosiddetto elemento o modulo Peltier, costituito da 2 piastre ceramiche con un bimetallo situato tra di loro. Quando viene applicata corrente elettrica attraverso di essi, un lato della piastra si riscalda e l'altro si raffredda, il che rende possibile la creazione di frigoriferi. La figura seguente mostra moduli di diverse dimensioni utilizzati nella tecnologia.

Moduli Peltier di diverse dimensioni

Il processo è reversibile: se si mantiene una differenza di temperatura tra gli elementi su entrambi i lati, questi genereranno corrente elettrica, che consente di utilizzare il dispositivo come generatore termoelettrico per generare una piccola quantità di elettricità.

L'effetto Peltier è il rilascio di calore nel punto di contatto di conduttori diversi quando la corrente elettrica li attraversa.

Principio di funzionamento dei moduli

Al contatto di conduttori diversi, il calore viene rilasciato o assorbito a seconda della direzione della corrente elettrica. Il flusso di elettroni ha energia potenziale e cinetica. La densità di corrente nei conduttori in contatto è la stessa, ma le densità di flusso di energia sono diverse.

Se l'energia che fluisce nel contatto è maggiore dell'energia che ne esce, ciò significa che gli elettroni vengono rallentati nel punto di transizione da una regione all'altra e riscaldano il reticolo cristallino (il campo elettrico rallenta il loro movimento). Quando la direzione della corrente cambia, si verifica il processo inverso di accelerazione degli elettroni, quando l'energia viene prelevata dal reticolo cristallino e avviene il suo raffreddamento (le direzioni del campo elettrico e il movimento degli elettroni coincidono).

La differenza energetica delle cariche al confine dei semiconduttori è massima e lì l'effetto si manifesta con maggiore forza.

Modulo Peltier

Il più comune è il modulo termoelettrico (TEM), costituito da semiconduttori di tipo p e n collegati tra loro tramite conduttori di rame.

Schema del principio di funzionamento del modulo

In un elemento ci sono 4 transizioni tra metallo e semiconduttori. In un circuito chiuso, il flusso di elettroni si sposta dal polo negativo della batteria a quello positivo, passando in sequenza attraverso ogni transizione.

Vicino alla prima transizione del semiconduttore di tipo rame-p, il calore viene rilasciato nella zona del semiconduttore mentre gli elettroni si spostano verso uno stato con energia inferiore.

Vicino al confine successivo con il metallo nel semiconduttore, il calore viene assorbito a causa del “risucchio” degli elettroni dalla zona di conduttività p sotto l'influenza di un campo elettrico.

Nella terza transizione, gli elettroni entrano nel semiconduttore di tipo n, dove hanno un'energia maggiore rispetto al metallo. In questo caso, l'energia viene assorbita e il semiconduttore viene raffreddato vicino al confine di transizione.

L'ultima transizione è accompagnata da un processo inverso di rilascio di calore nel semiconduttore n dovuto alla transizione degli elettroni in una zona con energia inferiore.

Poiché le transizioni di riscaldamento e raffreddamento si trovano su piani diversi, l'elemento Peltier verrà raffreddato dall'alto e riscaldato dal basso.

In pratica, ogni elemento contiene un gran numero di transizioni di riscaldamento e raffreddamento, che portano alla formazione di una notevole differenza di temperatura, che rende possibile la creazione di un generatore termoelettrico.

Come appare la struttura del modulo?

L'elemento Peltier contiene un gran numero di parallelepipedi semiconduttori di tipo p e n, collegati in serie con ponticelli metallici - contatti termici, l'altro lato a contatto con la piastra ceramica.

Come semiconduttori vengono utilizzati il ​​tellururo di bismuto e il germanuro di silicio.

Vantaggi e svantaggi del TEM

I vantaggi di un modulo termoelettrico (TEM) includono:

• piccole dimensioni;
• la capacità di far funzionare sia i refrigeratori che i riscaldatori;
• reversibilità del processo quando si cambia polarità, consentendo di mantenere un valore esatto di temperatura;
• assenza di elementi in movimento che solitamente si usurano.

Svantaggi dei moduli:

• bassa efficienza (2-3%);
• la necessità di creare una fonte che fornisca una differenza di temperatura;
• consumo energetico significativo;
• alto prezzo.

Nonostante gli svantaggi, i TEM vengono utilizzati laddove gli elevati costi energetici non sono importanti:

• raffreddamento di chip, parti di fotocamere digitali, laser a diodi, oscillatori al quarzo, rilevatori di infrarossi;
• l'uso di cascate TEM per raggiungere basse temperature;
• creazione di frigoriferi compatti, ad esempio, per automobili;
• generatore termoelettrico per la ricarica di dispositivi mobili.

Con una bassa produttività, è consigliabile utilizzare i TEG in condizioni di campeggio, dove è necessario procurarsi elettricità per caricare un telefono cellulare o una lampadina a LED. La semplicità del design ti consente di realizzare un generatore elettrico con le tue mani.

Fonti alternative includono anche pannelli solari o un generatore eolico. I primi richiedono condizioni speciali: la presenza di luce solare, che potrebbe non essere sempre disponibile. Un'altra fonte è grande e richiede vento. Un altro svantaggio è la presenza di parti mobili che riducono l'affidabilità e sono pesanti.

Termogeneratori industriali

BioLite ha sviluppato un nuovo modello per l'escursionismo che ti consente di cucinare il cibo in una stufa a legna compatta e portatile e allo stesso tempo caricare il tuo dispositivo mobile dal TEG integrato.

Stufa a legna portatile compatta

Il dispositivo tornerà utile ovunque: pesca, escursionismo, alla dacia. Tutto ciò che brucia può essere utilizzato come combustibile.

Quando il combustibile viene bruciato nel forno, il calore viene trasferito attraverso la parete al modulo, che genera elettricità. Con una tensione di 5 V, la potenza in uscita è di 2-4 W, sufficiente per caricare molti tipi di dispositivi mobili e far funzionare l'illuminazione a LED. La freccia rossa mostra la direzione del movimento del calore, la freccia blu mostra l'aria fredda nel forno, la freccia gialla mostra la fornitura di energia elettrica per ruotare la ventola di aspirazione dell'aria e per l'uscita del generatore tramite USB.

Schema di funzionamento di BioLite TEG su legno

Il forno generatore Indigirka, sviluppato dalla società Kryotherm di San Pietroburgo, ha le seguenti caratteristiche:

• potenza termica – 6 kW;
• peso – 56 kg;
• dimensioni – 500x530x650 mm;
• e-mail potenza a tensione 5V – 60 W.

La stufa è una stufa per riscaldamento e cottura convenzionale, con generatori termoelettrici fissati su entrambi i lati.

Che aspetto ha il forno generatore termoelettrico Indigirka?

Il dispositivo è abbastanza conveniente, ma il prezzo è impressionante: 50 mila rubli. Sebbene la stufa sia destinata alle condizioni di campeggio, chiaramente non sarà conveniente per i normali cacciatori e pescatori. Come sistema di riscaldamento, non è migliore dei modelli convenzionali ed economici.

Se colleghi un TEG a una semplice stufa, il dispositivo fatto in casa funzionerà perfettamente.

TEG fai da te

Per assemblare un generatore termoelettrico con le tue mani, sono necessari i seguenti elementi:

1. Modulo. Per generare corrente elettrica non è possibile utilizzare tutti i moduli, ma solo quelli che possono sopportare un riscaldamento fino a 300-400 0 C. È necessaria una riserva di riscaldamento, poiché anche con un leggero surriscaldamento l'elemento si guasta. I modelli più comuni sono il tipo TEC1-12712 sotto forma di piastre quadrate con lato di 40, 50 o 60 mm.

Se prendiamo la dimensione massima, è sufficiente utilizzare un elemento in un design fai-da-te. Le prime 3 cifre della marcatura - 127 - indicano quanti elementi sono contenuti in 1 piastra. Gli ultimi numeri mostrano la corrente massima consentita, che è 12 A.

1. Convertitore potenziato. È necessario ottenere una tensione costante di 5V. Il generatore potrebbe produrre meno tensione, che deve essere aumentata. I dispositivi sono prodotti esteri (tipi 5V NCP1402 e MAX 756) e domestici (3,3 V/5 V EK-1674). Per caricare il tuo cellulare, dovresti scegliere un dispositivo dotato di connettore USB.
2. Stufa. Le opzioni più semplici sono un fuoco, una candela, una lampada fatta in casa o una stufa in miniatura.
3. Più fresco. Il modo più semplice è utilizzare l'acqua o, in inverno, la neve.
4. Elementi di collegamento. L'attrezzatura è necessaria per creare la massima differenza di temperatura possibile tra i due lati della piastra. Qui la scelta spetta agli artigiani, molto spesso utilizzano 2 tazze o padelle di diverse dimensioni, i cui manici sono segati e dove l'una è inserita nell'altra. Un modulo viene posizionato tra di loro e fissato con pasta termica. 2 fili sono saldati ad esso e collegati a un convertitore di tensione.

Per aumentare l'efficienza del generatore è opportuno lucidare il fondo delle superfici metalliche di tazze o pentole a contatto con la piastra del generatore. Inoltre, negli spazi tra i fondi delle tazze più piccole e di quelle più grandi viene applicato un sigillante resistente al calore. Quindi il calore derivante dal riscaldamento verrà localizzato nella posizione del modulo.

I cavi tra il modulo e il convertitore sono protetti con isolante e sigillante resistente al calore.

L'acqua viene versata nella tazza interna e l'intera struttura viene data alle fiamme. Dopo alcuni minuti, puoi controllare la tensione di uscita con un multimetro.

Per assemblare da solo un generatore termoelettrico, avrai bisogno dei seguenti materiali:

1. Elemento Peltier";
2. un alloggiamento di un vecchio alimentatore per computer per realizzare un mini-focolare;
3. convertitore di tensione con uscita USB a 5V con ingresso 1-5V;
4. radiatore con dispositivo di raffreddamento del processore;
5. pasta termica.

I costi qui sono piccoli e il dispositivo è perfettamente in grado di caricare un telefono cellulare. Il generatore autoassemblato è un analogo del modello straniero di BioLite. Se lo assembli con attenzione, il dispositivo funzionerà in modo affidabile per molto tempo, poiché qui non c'è nulla da rompere. È importante solo non surriscaldare l'elemento Peltier, che potrebbe causarne il guasto.

Quando si utilizza un dispositivo di raffreddamento per raffreddare un radiatore, è necessario collegarlo a un generatore, dopodiché parte dell'energia generata verrà spesa per il raffreddamento.

Nonostante il consumo energetico aggiuntivo, l’efficienza dell’impianto aumenterà. Se il radiatore diventa molto caldo durante il funzionamento, è necessario adottare misure per raffreddarlo. Altrimenti, l'efficienza operativa del generatore sarà bassa.

Le caratteristiche del generatore sono le seguenti:

• tensione di uscita – 5 V;
• potenza di carico – 0,5 A;
• tipo di uscita – USB;
• carburante - qualsiasi.

Il dispositivo è prodotto come segue:

• smontare l'alimentatore, lasciando la custodia;
• incollare il modulo Peltier al radiatore con pasta termica. È necessario incollare con il lato freddo dove è applicata la marcatura;
• pulire e lucidare la superficie laterale esterna dell'alloggiamento dell'alimentatore e incollare l'elemento su di essa con l'altro lato (insieme al radiatore);
• Saldare i fili dall'ingresso del convertitore di tensione ai terminali della piastra.

Puoi controllare il TEG posizionando rami sottili all'interno del focolare e dando loro fuoco. Dopo pochi minuti è possibile collegare il telefono, che per ricaricarsi richiede una differenza di temperatura di 100 0 C tra i lati del modulo. La figura sotto mostra il generatore assemblato.

Generatore termoelettrico assemblato fai da te

Quando si utilizza TEG, è necessario rispettare la polarità di collegamento dei moduli.

Video. Generatore termoelettrico

L'effetto Peltier permette di realizzare piccoli generatori e frigoriferi che funzionano senza parti in movimento. Migliorare la qualità dei moduli e ridurre il consumo energetico dei dispositivi mobili consente di creare con le proprie mani un generatore termoelettrico per caricare le batterie e fornire una piccola quantità di energia a vari dispositivi dove l'efficienza non è particolarmente importante.

Utilizzando dispositivi semplici, è possibile sfruttare la perdita di calore derivante dal riscaldamento di aria o liquidi. In questo articolo ti spiegheremo come utilizzare l'energia di scarto di stufe, caldaie e fuochi aperti, convertendola in corrente elettrica continua di bassa intensità.

Qualsiasi processo chimico avviene con il rilascio di vari tipi di energia. Una fonte così potente come la combustione è stata utilizzata in ogni momento. Può essere definita la fonte primaria di calore e luce. Quasi tutte le sostanze sulla Terra bruciano, rilasciando calore e luce in quantità diverse. Convertire l'energia termica in energia elettrica non è difficile se si ha a portata di mano una turbina a vapore funzionante, simile a quelle installate nelle centrali termoelettriche. Si tratta di un dispositivo ingombrante e complesso che difficilmente troverà posto nel locale caldaia di una casa di campagna. Cercheremo di beneficiare del calore generato dal riscaldamento della stufa o dal riscaldamento dell'acqua.

L'effetto Peltier è un fenomeno di differenza di temperatura quando termocoppie di due diversi tipi di conduttori (tipo p e tipo n) interagiscono quando una corrente continua le attraversa. L'effetto Seebeck è una conseguenza dell'effetto Peltier, quando viene generata una corrente elettrica quando una delle termocoppie viene riscaldata. Non descriveremo in dettaglio la termodinamica del processo: queste informazioni di difficile comprensione possono essere facilmente reperite nella letteratura di riferimento. Siamo interessati al risultato e alle opzioni per il suo utilizzo pratico.

Progettazione del modulo termoelettrico

Un modulo termoelettrico (TEM) è costituito da numerose termocoppie collegate tra loro da una piastra di rame. Il campo della termocoppia è incollato tra due piastre ceramiche. È possibile assemblare un modulo di questo tipo solo in un ambiente di fabbrica. Ma puoi anche assemblare diversi TEM per le tue esigenze a casa. Gli elementi Peltier-Seebeck sono disponibili per la vendita gratuita nei negozi specializzati (e sui siti web) che vendono apparecchiature tecnologiche.

Assemblare un TEM da 5 V

Cosa ti servirà:

• Modulo Peltier TEC1-12705 (40x40) - 2 pz.;
• boost convertitore di tensione CC EK-1674;
• foglio di duralluminio di spessore 3 mm;
• un contenitore per l'acqua con fondo perfettamente piatto (mestolo);
• colla calda;
• saldatore

Da un foglio di duralluminio ritagliamo due piastre identiche, leggermente più grandi di due moduli posti uno accanto all'altro. Rafforziamo le piastre sui moduli su entrambi i lati con colla a caldo. Fissiamo (con colla a caldo) il “sandwich” risultante sul fondo del mestolo. Questo progetto può già essere messo a fuoco, ma in uscita otterremo 1,5 V inutili. Per migliorare le prestazioni, abbiamo bisogno di un convertitore boost, che saldiamo nel circuito. Aumenterà la tensione a 5 V e questo è già sufficiente per caricare un telefono cellulare.

Attenzione! Il convertitore ha dimensioni di 1,5x1,5 cm Se non si dispone di competenze professionali, affidare la saldatura a uno specialista.

La differenza di temperatura nel nostro progetto è ottenuta riscaldando un lato (dal forno o dalla fiamma) e raffreddando l'altro (acqua nella siviera). Naturalmente, maggiore è la differenza, più efficiente è il modulo. Pertanto, per funzionare in modalità microgeneratore, sarà necessaria una temperatura dell'acqua nella siviera relativamente bassa (è meglio sostituirla periodicamente). Per generare gli ambiti 5 V è sufficiente posizionare la struttura su un vetro con una candela accesa.

Combinando proporzionalmente più moduli, otteniamo un sistema di generazione di energia più efficiente. Di conseguenza, aumentando la struttura, aumentiamo proporzionalmente lo scambiatore di calore. In questo caso la superficie da raffreddare dovrà essere completamente ricoperta da un contenitore d'acqua (l'opzione più semplice ed economica).

Tutto è così semplice che senti subito il desiderio di assemblare più moduli in un unico sistema e generare 220 V dal fuoco. E poi collegare lo scaldabagno o il condizionatore d'aria. Un sistema così semplice ha i suoi svantaggi e il principale è la bassa efficienza. In genere questa cifra non supera il 5%. Ciò si traduce in una corrente relativamente bassa di 0,5 - 0,8 A e una potenza molto bassa - fino a 4 W.

Per una pompa o una lampada a incandescenza questo è trascurabile, ma abbastanza per:

• ricarica batterie fino a batterie moto (in varianti proporzionali alle esigenze);
• funzionamento di lampade a diodi emettitori di luce (LED);
• ricevitore radio

In inverno, un sistema posizionato su una fonte di calore situata all'esterno funzionerà nel modo più efficiente possibile.

Costi dei materiali per l'assemblaggio di un microgeneratore termoelettrico da 5 V:

*- Questo modello di elemento è stato scelto per ragioni di prezzo. La gamma di TEM delle aziende fornitrici è piuttosto ampia, il che consente di selezionare modelli più produttivi (fino a 8 V) (sono significativamente più costosi).

I prodotti fabbricati in fabbrica con questo design stanno appena iniziando ad apparire in vendita. La produzione in serie viene effettuata in piccoli lotti e la gamma è ridotta. Il costo di un simile "secchio" parte da 2.500 rubli.

Un generatore termico industriale è un dispositivo basato sull'effetto Peltier-Seebeck, che può essere fissato direttamente su una superficie riscaldata. Si distingue dal progetto sopra descritto per l'esecuzione di fabbrica (e quindi affidabilità), l'assenza di uno scambiatore di calore a liquido (ci sono invece delle alette per il raffreddamento dell'aria) e un prezzo più elevato.

Un termogeneratore “ambulante” standard ha le seguenti caratteristiche:

Come si può vedere dalla tabella, l'affidabilità e l'utilità di fabbrica non sono economiche. Tuttavia, non si può dire che sia funzionalmente superiore alla versione fatta in casa con un secchio. Ben 13,5 V accelereranno la ricarica del tuo cellulare, ma per questo dovrai portare con te 2 kg di peso durante un'escursione, e questo è un lusso insostenibile (considerando le dimensioni del dispositivo). E, naturalmente, il prezzo ti fa pensare. Con questa quantità puoi assemblare non un "mestolo termico", ma una "padella termica" e caricare facilmente il tuo laptop. E un'altra sfumatura: il dispositivo richiede ancora il fissaggio su una piastra metallica se viene utilizzato un fuoco aperto.

Nel complesso, questa è un'aggiunta piacevole e conveniente per coloro che non hanno problemi con i soldi e con lo spazio libero nel bagagliaio.

Fornace energetica

Oggi la fornace energetica è l’apoteosi dell’uso dei TEM nella vita di tutti i giorni. Si tratta di un prodotto di fabbrica, essenzialmente un focolare “stufa panciuta” per qualsiasi tipo di combustibile solido con modulo termoelettrico integrato. Un'opzione ideale per capanni di caccia, cottage estivi, remoti quartieri invernali e in generale qualsiasi tipo di vita lontana dalla civiltà. Progettato per un uso autonomo (senza dissipatori periferici), è dotato solo di focolare e canna fumaria. Include la preparazione del cibo. Su questo forno sono installati gli elementi Peltier-Seebeck più potenti.

Caratteristiche dei forni energetici:

Sebbene il fornello sia portatile, è sicuramente un “peso massimo” tra gli elettrodomestici. Tuttavia, la gamma di compiti di un forno energetico è piuttosto ampia: può persino caricare le batterie delle automobili e illuminare intere stanze con lampade a LED. C'è posto per lui in un convoglio di spedizione e in un fuoristrada da caccia, in un locale tecnico e in campagna. In altre parole, in questo caso abbiamo sempre con noi la fonte di calore, non dobbiamo fare altro che reperire il combustibile.

Nella sua nicchia, il forno energetico è indispensabile, anche se la durata dichiarata dal produttore è un po' allarmante: 10 anni. Da notare che, come in un termogeneratore, esiste la possibilità di sostituzione preventiva (o di emergenza) di tutte le parti fino alla carcassa.

I moduli termoelettrici sono oggetti estremamente interessanti. Oltre alle modalità applicative descritte vengono utilizzati anche per l'acqua e il condizionamento dell'aria. Allo stesso tempo, la corrente continua viene fornita allo stesso elemento e funziona "nella direzione opposta": raffredda l'aria. Questa tecnologia viene utilizzata con successo nei condizionatori e nei refrigeratori d'acqua delle automobili, nell'industria automobilistica e nella produzione di microprocessori. Descriveremo questi dispositivi nel prossimo articolo.

Vitaly Dolbinov, rmnt.ru

Le apparecchiature di refrigerazione sono diventate così saldamente radicate nelle nostre vite che è persino difficile immaginare come potremmo vivere senza di esse. Ma i classici design dei refrigeranti non sono adatti per l’uso mobile, ad esempio come borsa frigo da viaggio.

A questo scopo vengono utilizzati impianti il ​​cui principio di funzionamento si basa sull'effetto Peltier. Parliamo brevemente di questo fenomeno.

Cos'è?

Con questo termine si fa riferimento ad un fenomeno termoelettrico scoperto nel 1834 dal naturalista francese Jean-Charles Peltier. L'essenza dell'effetto è il rilascio o l'assorbimento di calore nell'area in cui sono in contatto conduttori diversi attraverso i quali passa la corrente elettrica.

Secondo la teoria classica, il fenomeno si spiega così: la corrente elettrica trasferisce elettroni tra i metalli, che possono accelerare o rallentare il loro movimento, a seconda della differenza di potenziale di contatto tra conduttori di materiali diversi. Di conseguenza, con l'aumento dell'energia cinetica, viene convertita in energia termica.

Sul secondo conduttore si osserva un processo inverso, che richiede il rifornimento di energia, secondo la legge fondamentale della fisica. Ciò avviene a causa della vibrazione termica, che provoca il raffreddamento del metallo di cui è costituito il secondo conduttore.

Le moderne tecnologie consentono di produrre elementi-moduli semiconduttori con il massimo effetto termoelettrico. Ha senso parlare brevemente del loro design.

Progettazione e principio di funzionamento

I moduli moderni sono una struttura costituita da due piastre isolanti (solitamente in ceramica), con termocoppie collegate in serie tra di loro. Uno schema semplificato di tale elemento può essere trovato nella figura seguente.

Designazioni:

• A – contatti per il collegamento ad una fonte di alimentazione;
• B – superficie calda dell'elemento;
• C – lato freddo;
• D – conduttori in rame;
• E – semiconduttore basato sulla giunzione p;
• F – semiconduttore di tipo n.

Il design è realizzato in modo tale che ciascun lato del modulo sia in contatto con giunzioni p-n o n-p (a seconda della polarità). I contatti p-n vengono riscaldati, i contatti n-p vengono raffreddati (vedere Fig. 3). Di conseguenza, sui lati dell'elemento si verifica una differenza di temperatura (DT). Ad un osservatore, questo effetto sembrerà un trasferimento di energia termica tra i lati del modulo. È interessante notare che la modifica della polarità dell'alimentazione porta a un cambiamento nelle superfici calde e fredde.

Riso. 3. A – lato caldo del termoelemento, B – lato freddo

Specifiche

Le caratteristiche dei moduli termoelettrici sono descritte dai seguenti parametri:

• capacità di raffreddamento (Q max), questa caratteristica è determinata in base alla corrente massima consentita e alla differenza di temperatura tra i lati del modulo, misurata in Watt;
• massima differenza di temperatura tra i lati dell'elemento (DT max), il parametro è dato per condizioni ideali, l'unità di misura è gradi;
• corrente ammissibile richiesta per garantire la massima differenza di temperatura – I max;
• la tensione massima U max necessaria affinché la corrente I max raggiunga la differenza di picco DT max ;
• resistenza interna del modulo – Resistenza, indicata in Ohm;
• coefficiente di efficienza - COP (abbreviazione dall'inglese - coefficiente di prestazione), essenzialmente questa è l'efficienza del dispositivo, che mostra il rapporto tra raffreddamento e consumo energetico. Per gli elementi economici questo parametro è compreso tra 0,3 e 0,35, per i modelli più costosi si avvicina a 0,5.

Marcatura

Diamo un'occhiata a come vengono decifrati i contrassegni tipici dei moduli utilizzando l'esempio della Figura 4.

Figura 4. Modulo Peltier contrassegnato con TEC1-12706

La marcatura è divisa in tre gruppi significativi:

1. Designazione dell'elemento. Le prime due lettere restano sempre invariate (TE), indicando che si tratta di un termoelemento. Quello successivo indica la taglia, potrebbero esserci le lettere “C” (standard) e “S” (piccolo). L'ultimo numero indica quanti strati (cascate) ci sono nell'elemento.
2. Il numero di termocoppie presenti nel modulo mostrato in foto è 127.
3. La corrente nominale è in Ampere, per noi è 6 A.

Le marcature di altri modelli della serie TEC1 vengono lette allo stesso modo, ad esempio: 12703, 12705, 12710, ecc.

Applicazione

Nonostante l'efficienza piuttosto bassa, gli elementi termoelettrici sono ampiamente utilizzati nella misurazione, nell'informatica e negli elettrodomestici. I moduli sono un elemento operativo importante dei seguenti dispositivi:

• unità di refrigerazione mobili;
• piccoli generatori per generare energia elettrica;
• sistemi di raffreddamento nei personal computer;
• refrigeratori per il raffreddamento e il riscaldamento dell'acqua;
• deumidificatori, ecc.

Diamo esempi dettagliati dell'uso dei moduli termoelettrici.

Frigorifero con elementi Peltier

Le unità di refrigerazione termoelettriche hanno prestazioni significativamente inferiori rispetto agli analoghi del compressore e dell'assorbimento. Ma presentano vantaggi significativi, che ne rendono consigliabile l’uso in determinate condizioni. Questi vantaggi includono:

• semplicità del design;
• resistenza alle vibrazioni;
• assenza di elementi in movimento (ad eccezione della ventola che soffia il radiatore);
• basso livello di rumore;
• piccole dimensioni;
• capacità di lavorare in qualsiasi posizione;
• lunga durata;
• basso consumo energetico.

Queste caratteristiche sono ideali per installazioni mobili.

Elemento Peltier come generatore di elettricità

I moduli termoelettrici possono funzionare come generatori di energia elettrica se uno dei loro lati è sottoposto a riscaldamento forzato. Maggiore è la differenza di temperatura tra i lati, maggiore è la corrente generata dalla sorgente. Purtroppo la temperatura massima del generatore termico è limitata e non può essere superiore al punto di fusione della lega di saldatura utilizzata nel modulo. La violazione di questa condizione porterà al guasto dell'elemento.

Per la produzione in serie di generatori termici vengono utilizzati moduli speciali con saldature refrattarie che possono essere riscaldati fino ad una temperatura di 300°C. Negli elementi ordinari, ad esempio TEC1 12715, il limite è 150 gradi.

Poiché l'efficienza di tali dispositivi è bassa, vengono utilizzati solo nei casi in cui non è possibile utilizzare una fonte di energia elettrica più efficiente. Tuttavia, i generatori termici da 5-10 W sono richiesti da turisti, geologi e residenti di aree remote. Impianti fissi grandi e potenti alimentati da combustibile ad alta temperatura vengono utilizzati per alimentare unità di distribuzione del gas, apparecchiature di stazioni meteorologiche, ecc.

Per raffreddare il processore

Relativamente recentemente, questi moduli hanno iniziato ad essere utilizzati nei sistemi di raffreddamento della CPU dei personal computer. Considerando la bassa efficienza dei termoelementi, i benefici di tali strutture sono piuttosto dubbi. Ad esempio, per raffreddare una fonte di calore con una potenza di 100-170 W (corrispondente alla maggior parte dei modelli di CPU moderni), dovrai spendere 400-680 W, il che richiede l'installazione di un potente alimentatore.

Il secondo problema è che un processore non caricato rilascerà meno energia termica e il modulo potrà raffreddarlo al di sotto del punto di rugiada. Di conseguenza, inizierà a formarsi della condensa, che sicuramente danneggerà l'elettronica.

Chi decide di realizzare da solo un sistema del genere dovrà effettuare una serie di calcoli per selezionare la potenza del modulo per uno specifico modello di processore.

Sulla base di quanto sopra, l'utilizzo di questi moduli come sistema di raffreddamento della CPU non è conveniente; inoltre, possono causare guasti alle apparecchiature informatiche.

La situazione è completamente diversa con i dispositivi ibridi, dove i moduli termici vengono utilizzati insieme al raffreddamento ad acqua o ad aria.

I sistemi di raffreddamento ibridi hanno dimostrato la loro efficacia, ma i costi elevati limitano la cerchia dei loro ammiratori.

Condizionatore d'aria basato su elementi Peltier

In teoria, un dispositivo del genere sarà strutturalmente molto più semplice dei classici sistemi di climatizzazione, ma tutto si riduce a basse prestazioni. Una cosa è raffreddare un piccolo volume di un frigorifero, un'altra cosa è raffreddare una stanza o l'interno di un'auto. I condizionatori d'aria che utilizzano moduli termoelettrici consumeranno più elettricità (3-4 volte) rispetto alle apparecchiature funzionanti con refrigerante.

Per quanto riguarda l'utilizzo come sistema di climatizzazione dell'auto, la potenza di un generatore standard non sarà sufficiente per far funzionare un dispositivo del genere. Sostituirlo con attrezzature più efficienti comporterà un consumo significativo di carburante, il che non è conveniente.

Nei forum tematici sorgono periodicamente discussioni su questo argomento e vengono presi in considerazione vari progetti fatti in casa, ma non è stato ancora creato un prototipo funzionante a tutti gli effetti (senza contare il condizionatore d'aria per un criceto). È del tutto possibile che la situazione cambierà quando i moduli con efficienza più accettabile diventeranno ampiamente disponibili.

Per l'acqua di raffreddamento

L'elemento termoelettrico viene spesso utilizzato come refrigerante per i refrigeratori d'acqua. Il design comprende: un modulo di raffreddamento, un controller controllato da termostato e un riscaldatore. Questa implementazione è molto più semplice ed economica di un circuito di compressione; inoltre, è più affidabile e più facile da utilizzare. Ma ci sono anche alcuni svantaggi:

• l'acqua non scende sotto i 10-12°C;
• il raffreddamento richiede più tempo rispetto alla sua controparte con compressore, pertanto un tale frigorifero non è adatto per un ufficio con un numero elevato di dipendenti;
• il dispositivo è sensibile alla temperatura esterna, in una stanza calda l'acqua non si raffredderà alla temperatura minima;
• Si sconsiglia l'installazione in ambienti polverosi poiché la ventola potrebbe ostruirsi e il modulo di raffreddamento potrebbe guastarsi.

Raffreddatore d'acqua da tavolo con elemento Peltier

Essiccatore d'aria basato su elementi Peltier

A differenza di un condizionatore d'aria, l'implementazione di un deumidificatore tramite elementi termoelettrici è del tutto possibile. Il design è abbastanza semplice ed economico. Il modulo di raffreddamento abbassa la temperatura del radiatore al di sotto del punto di rugiada, di conseguenza l'umidità contenuta nell'aria che passa attraverso il dispositivo si deposita su di esso. L'acqua sedimentata viene scaricata in un apposito serbatoio di stoccaggio.

Nonostante la bassa efficienza, in questo caso l'efficienza del dispositivo è abbastanza soddisfacente.

Come connettere?

Non ci saranno problemi nel collegare il modulo; ai fili di uscita deve essere applicata una tensione costante; il suo valore è indicato nella scheda tecnica dell'elemento. Il filo rosso deve essere collegato al positivo, il filo nero al negativo. Attenzione! L'inversione della polarità inverte le posizioni delle superfici raffreddate e riscaldate.

Come verificare la funzionalità dell'elemento Peltier?

Il metodo più semplice e affidabile è tattile. È necessario collegare il modulo alla fonte di tensione appropriata e toccare i suoi diversi lati. Per un elemento funzionante, uno sarà più caldo, l'altro più freddo.

Se non hai una fonte adatta a portata di mano, avrai bisogno di un multimetro e di un accendino. Il processo di verifica è abbastanza semplice:

1. collegare le sonde ai morsetti del modulo;
2. portare l'accendino acceso su uno dei lati;
3. Osserviamo le letture del dispositivo.

Nel modulo di lavoro, quando uno dei lati viene riscaldato, viene generata una corrente elettrica, che verrà visualizzata sul display del dispositivo.

Come realizzare un elemento Peltier con le tue mani?

È quasi impossibile realizzare un modulo fatto in casa a casa, soprattutto perché non ha senso farlo, dato il costo relativamente basso (circa $ 4-$ 10). Ma puoi assemblare un dispositivo che sarà utile durante un'escursione, ad esempio un generatore termoelettrico.

Per stabilizzare la tensione è necessario assemblare un semplice convertitore sul chip IC L6920.

L'ingresso di un tale convertitore viene fornito con una tensione compresa tra 0,8 e 5,5 V e in uscita produrrà 5 V stabili, che è abbastanza per ricaricare la maggior parte dei dispositivi mobili. Se si utilizza un elemento Peltier convenzionale, è necessario limitare l'intervallo di temperatura operativa del lato riscaldato a 150 °C. Per evitare il fastidio del tracciamento, è meglio utilizzare una pentola con acqua bollente come fonte di calore. In questo caso è garantito che l'elemento non si surriscaldi oltre i 100 °C.

Molti nuovi elettricisti sono interessati a una domanda molto popolare: come rendere l'elettricità gratuita e allo stesso tempo autonoma. Molto spesso, ad esempio, quando si esce nella natura, si verifica una catastrofica mancanza di una presa per ricaricare un telefono o accendere una lampada. In questo caso, un modulo termoelettrico fatto in casa, assemblato sulla base dell'elemento Peltier, ti aiuterà. Utilizzando un dispositivo del genere, puoi generare corrente con una tensione fino a 5 Volt, che è abbastanza per caricare il dispositivo e collegare una lampada. Successivamente, ti diremo come realizzare un generatore termoelettrico con le tue mani, fornendo una semplice master class in immagini e con un esempio video!

Brevemente sul principio di funzionamento

Per capire in futuro perché sono necessari alcuni pezzi di ricambio durante l'assemblaggio di un generatore termoelettrico fatto in casa, parliamo prima della struttura dell'elemento Peltier e di come funziona. Questo modulo è costituito da termocoppie collegate in serie posizionate tra piastre in ceramica, come mostrato nella figura seguente.

Quando una corrente elettrica passa attraverso un circuito di questo tipo, si verifica il cosiddetto effetto Peltier: un lato del modulo si riscalda e l'altro si raffredda. perché ne abbiamo bisogno? Tutto è molto semplice, se agisci nell'ordine inverso: riscalda un lato della piastra e raffredda l'altro, di conseguenza puoi generare elettricità a bassa tensione e corrente. Ci auguriamo che in questa fase tutto sia chiaro, quindi passiamo a corsi di perfezionamento che mostreranno chiaramente cosa e come realizzare un generatore termoelettrico con le proprie mani.

Masterclass di assemblaggio

Quindi, abbiamo trovato su Internet istruzioni molto dettagliate e allo stesso tempo semplici per assemblare un generatore elettrico fatto in casa basato su un forno e un elemento Peltier. Per iniziare, è necessario preparare i seguenti materiali:

• L'elemento Peltier stesso con i parametri: corrente massima 10 A, tensione 15 Volt, dimensioni 40 * 40 * 3,4 mm. Marcatura – TEC 1-12710.
• Un vecchio alimentatore da un computer (da esso è necessario solo il case).
• Stabilizzatore di tensione con le seguenti caratteristiche tecniche: tensione in ingresso 1-5 Volt, tensione in uscita – 5 Volt. Queste istruzioni per l'assemblaggio di un generatore termoelettrico utilizzano un modulo con uscita USB, che semplificherà il processo di ricarica di un telefono o tablet moderno.
• Termosifone. Puoi prelevarlo immediatamente dal processore con un dispositivo di raffreddamento, come mostrato nella foto.
• Pasta termica.

Dopo aver preparato tutti i materiali, puoi procedere alla realizzazione del dispositivo da solo. Quindi, per renderti più chiaro come realizzare un generatore da solo, forniamo una master class passo passo con immagini e una spiegazione dettagliata:

Il funzionamento del generatore termoelettrico è il seguente: si mette la legna all'interno del forno, si dà fuoco e si attende qualche minuto affinché un lato della piastra si riscaldi. Per ricaricare il telefono, la differenza tra le temperature dei diversi lati deve essere di circa 100 o C. Se la parte di raffreddamento (radiatore) si surriscalda, deve essere raffreddata con tutti i metodi possibili: versarvi sopra delicatamente dell'acqua, mettere una tazza di ghiaccio sopra, ecc.

Ed ecco un video che mostra chiaramente come funziona un generatore elettrico a legna fatto in casa:

Generare elettricità dal fuoco

Puoi anche installare una ventola del computer sul lato freddo, come mostrato nella seconda versione di un generatore termoelettrico fatto in casa con un elemento Peltier:

In questo caso, il refrigeratore utilizzerà una piccola frazione della potenza del gruppo elettrogeno, ma il sistema risultante sarà più efficiente. Oltre alla ricarica del telefono, il modulo Peltier può essere utilizzato come fonte di energia elettrica per i LED, opzione altrettanto utile per l'utilizzo di un generatore. A proposito, la seconda versione del generatore termoelettrico fatto in casa è leggermente simile nell'aspetto e nel design. L'unico upgrade, oltre al sistema di raffreddamento, è la possibilità di regolare l'altezza del cosiddetto bruciatore. Per fare ciò, l'autore dell'elemento utilizza il "corpo" di un CD-ROM (una delle foto mostra chiaramente come puoi realizzare tu stesso il disegno).

Se realizzi un generatore termoelettrico con le tue mani utilizzando questo metodo, puoi avere fino a 8 Volt di tensione in uscita, quindi per caricare il tuo telefono, non dimenticare di collegare un convertitore che lascerà solo 5 V in uscita.

Bene, l'ultima versione di una fonte di energia domestica per la casa può essere rappresentata dal seguente diagramma: un elemento: due "mattoni" di alluminio, un tubo di rame (raffreddamento ad acqua) e un bruciatore. Il risultato è un generatore efficace che ti permette di creare elettricità gratis in casa!