Použití Peltierova prvku v každodenním životě | Článek v časopise Mladý vědec

Mukhametshin, D. I. Použití Peltierova prvku v každodenním životě / D. I. Mukhametshin, D. O. Luzgin. — Text: přímý // Mladý vědec. – 2023. – č. 5 (68). — s. 136-137. — URL: https://moluch.ru/young/archive/68/3724/ (datum přístupu: 14.02.2025/XNUMX/XNUMX).

Byly studovány známé příklady použití Peltierova prvku v každodenním životě. Jsou navrženy pravděpodobně nové příklady použití Peltierova prvku, posouzena proveditelnost, možná účinnost a přínosy navržených příkladů.

Klíčová slova: Peltierův prvek, alternativní zdroje energie, využití alternativních zdrojů energie v každodenním životě.

Co je to Peltierův prvek? Stručné vysvětlení principu činnosti. Výhody a nevýhody

Peltierův článek je termoelektrický měnič, jehož princip činnosti je založen na Peltierově jevu – vzniku teplotního rozdílu při protékání elektrického proudu. Činnost Peltierových prvků je založena na kontaktu dvou polovodičových materiálů s různou energetickou hladinou elektronů ve vodivém pásmu. Když proud protéká kontaktem takových materiálů, musí elektron získat energii, aby se mohl přesunout do vyššího energetického vodivostního pásma jiného polovodiče. Když je tato energie absorbována, kontaktní bod mezi polovodiči se ochladí. Když proud teče opačným směrem, kontaktní bod mezi polovodiči se kromě obvyklého tepelného efektu zahřívá. Jednoduše řečeno, Peltierův článek může být použit k chlazení nebo ohřevu.

Výhody použití Peltierova prvku zahrnují:

– Nízká cena. Jeden termoelektrický chladič Peltier lze zakoupit za 100–200 rublů

— Nepřítomnost jakýchkoli pohyblivých částí, jakož i plynů a kapalin

– Schopnost něco ohřát i ochladit

Peltierův článek má však jednu významnou nevýhodu: jeho nízkou účinnost ve srovnání s mnoha jinými zdroji energie. To vede k vysoké spotřebě energie při dosažení znatelného teplotního rozdílu. Navzdory tomu probíhá vývoj ke zvýšení tepelné účinnosti a Peltierovy články našly široké uplatnění v technologii, protože teplot pod 0 °C lze dosáhnout bez jakýchkoliv dalších zařízení. Snad s rozvojem vědy bude možné dosáhnout vysoké účinnosti při použití Peltierova prvku.

Příklady použití Peltierova prvku v běžném životě

— Chladnička založená na Peltierových prvcích. Hlavní nevýhodou je, že taková chladnička bude mít výrazně nižší výkon než jiné typy chladniček. Na druhou stranu má taková lednička mnoho výhod, mezi které patří: odolnost proti vibracím; nízká hladina hluku; malé rozměry; mobilita; dlouhá životnost; nízká spotřeba energie. Můžeme dojít k závěru, že taková chladnička je ideální volbou, když potřebujete uložit malé množství potravin, a v případě potřeby lze takovou instalaci snadno přesunout na jiné místo.

— Peltierův článek jako generátor elektřiny. Termoelektrické moduly mohou fungovat jako generátory elektřiny, pokud je jedna z jejich stran vystavena nucenému ohřevu. Účinnost takových zařízení je nízká, používají se pouze v případech, kdy není možné využít účinnější zdroj elektrické energie. 5–10W tepelné generátory jsou žádané mezi turisty, geology a obyvateli odlehlých oblastí. Velké a výkonné stacionární instalace na vysokoteplotní palivo se používají k napájení plynových rozvodů, zařízení meteorologických stanic atd.

– K chlazení procesoru. Relativně nedávno se tyto moduly začaly používat v systémech chlazení CPU osobních počítačů. Proveditelnost použití těchto prvků je však velmi diskutabilní. Vzhledem k nízké účinnosti termočlánků budete potřebovat velmi výkonný zdroj.

— Klimatizace založená na Peltierových prvcích. Takovou klimatizaci je vhodné používat ve velmi malých místnostech kvůli její nízké účinnosti.

— Odvlhčovač vzduchu. Design je poměrně jednoduchý a levný. Chladicí modul snižuje teplotu chladiče pod rosný bod, v důsledku čehož se na něm usazuje vlhkost obsažená ve vzduchu procházejícím zařízením. Usazená voda je vypouštěna do speciální akumulační nádrže. I přes nízkou účinnost je v tomto případě účinnost zařízení vcelku uspokojivá.

Po prostudování těchto příkladů můžete pochopit, že hlavními výhodami Peltierova prvku jsou nízká cena, kompaktnost a mobilita. Hlavní nevýhodou je nízká účinnost. V běžném životě však pro nás účinnost zařízení často není příliš důležitá, a tak našel své uplatnění Peltierův prvek.

Pravděpodobně nové příklady použití Peltierova prvku a posouzení jejich účinnosti

1. Fén na bázi Peltierových prvků. Místo klasického elektrického ohřívače můžete v fénu použít Peltierův článek. Průchod vzduchu topnou částí prvku bude odpovídat teplému provoznímu režimu a chladicí částí – chladnému provoznímu režimu. Takový vysoušeč vlasů bude stát mnohem méně, ale teplotní rozdíl bude menší, takže nebude vhodný pro každého. Někde však bude jeho použití vhodné.
2. Železo. Peltierův článek lze použít i v žehličce. K dosažení požadované teploty však bude potřeba poměrně hodně prvků, takže proveditelnost takové aplikace je sporná.
3. Termoelektrické topné systémy. Takové systémy budou využívat teplo vznikající spalováním plynu nebo paliva k výrobě elektřiny a vytápění místnosti. Mohou být užitečné v odlehlých oblastech nebo v nouzových situacích.

Jsou prezentovány a studovány nové a dobře známé příklady použití Peltierova prvku v každodenním životě. Peltierův článek je velmi dobrý alternativní zdroj energie s mnoha výhodami a jedinou nevýhodou: relativně nízkou účinností. Peltierův prvek našel a nachází své uplatnění v každodenním životě.

1. Peltierův prvek. — Text: elektronický // Wikipedie: [stránky]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Peltier_Element (datum přístupu: 09.04.2023).
2. Co je Peltierův článek, jeho struktura, princip činnosti a praktické použití. — Text: elektronický // ASUTPP: [webová stránka]. — URL: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-element-pelte-i-ego-primenenie.html (datum přístupu: 09.04.2023).

Alexandr Berezin
Příspěvky 125

Ve snaze zlepšit výkon procesoru jsem narazil na problém, že se rychle přehříval a selhával. Abych to efektivně vyřešil, zakoupil jsem, upravil a nainstaloval Peltierův článek jako externí chladič. V této recenzi vám řeknu, co je to za zařízení, proč je potřeba a jak funguje, jaké jsou jeho klady a zápory, kde se používá a jak jej správně používat v praxi.

Jedna strana Peltierova prvku se výrazně ochladí, když jí prochází proud.
Zdroj pikabu.ru

Peltierovy prvky – co to jsou, proč jsou potřeba a jak fungují, vlastnosti

Tento termoelektrický jev objevil v první polovině 1. století francouzský badatel Peltier a byl pojmenován na jeho počest – a abyste lépe pochopili, co to je a jak funguje, představte si následující obrázek:

1. Vezmeme dvě desky různých polovodičů – jednu p-typu, druhou n-typu.
2. Dále je jednoduše zapájíme a spojíme vodiče podél okrajů.
3. Poté začneme míjet proud.
4. Při příjmu energie se elektrony z jednoho materiálu začnou přesouvat do druhého.
5. V části systému, kde se absorbuje energie, dochází k ochlazování.
6. Pokud spustíte proud opačným směrem, stane se opak: zahřívání.

Hned podotýkám, že efekt má praktický přínos pouze pro polovodičové materiály a zároveň ty s odlišnými vlastnostmi – především z hlediska elektronových hladin. U kovů bude jev tak slabý, že zůstane prakticky nepostřehnutelný.

Peltierův prvek je navržen takto:

• Dvojice kubických fragmentů p- a n-polovodičů ležících ve stejné rovině a vzájemně se ovlivňujících.

Peltierovy desky jsou souborem polovodičových párů
Zdroj ytimg.com

• Jsou vzájemně sériově spojeny vodivými prvky s izolačním pláštěm. Současně takové kovové části slouží současně jako tepelné vodiče.
• Uspořádání dvojic je takové, že jeden typ spojení (pn) je vytvořen na jedné straně a druhý (np) na opačné straně.
• Když elektrický proud prochází sekvencí párů, jedna strana se zahřívá a druhá ochlazuje.
• Při změně polarity se mění funkce ploch – studená se zahřeje, topná se ochladí.

Na základě principu činnosti obvodu, čím větší počet použitých polovodičových párů, tím účinnější bude Peltierův článek. Účinnost lze zlepšit i násilným odváděním tepla, například pomocí ventilátoru nebo radiátoru. Rozdíl teplot mezi teplou a studenou stranou dosahuje v lepším případě 70°C.

V ideálním případě může teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou dosáhnout 70°C.
Zdroj ruselectronic.com

Rozdíl od ledničky

Nejprve si všimnu specifik použití běžné chladicí jednotky na příkladu odvodu tepla z procesorové jednotky – jedná se o následující řadu funkcí:

1. Nutnost použití chladiva. Typicky je to freon. Provoz je spojen s řadou nepříjemností – zajištění cirkulace, vysoký tlak v systému, nebezpečí.
2. Trvalý provozní hluk z čerpadla.
3. Technická náročnost projektu. Do chlazeného prostoru bude nutné navrhnout kaskádu vzájemně propojených prvků.
4. Tvorba kondenzace v důsledku kontaktu studeného povrchu s vlhkým vzduchem v místnosti.
5. Nízká účinnost. Chladicí jednotky zpravidla vykazují nižší výkon, než počítá projekt.

Ve světle posuzovaného případu se Peltierův modul ukazuje jako výhodnější – minimálně proto, že má zcela jiný princip fungování a je snazší jím vybavit obsluhovanou oblast.

Peltierův modul vybavený ventilátorem slouží jako účinný chladič mobilní chladničky
Zdroj ad-cd.net

Technické vlastnosti a značení

Abyste dosáhli plánovaného chladicího efektu, musíte správně vybrat Peltierovu desku, a k tomu zase musíte vědět, jakými parametry se vyznačuje a jak jsou značky dešifrovány.

Jedná se především o následující soubor technických vlastností:

• Chladicí výkon, watty. Vypočteno na základě maximálního proudu a největšího teplotního rozdílu.
• Nejvyšší hodnota rozdílu teplot mezi studenou a vyhřívanou stranou, st.
• Limit proudu potřebný k dosažení největšího teplotního rozdílu v ampérech.
• Maximální napětí, volty.
• Odpor desky, Ohm.
• Koeficient účinnosti je COP. Pohybuje se v rozmezí 0,3-0,5 v závislosti na kvalitě sestavení produktu.

Při označování Peltierových desek potřebujete vědět následující:

1. První dvojice symbolů, obvykle TE, označuje typ zařízení, tedy v tomto případě termočlánek.
2. Třetím symbolem je velikost. C – normální, S – malý.
3. Poslední číslo je počet vrstev.
4. Dále přes řádek přichází označení velikosti polovodičových párů.
5. Poslední zobrazenou věcí je aktuální síla v ampérech.

Označení Peltierova modulu je zobrazeno přímo na jedné z jeho stran.
Zdroj alicdn.com

Například označení „TEC1-12703“ znamená, že termočlánek je standardní velikosti s 1 vrstvou a 127 termočlánky při 3 A.

Výkon Peltierova prvku pro chlazení procesoru je nutné zvolit co nejpřesněji. V opačném případě buď nebude teplo dostatečně odváděno a zařízení se přehřeje a vypne, nebo přílišný chlad povede ke kondenzaci a vlhkosti v elektrickém obvodu, což je neméně nebezpečné.

Výhody a nevýhody

Peltierovy termočlánky mají následující výhody:

• Malé rozměry desky.
• Jednoduchost designu.
• Zařízení neobsahuje pohyblivé části nebo mechanismy ani kapalná či plynná chladiva.
• Nízká cena ve srovnání s modely, které běží na freon.
• Docela velký teplotní rozdíl, srovnatelný s výkonem chillerů.
• Dostupnost samostatné výroby modulů pro konkrétní aplikaci se zadanými parametry.
• Možnost přepnutí stejného povrchu z vytápění na chlazení a naopak – což v případě potřeby umožňuje udržovat teplotu bez ohledu na změny úrovně vytápění prostředí.
• Při práci bez hluku.

Peltierův prvek se vyznačuje kompaktností, jednoduchostí a absencí složitých mechanických celků v konstrukci.

Hlavní nevýhodou Peltierových systémů je jejich nízká účinnost – srovnáme-li je se stejnými klasickými chladničkami využívajícími freon. To se projevuje především vyšší spotřebou energie pro dosažení znatelného rozdílu teplot mezi teplou a studenou stranou instalace.

Uvedu i další nevýhody:

1. Omezený odvod tepla. Pokud přítok tepla překročí odtok tepla, prvek se přehřeje a selže. V důsledku toho bude vyžadována úplná výměna.
2. Pro efektivní provoz potřebuje deska dodatečné chlazení, protože se v podstatě jedná o elektrický ohřívač se specifickou funkcí.
3. Na silný procesor nestačí výkon. Je to řešeno kombinací s přídavným chladicím zařízením.

Peltierovy polovodičové desky našly široké uplatnění jako účinný termoelektrický chladič elektronických počítačových komponent – ​​zejména procesorů, video adaptérů, paměťových modulů.

Peltierův článek lze upravit pro chlazení počítačových komponent
Zdroj userapi.com

přihláška

Peltierovy termočlánky jsou široce používány ve vybavení domácností, měřicí a výpočetní technice a také v oblasti výroby elektrické energie. Největší praktickou hodnotu představují v podobě následujících zařízení:

• Mobilní lednice.
• Přenosné elektrické generátory.
• Chladicí systémy pro počítačové komponenty.
• Chladiče pro ohřev a chlazení pitné vody.
• Vysoušeče vzduchu.

Podívejme se na jejich vlastnosti podrobněji.

Mobilní lednice

Přestože Peltierovy články nejsou výkonnostně srovnatelné s kompresorovými nebo absorpčními chladicími jednotkami, pro své přednosti stále nacházejí uplatnění v chladicím průmyslu. Přenosné modely založené na nich mají následující výhody:

1. Jednoduchost zařízení.
2. Absence mechanicky spolupůsobících jednotek v konstrukci, pokud vyloučíme dmychadlo.
3. Odolnost proti otřesům a vibracím.
4. Minimální provozní hluk.
5. Malé velikosti.
6. Dlouhá životnost.
7. Nízká spotřeba energie.
8. Zachování funkčnosti bez ohledu na prostorovou polohu.

Příklad mobilní chladničky založené na Peltierově modulu
Zdroj ad-cd.net

Kompaktní termoelektrické chladničky jsou zpravidla instalovány v interiérech automobilů.

Elektrocentrála

Pokud se jedna strana desky začne zahřívat a druhá ochlazovat, objeví se mezi jejími kontakty potenciální rozdíl. V tomto případě platí, že čím větší je teplotní rozdíl, tím vyšší je hodnota. Ani specializované modely však nejsou schopny odolat zahřátí nad 300 °C a běžné spotřebitelské modely jsou schopny vydržet pouze zahřátí nad 150 °C. Pokud dojde k přehřátí, pájka se roztaví a prvek se zničí.

Tento stav prudce snižuje výkon generátorů termoelektrického proudu. Veřejně dostupné modely produkují ne více než 5-10, zřídka 12 voltů. Proto jsou takové instalace žádané mezi turisty, geology, obyvateli odlehlých oblastí – těmi, kteří prostě nemají jinou alternativu k použití výkonnějšího zdroje elektrického proudu.

Zahříváním jedné strany a chlazením druhé lze Peltierovu desku použít jako nízkonapěťový elektrický generátor.

Chladič počítačových komponent

Princip činnosti Peltierova prvku umožňuje jeho využití mimo jiné pro chlazení počítačových komponent – ​​procesoru, paměťového modulu a grafického adaptéru. Je zde však několik komplikací:

• Chcete-li odstranit teplo ze standardního procesoru (asi 150 W), budete muset utratit až 700 wattů, což znamená, že budete potřebovat výkonný napájecí zdroj.
• V době, kdy procesor pracuje bez zátěže, jej tepelný článek ochladí více, než je nutné. A to ohrožuje tvorbu kondenzátu a následné poruchy z vlhkosti v elektrickém obvodu.
• Pro konkrétní aplikaci bude nutné přesně vypočítat a vybrat chladič na základě jeho výkonu.

Mimochodem, právě kvůli možnosti poškození počítače kondenzací jsem přímou metodu okamžitě odmítl. Naštěstí existuje hybridní možnost – kdy je modul kombinován se vzduchovým chlazením (ventilátor). Tento model však stojí mnohem více.

Příklad sestavené klimatizace založené na Peltierově modulu
Zdroj ia.d-cd.net

Klimatizace

Peltierovy články se také používají pro chlazení vzduchu v klimatizačních systémech. Jejich jedinou výhodou je jednoduchost zařízení. Existuje spousta nevýhod a všechny vyplývají z nízké účinnosti a projevují se v následujícím:

1. Nízká účinnost pro vnitřní použití.
2. Spotřeba energie je 3-4krát vyšší než podobné hodnoty u modelů na bázi chladiva.
3. Nedostatek výkonu generátoru – pro použití v autech.

Video o tom, co je Peltierův prvek:

Domácí verze nabízené dnes na různých platformách k veřejné diskusi ve skutečnosti nejsou dokonalé. Situace se může změnit až s příchodem nových termočlánků s vyšší účinností.

Vodní chlazení

Chladiče pitné vody na bázi termočlánků se používají již poměrně dlouho. To je způsobeno jednoduchostí a spolehlivostí zařízení. Ve srovnání s verzemi kompresoru však mají také některé nevýhody:

• Práh chlazení: 10-12°C.
• Delší doba chlazení, kvůli které je zařízení nevhodné pro vysoký průtok – v místech, kde se často shromažďuje voda, například v kanceláři.
• Závislost na okolní teplotě – díky tomu v horké místnosti nedosáhne voda požadované úrovně chlazení.

Video testování Peltierova článku pro chlazení a současnou generaci:

Kromě toho, pokud je místnost neustále prašná, chladič rychle selže kvůli ucpání ventilátoru.

Fén

Ve srovnání se systémy chlazení vzduchu je Peltierův odvlhčovač poměrně realistický. Je to způsobeno několika faktory:

1. Provoz zařízení je soustředěn na malý objem – zpracovává se pouze malý procházející proud vzduchu.
2. Radiátor se snadno ochladí na rosný bod – v důsledku toho se vlhkost rozpuštěná v atmosféře usadí na studených kovových prvcích.
3. Zařízení má jednoduchý design a minimální náklady.

Účinnost modulu je zcela dostatečná pro sušení vzduchu v obytném prostoru.

Základy praktického použití

Pokud již máte hotový Peltierův modul, jeho připojení nebude nijak zvlášť obtížné. Chcete-li to provést, stačí vzít v úvahu několik bodů:

• K napájení lze použít pouze stejnosměrný proud o velikosti odpovídající technickým údajům zařízení.
• Červený kontakt je dodáván s „+“ a černý kontakt s „-“.
• Pokud potřebujete vyměnit stranu topení a chlazení, jednoduše změňte polaritu bez opětovné instalace modulu.

Video příklad výroby a použití kempingového elektrického generátoru založeného na Peltierově prvku:

Před instalací by měla být deska zkontrolována z hlediska provozuschopnosti. K tomu musí být ke kontaktům Peltierova prvku připojen proud specifikovaných charakteristik. Pokud to funguje, jedna strana bude chladnější než druhá, což lze zkontrolovat dotykem.

Existuje i jiná cesta – opačná. K tomu budete potřebovat multimetr a zdroj otevřeného plamene, například zapalovač. Pokyny jsou následující:

1. Měřící sondy připojíme na kontakty desky.
2. Vezmeme modul a zahřejeme jednu ze stran pomocí zapalovače.
3. Díváme se na displej zařízení.

Pokud multimetr funguje správně, zobrazí měření elektrického proudu produkovaného prvkem.

Pro polní podmínky lze pomocí Peltierova modulu sestavit základní generátor proudu pro nabíjení mobilního telefonu. K tomu je na vyhřívanou stranu připojena měděná deska a na chlazenou hliníkový radiátor. Pro stabilizaci výstupů kontaktů je připojen 5V převodník a aby nedošlo k přehřátí a výpadku zařízení, můžete jako topení použít vroucí vodu v hrnci.

Video ukázka testování Peltierova chladiče pro procesor:

Nejdůležitější znaky

Peltierův modul je dvojice polovodičů spojených v jedné rovině, kterými se při průchodu elektrického proudu jedna strana zahřívá a druhá ochlazuje. Efekt byl objeven v 19. století a nyní je široce používán jako chladič pro různá zařízení.

Na rozdíl od standardní lednice nevyžadují takové moduly freon ani zařízení pro jeho cirkulaci, nehlučí, mají jednoduchý design a snadno se udržují. Při výběru modelu je třeba vzít v úvahu vlastnosti a správně dešifrovat označení.

Výhody Peltierových prvků jsou malé rozměry, jednoduchost, absence pohyblivých částí, optimální cena, univerzálnost povrchů a nehlučnost. Nevýhodou je omezený odvod tepla, nízká účinnost a nutnost instalace dodatečného odvodu tepla.

Deska našla své nejširší uplatnění v následujících projektech:

• Mobilní lednice.
• Generátory proudu.
• Počítačové chladiče.
• Kondicionéry.
• Vodní chladiče.
• Vysoušeče vzduchu.

Hotové zařízení musí být připojeno v souladu s pokyny, po předchozí kontrole jeho funkčnosti.

Napište do komentářů, k jakým účelům byste Peltierův modul využili?