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:
- 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.
- Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
- 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:
- подключаем щупы к выводам модуля;
- подносим зажженную зажигалку к одной из сторон;
- 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.
При помощи простых приспособлений можно использовать теплопотери от нагревания воздуха или жидкостей. В этой статье мы расскажем, как использовать бросовую энергию печей, котлов и открытого огня, преобразовав её в постоянный электрический ток небольшой силы.
Любой химический процесс проходит с выделением разного рода энергии. Такой мощный источник, как горение использовался во все времена. Его можно назвать первичным источником тепла и света. Горят практически все вещества на Земле, выделяя при этом тепло и свет в разных количествах. Преобразовать тепловую энергию в электрическую — дело несложное, если под рукой есть рабочая паротурбина, подобная тем, что установлены на ТЭЦ. Это громоздкое и сложное устройство, которому вряд ли найдётся место в котельной загородного дома. Мы попробуем извлечь пользу из выделения тепла при печном отоплении или нагревании воды.
Эффект Пельтье — это явление перепада температур при взаимодействии термопар двух различных типов проводников (p-типа и n-типа) при прохождении через них постоянного тока. Эффект Зеебека — следствие эффекта Пельтье, когда при нагревании одной из термопар образуется электрический ток. Мы не будем подробно описывать термодинамику процесса — эту сложную для восприятия информацию можно легко найти в справочной литературе. Нас интересует результат и варианты его практического использования.
Конструкция термоэлектрического модуля
Термоэлектрический модуль (ТЭМ) состоит из множества термопар, соединённых между собой медной пластиной. Поле термопар вклеивается между двух керамических пластин. Собрать такой модуль возможно только в заводских условиях. Но скомпоновать несколько ТЭМ для собственных нужд получится и дома. Элементы Пельтье-Зеебека имеются в свободной продаже в специализированных магазинах (и на сайтах) по продаже технологического оборудования .
Собираем ТЭМ на 5 В
Что понадобится:
- модуль Пельтье TEC1-12705 (40x40) — 2 шт.;
- повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
- лист дюралюминия толщиной 3 мм;
- ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
- термоклей;
- паяльник.
Вырезаем из листа дюралюминия две одинаковые пластины, размерами чуть более двух модулей, лежащих рядом. Укрепляем термоклеем пластины на модулях с обеих сторон. Фиксируем (термоклеем) получившийся «сэндвич» на дно ковша. Такую конструкцию уже можно ставить на огонь, но мы получим на выходе бесполезные 1,5 В. Для улучшения характеристик нам и нужен повышающий преобразователь, который мы впаиваем в цепь. Он повысит напряжение до 5 В, а этого уже достаточно для зарядки мобильного телефона.
Внимание! Преобразователь имеет размеры 1,5х1,5 см. При отсутствии профессиональных навыков доверьте пайку специалисту.
Разность температур в нашей конструкции получается за счёт нагрева одной стороны (от печи или пламени) и охлаждения другой (вода в ковше). Разумеется, чем больше разница, тем эффективнее работа модуля. Поэтому, для работы в режиме микрогенератора понадобится сравнительно низкая температура воды в ковше (её лучше периодически заменять). Для выработки заветных 5 В достаточно поставить конструкцию на стакан с горящей свечой.
Пропорционально комбинируя большее количество модулей, мы получим более эффективную систему выработки энергии. Соответственно, увеличивая конструкцию, пропорционально увеличиваем теплообменник. При этом охлаждаемая поверхность должна быть полностью покрыта ёмкостью с водой (самый простой и доступный вариант).
Всё так просто, что сразу возникает желание собрать побольше модулей в одну систему и вырабатывать 220 В из костра. А потом подключить масляный обогреватель или кондиционер. Такая простая система имеет свои недостатки, и главный из них — низкий КПД. Обычно этот показатель не превышает 5%. Это обуславливает сравнительно малую силу тока 0,5 — 0,8 А и очень малую мощность — до 4 Вт.
Для насоса или лампы накаливания это ничтожно мало, но вполне достаточно для:
- зарядки аккумуляторов вплоть до мотоциклетных (в вариантах, пропорциональных требованиям);
- работы светодиодных (LED) ламп;
- радиоприёмника.
В зимнее время система, помещённая на источник тепла, находящийся на улице, будет работать максимально эффективно.
Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:
*- данная модель элемента выбрана из соображений цены. Ассортимент ТЭМ у фирм-поставщиков довольно широк, что позволяет подобрать более производительные (до 8 В) модели (они ощутимо дороже).
Заводские изделия подобной конструкции только начинают появляться в продаже. Серийное производство ведётся мелкими партиями, да и ассортимент невелик. Стоимость такого «ковшика» стартует с 2500 руб.
Заводской термогенератор — устройство, основанное на эффекте Пельтье-Зеебека, которое можно закрепить прямо на разогретую поверхность. От конструкции, описанной выше, его отличает заводское исполнение (а значит, надёжность), отсутствие жидкостного теплообменника (вместо него — рёбра для воздушного охлаждения) и более высокая цена.
Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:
Как видно из таблицы, заводская надёжность и утилитарность обходится недёшево. При этом нельзя сказать, что он функционально превосходит самодельный вариант с ковшом. Впечатляющие 13,5 В ускорят зарядку мобильника, но для этого будет нужно носить с собой 2 кг веса в походе, а это непозволительная роскошь (с учётом размеров прибора). Ну и, конечно, цена заставляет задуматься. На эту сумму можно собрать уже не «термоковшик», а «термокастрюлю» и спокойно заряжать ноутбук. И ещё один нюанс — прибор всё равно требует закрепления на металлической пластине в случае использования открытого огня.
В целом это приятное и удобное дополнение для тех, у кого нет проблем с деньгами и свободным местом в багажнике.
Энергопечь
На сегодняшний день энергопечь — апофеоз применения ТЭМ в быту. Это заводское изделие, по сути дела топка-«буржуйка», для любого вида твёрдого топлива с интегрированным теплоэлектрическим модулем. Идеальный вариант для охотничьих домиков, дач, отдалённых зимовок и вообще любого вида жизни вдали от цивилизации. Рассчитана на автономное использование (без периферических теплоотводов), имеет только очаг и дымоход. Предусматривает приготовление пищи. На эту печь устанавливают самые мощные элементы Пельтье-Зеебека.
Характеристики энергопечей:
Хотя печь и переносная, безусловно, это «супертяжёлая весовая категория» среди бытовых приборов. Однако и спектр задач у энергопечи довольно широк — она может заряжать даже автомобильные аккумуляторы, освещать LED лампами целые комнаты. Ей найдётся место в экспедиционном обозе и в охотничьем вездеходе, в техническом помещении и на даче. Иными словами, в этом случае источник тепла у нас всегда с собой, осталось найти топливо.
В своей нише энергопечь незаменима, хотя и немного настораживает заявленный производителем срок службы — 10 лет. Следует отметить, что, как и в термогенераторе, есть возможность профилактической (или аварийной) замены всех деталей вплоть до корпуса.
Термоэлектрические модули — крайне занятные объекты. Помимо описанных методов применения их также используют для кондиционирования воды и воздуха. При этом на такой же элемент подаётся постоянный ток и он работает «в обратную сторону» — охлаждает воздух. Эта технология с успехом применяется в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, в автомобилестроении и при производстве микропроцессоров. Мы опишем эти устройства в следующей статье .
Виталий Долбинов, рмнт.ру
В современном мире большое количество бытовой техники и других устройств работает от электроэнергии. При этом, находясь в путешествии, приходится возить с собой химические источники тока, способные вырабатывать электроэнергию. Но также можно изготовить термогенератор своими руками. Для этого потребуются некоторые материалы, приспособления и определенные знания.
Разновидности устройств
В цепи разнородных проводников при переменной температуре может возникать термо-ЭДС в местах контакта. На основании этого был разработан и создан так называемый модуль «Пельтье». Он представляет собой 2 пластины из керамики, между которыми установлен биметалл. При поступлении электрического тока одна из пластин постепенно начинает нагреваться, а другая одновременно охлаждается. Эта способность позволяет делать из таких элементов холодильники.
Но можно наблюдать и обратный процесс, когда в местах контакта будет поддерживаться перепад температур. В этом случае пластины начнут вырабатывать электрический ток. Такой модуль можно использовать для получения небольшого количества электрической энергии.
Работа модуля
Термогенераторы электричества работают по определенному принципу. Так, в зависимости от направления тока, в контакте разнопроводных проводников наблюдается поглощение или выделение тепла. Это зависит от направления электричества. При этом плотность тока является одинаковой, а энергии - различной.
Разогревание кристаллической решетки наблюдается, если вытекающая энергия меньше той, что входит в контакт. При перемене направленности тока происходит обратный процесс. Энергия в кристаллической решетке снижается, поэтому происходит охлаждение устройства.
Наибольшей популярностью пользуется термоэлектрический модуль , состоящий из проводников типов р и n, которые между собой соединены через медные аналоги. В каждом из элементов существует по 4 перехода, которые охлаждаются и нагреваются. Из-за температурного перепада возможно создание термоэлектрогенератора.
Достоинства и недостатки
Независимо от того, куплен он или изготовлен своими руками, термоэлектрогенератор имеет ряд достоинств. Так, к наиболее весомым из них относятся:
- Малогабаритные размеры.
- Возможность работы как нагревательных, так и в охладительных приборах.
- При смене полярности наблюдается обратимость процесса.
- Отсутствие подвижных элементов, которые изнашиваются достаточно быстро.
Несмотря на имеющиеся существенные преимущества, такое устройство имеет некоторые недостатки:
- Незначительный КПД (всего 2−3%).
- Необходимость создания источника, отвечающего за температурный перепад.
- Существенное потребление энергии.
- Большая себестоимость.
Исходя из вышеперечисленных отрицательных и положительных качеств, можно сказать о том, что такое устройство целесообразно применять в случае необходимости подзарядки мобильного телефона, планшетного компьютера или зажигания светодиодной лампочки.
Изготовление своими руками
Можно изготовить термоэлектрический генератор своими руками. Для этой цели потребуются некоторые элементы:
Провода, проходящие между преобразователем и модулем, необходимо изолировать термостойким составом или обычным герметиком. Собирать устройство необходимо в такой последовательности:
- От блока питания оставить только корпус.
- Холодной стороной к радиатору нужно приклеить модуль «Пельтье».
- Предварительно зачистив и отполировав поверхность, нужно приклеить элемент другой стороной.
- От входа преобразователя напряжения необходимо припаять провода к выходам пластины.
При этом термогенератор для корректной работы должен быть наделен такими характеристиками: выходное напряжение - 5 вольт, тип выхода для подключения устройства - USB (или любой другой в зависимости от предпочтений), минимальная мощность нагрузки должна составлять 0,5 А. При этом можно использовать любой вид топлива.
Проверить механизм достаточно просто. Внутрь можно положить несколько сухих и тонких веточек. Поджечь их, а через несколько минут подключить какое-либо устройство, например, телефон для подзарядки. Собрать термогенератор несложно. Если все сделать правильно, то он прослужит не один год в поездках и походах.
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.
Ну чтож, все графики начерчены, все таблицы заполнены, теперь можно и помечтать. В целом если прикидывать энергопотребление в походе по максимуму, то получается следующее:
GPS-навигатор - 0,3 Вт х 10 ч = 3 Вт*ч в день;
фотоаппарат (зеркалка Canon) - аккумулятор 8 Вт*ч на 4 дня = 2 Вт*ч в день;
видеокамера (видеорегистратор для запечатления интересных моментов поездки, около 1 часа видео в день) - 1,6 Вт*ч в день;
сотовый телефон - около 0,2 Вт*ч в день;
светодиодный фонарик для подсвечивания стоянки вечером - 2 Вт*ч в день.
Итого получаем: 3 + 2 + 1,6 + 0,2 + 2 = 8,8 Вт*ч в сутки. С учётом потерь при зарядке аккумуляторов этих устройств и непредвиденные траты можно с лёгкостью округлить эту цифру до 10 Вт*ч в сутки, что приблизительно равно трём NiMH аккумуляторам формфактора АА (по 3,2 Вт*ч). Будем считать, что именно это количество электроэнергии позволяет комфортно путешествовать по ранее запланированному маршруту не ограничивая свои творческие позывы. Этот расчёт более-менее верен для одиночной вылазки или группы из двух человек. Если народу больше, то тут на каждого добавляется дополнительный потребитель, будь то сотовый или ещё один фотоаппарат. Я думаю что на каждого "лишнего" участника можно смело прибавлять по 1 Вт*ч, то есть для группы из 6-ти человек комфортный уровень энергопотребления составит 14 Вт*ч или около 4,5 аккумулятора АА. Предположим что поход длиться 10 дней, то для группы из 2-х человек понадобится 100 Вт*ч энергии, это 31 NiMH аккумулятор общей массой 31 х 31,5 = 976,5 г. То есть почти 1 кг аккумуляторов. Если брать щелочные батарейки, то самые лучшие отдают 2,2 Вт*ч и их потребуется 45 штук. Массу их не знаю, но даже если они по 25 г, то в сумме уже больше килограмма набирается. Для группы из 6-ти человек общее количество электроэнергии составляет 140 Вт*ч, это почти 44 аккумулятора массой 1386 г или 64 батарейки ещё большей массой. Если брать с собой LiPo аккумуляторы, какие используют моделисты, то для двух человек это будет аккумулятор массой 100 Вт*ч ÷ 160 Вт*ч/кг = 0,625 кг или 625 г. Для группы из 6-ти человек масса LiPo аккумулятора составит 875 г.
Теперь прикинем как обстоят дела с термогенератором. Допустим у нас модуль (или модули) ТЕС1-12709, греем его не выше 150 °С, охлаждаем в ручье с температурой 15 °С, то есть на холодной стороне будет 20 °С, перепад температур 150 - 20 = 130 °С. Для такого значения разности температур у меня нет показателя эффективности, придётся считать. Берём два максимальных значения на графике зависимости эффективности от тока для ТЕС1-12709, например 13,6 мВт/°С для усреднённой разности температур 71 °С и 15,7 мВт/°С для 87 °С и рассчитываем на какую величину увеличилась эффективность при повышении разности температур на 87 - 71 = 16 °С. Получается на 2,1 мВт/°С. А дальше по пропорции: если увеличение разности в 16 °С привело к увеличению эффективности на 2,1 мВт/°С, то увеличение разности на 130 - 87 = 43 °С приведёт к увеличению эффективности на (43 х 2,1) ÷ 16 = 5,6 мВт/°С. Значит эффективность при разности температур в 130 °С будет равна 15,7 + 5,6 = 21,3 мВт/°С. В итоге получаем 21,3 х 130 = 2769 мВт или 2,8 Вт. Это довольно близкое к реальности значение если судить по тому, что в некоторых видеоэкспериментах два модуля выдавали 4...6 Вт. Чтобы с помощью одного модуля получить 10 Вт*ч энергии, надо чтобы генератор работал 10 ÷ 2,8 = 3,57 ч, а для 14 Вт*ч - 5 часов. То есть если использовать термогенератор состоящий из 2-х элементов Пельтье, то выработка электроэнергии даже для большой группы не занимает очень много времени.
Единственная серьёзная проблема, возникающая при производстве электричества в походе этим методом - это рассеяние тепла на холодной стороне. Самый лучший и оптимальный - водяное охлаждение, так как вода имеет большую теплоёмкость. В этом плане водным туристам повезло больше, чем велосипедистам: у них способ передвижения связан именно с водой и если продумать конструкцию генератора (очень странно, почему она до сих пор не продумана и не реализована в промышленных объёмах), то выработка электроэнергии у них может происходить во время движения. Генератор частично погружён в воду, частично плавает на поверхности. В печь по мере расходования подгружается топливо, снаружи это всё охлаждается водой. Топливо собирается и готовиться на привале.
Если заморачиваться с собиранием дров и сосновых шишек не
хочется, то можно подумать над конструкцией газовой печи. Тут стоит немного посчитать. Итак, имеем:
баллон сжиженного газа для газовых горелок с топливом массой 450 г.;
состав: изобутан - 72%, пропан - 22%, бутан - 6%, в пересчёте на массу это 324 г, 99 г и 27 г соответственно;
теплоты сгорания для этих газов равны соответственно 49,22 МДж/кг, 48,34 Мдж/кг и 49,34 МДж/кг.
После умножения и сложения имеем 22,07 МДж в одном баллоне сжиженного газа. Принимаем КПД нашего генератора равное 1%, следовательно получаем в качестве электроэнергии 220 кДж, что составляет 61,3 Вт*ч. С чем можно сравнить? Ну например с 19-тью NiMH аккумуляторами АА. Не густо и довольно накладно, газ не дешёв.
Раз использовать газ дорого, то можно придумать что-то с использованием жидкого топлива, например бензина. Я немного порылся в интернете на предмет дешёвого катализатора для каталитических горелок, но кроме оксида хрома (VI), полученного из бихромата аммония ничего не нашёл. Да и с ним не всё так гладко, но при желании, путём некоторого количества экспериментов можно и тут добиться стабильных положительных результатов. В каталитических грелках китайского производства скорее всего используются элементы платиновой группы в микроколичествах. Вот бы катализатор как в этой грелке, но большего размера для элементов Пельтье. Получился бы компактный и лёгкий генератор. Теплота сгорания бензина 44,5 МДж/кг, плотность 0,74 кг/л, с одного литра бензина имеем 33 МДж энергии, при 1%-ном КПД это 330 кДж или 91,6 Вт*ч электроэнергии (28 аккумуляторов АА). Более бюджетный вариант, но всё таки собирать и заготавливать имеющееся в природе бесплатное
топливо естественно выгоднее, и у него нет одной очень неприятной особенности, присущей тем запасам, которые покупаются в магазине - оно не заканчивается в самый неподходящий момент.