Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Moduły Peltiera otacza nuta tajemnicy, bowiem uznawane są za proste moduły elektryczne, które chłodzą lub grzeją (zależnie od kierunku prądu).
Zrozumienie, że tak naprawdę nie generują one zimna (ani ciepła), znacznie ułatwi używanie ich w projektach. Przed ich użyciem warto jednak się dowiedzieć, jak działa ogniwo Peltiera.
Z artykułu dowiesz się przede wszystkim tego, że ogniwa, czyli moduły Peltiera, są odmianą pomp ciepła. Mogą one służyć albo do chłodzenia, albo do grzania. Ale taki moduł może też zostać wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej, jeśli pracuje jako ogniwo termoelektryczne.
Ogniwa Peltiera cieszą się zainteresowaniem hobbystów. Jednak bardzo często próby ich użycia są jednym wielkim rozczarowaniem, a to głównie przez brak wiedzy o ich właściwościach, specyfice, co w praktyce przekłada się na brak odpowiednich radiatorów – wymienników ciepła.
Ogniwo Peltiera, a właściwie moduł Peltiera, to rodzaj pompy ciepła o zaskakująco prostej budowie i prostym działaniu. Najczęściej ma postać płaskiego prostopadłościanu, a dokładniej są to dwie kwadratowe, ceramiczne białe (lub jasnoszare) płytki, pomiędzy którymi umieszczonych jest wiele małych „kolumn”. Najpopularniejsze moduły mają rozmiary 4 × 4 cm i grubość około 5 mm.
Przykładowy moduł Peltiera
Taki moduł to pompa ciepła, czyli element, który przy przepływie prądu elektrycznego transportuje (pompuje) ciepło z jednej płaskiej strony na drugą. Potoczna opinia, że ogniwo Peltiera zależnie od kierunku prądu chłodzi lub grzeje, jest nieprecyzyjna i wręcz wprowadza w błąd.
W module Peltiera ciepło nie ginie ani nie pojawia się w jakichś tajemniczych okolicznościach, tylko pod wpływem prądu elektrycznego jest transportowane z jednej strony na drugą.
Moduł Peltiera jest tylko pompą ciepła transportującą ciepło w kierunku zależnym od kierunku przepływającego prądu – nie jest przyrządem, który pochłania/wydziela ciepło „znikąd”. Wyjaśnienie zjawisk, które tu zachodzą, znaleźć można w artykule na temat tego, jak działa pompa ciepła:
Pompy ciepła, które używane są do ogrzewania m.in. domów, mogą budzić kontrowersje. Dzieje się tak za sprawą błędnych informacji,... Czytaj dalej »
Działanie ogniwa oparte jest na zjawisku, które Jean Charles Peltier odkrył już w roku 1834. Były to początki badań nad elektrycznością i obiektem eksperymentu były różne druty, a także złącza, czyli miejsca połączenia różnych drutów. Okazało się, że w takich złączach podczas przepływu prądu elektrycznego zachodzą niezrozumiałe wówczas zjawiska cieplne. Dlatego takie połączenia różnych przewodzących materiałów znane są do dziś jako złącza lub raczej ogniwa termoelektryczne.
Właśnie Jean Peltier zaobserwował, że miejsce połączenia drutu miedzianego i bizmutowego zależnie od kierunku prądu albo się ogrzewa, albo ochładza.
W obwodzie elektrycznym zawierającym dwa połączenia miedź–bizmut podczas przepływu prądu jedno ze złącz się nagrzewało, drugie ochładzało. Wtedy była to nieznacząca, niewyjaśniona ciekawostka. Rozwój nauki i późniejsze badania wykazały, że efekt odkryty przez Peltiera polega na transportowaniu (pompowaniu) ciepła z jednego złącza do drugiego i że można go zaobserwować na złączach wielu różnych substancji, nie tylko metali (miedzi i bizmutu).
Jean Charles Athanase Peltier
Dzisiejsze moduły Peltiera mają elementy czynne wykonane z materiału półprzewodnikowego. Najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym jest obecnie krzem, ale jest też mnóstwo innych półprzewodników, spośród których w ogniwach Peltiera najczęściej wykorzystuje się tellurek bizmutu (Bi2Te3) domieszkowany antymonem i selenem, co daje półprzewodniki domieszkowane typu p i typu n. Więcej na ten temat znaleźć można w artykule omawiającym, czym jest półprzewodnik.
Półprzewodniki to bardzo dziwne materiały, najczęściej o budowie krystalicznej, dzięki którym możliwe jest tworzenie większości nowoczesnych... Czytaj dalej »
Słysząc o początkowych eksperymentach Jeana Peltiera, wiele osób zastanawia się nawet dziś, jak zrobić ogniwo Peltiera. Niestety zbudowanie użytecznego modułu domowymi sposobami jest właściwie niemożliwe – z uwagi na potrzebne do tego materiały. Ale gotowe moduły można dziś kupić w cenie już od kilkunastu złotych.
Pojedyncze ogniwo – złącze Peltiera ma niedużą zdolność pompowania ciepła. Aby ją powiększyć, wykorzystuje się wiele ogniw – złącz, pod względem termicznym połączonych równolegle, natomiast pod względem elektrycznym – szeregowo. Budowa wewnętrzna gotowego modułu, który składa się z wielu ogniw, wygląda więc tak jak na poniższych zdjęciach.
Zależnie od kierunku prądu ciepło jest transportowane albo w jedną, albo w drugą stronę. Idea jest zatem bardzo prosta, ale fizyczne podstawy działania – wprost przeciwnie. Osoby zainteresowane szczegółami mogą samodzielnie poszukać informacji, dlaczego elektrony i dziury w półprzewodnikach transportują energię cieplną.
Uproszczona zasada działania modułu Peltiera, który złożony jest z wielu złącz – w wyniku transportu energii jedna strona jest zimna (na ilustracji górna), a druga ciepła
W praktyce dużo ważniejszy od teorii jest fakt, że modułowi Peltiera pracującemu w roli pompy ciepła bardzo daleko do doskonałości. A najważniejsze jest to, że zgodnie z poniższym rysunkiem na gorącej stronie modułu oprócz pompowanej mocy chłodzenia, oznaczanej QC, wydziela się także elektryczna moc zasilania QS, równa iloczynowi prądu i napięcia zasilającego moduł (QS = P = U × I).
Przypadek pompy ciepła, która nie spełnia swojego zadania
Nieco dokładniej i konkretnie (w kontekście modułu Peltiera) pokazuje to poniższa ilustracja:
Na stronie ciepłej modułu Peltiera wydziela się dodatkowo elektryczna moc zasilania ogniw
Najważniejszy z tego wniosek jest taki, że na stronie gorącej wydziela się dużo ciepła – kluczową sprawą jest to, że ciepło trzeba skutecznie odprowadzić dalej i rozproszyć do otoczenia. Tylko porządne odprowadzanie ciepła ze strony gorącej pozwala wykorzystać możliwości ogniw Peltiera.
Bez dobrego odprowadzenia ciepła ze strony gorącej moduł będzie bezwartościowy, a nawet może ulec uszkodzeniu – stopi się w środku przy nadmiernym wzroście temperatury.
Moduły Peltiera w większości komercyjnych zastosowań pracują właśnie jako pompy ciepła. Są one wykorzystywane np. do budowy przenośnych lodówek turystycznych, zasilanych napięciem stałym (12 V). To jest właśnie najczęstsze komercyjne zastosowanie dla takich modułów.
Przykładowa lodówka samochodowa
Moduły Peltiera są wykorzystywane także w laboratoriach do chłodzenia i grzania, w tym do budowy komór termicznych, w których możliwa jest bardzo precyzyjna regulacja temperatury. W niektórych zastosowaniach używane są też „piętrowe” moduły Peltiera, pozwalające uzyskać bardzo niskie temperatury, a dokładniej dużą różnicę temperatur między stronami gorącą i zimną.
Ogniwa Peltiera mają też zupełnie inne, „odwrotne” zastosowania. Są to ogniwa termoelektryczne, w których zachodzą różne dziwne zjawiska, w tym tzw. zjawisko (efekt) Seebecka. Najprościej ujmując, moduł Peltiera ma działanie „podwójnie odwracalne”. Nie tylko kierunek pompowania ciepła zależy od kierunku prądu.
Gdy obie strony modułu Peltiera mają różne temperatury (i następuje samoczynny przepływ ciepła ze strony gorącej na zimną), wtedy wytwarza on napięcie i prąd elektryczny.
Ogniwo Peltiera jest wówczas ogniwem – baterią termoelektryczną wytwarzającą energię elektryczną pod wpływem przepływu ciepła. W tej roli pracują raczej ogniwa Peltiera o zupełnie innej budowie niż omówione właśnie najpopularniejsze ich rodzaje.
Są używane m.in. jako źródła energii elektrycznej w statkach kosmicznych. Na poniższej fotografii widać przykład profesjonalnego wykorzystania tego zjawiska. Jest to moduł MMRTG, który generuje prąd w kosmosie – prace nad tym projektem pochłonęły ponad 83 mln dolarów, a budowa każdego kolejnego modułu to około 109 mln dolarów.
MMRTG – ogniwo termoelektryczne wykorzystywane w kosmosie
Popularne moduły Peltiera są oznaczane standardowym, uniwersalnym kodem, który określa rozmiar, liczbę „pięter” modułu, liczbę par p-n (kolumn) oraz pobierany prąd.
Standardowy sposób opisywania modułów Peltiera
Wszystkie te moduły są przeznaczone do zasilania napięciem stałym 12 V, a różnią się wartością prądu maksymalnego, który jest określony w amperach przez dwie ostatnie cyfry oznaczenia.
Oznaczenie przykładowych modułów Peltiera
W związku z tym, że są to pompy ciepła, nie ma sensu pytanie, jaka jest sprawność ogniwa Peltiera. Pojęcie sprawności dotyczy przemian energii, a nie pompowania ciepła. Ma natomiast sens pytanie o efektywność i współczynnik COP (ang. coefficient of performance).
Jednak współczynniki te silnie zależą od kilku czynników, w szczególności od różnicy temperatur między stronami modułu. Dlatego dla modułów Peltiera podaje się dwa podstawowe parametry:
Na pozór wygląda to rewelacyjnie: 100 W mocy chłodzenia i różnica temperatur prawie 70°C! Niestety, nie da się tego osiągnąć jednocześnie. Maksymalna moc cieplna dotyczy zerowej różnicy temperatur ∆T, natomiast przy maksymalnej różnicy moc chłodzenia spada do zera! Na poniższym rysunku pokazane są charakterystyki przykładowego modułu Peltiera pracującego w roli pompy ciepła. Szczegółowe wyjaśnienia wykraczają jednak poza ramy tego artykułu.
Charakterystyka przykładowego modułu Peltiera
Wadą modułów Peltiera jest ich słaba efektywność. To skomplikowane zagadnienie, w każdym razie w roli pomp ciepła dużo skuteczniejsze są np. sprężarkowe pompy ciepła. Jednak ogromną zaletą modułów Peltiera jest prostota budowy.
Nie mają ruchomych części, są wręcz wieczne, o ile pod wpływem nadmiernej temperatury nie uszkodzą się wewnętrzne połączenia.
Moduły Peltiera są jednak dość kosztowne, dlatego nie są wykorzystywane do budowy pomp ciepła dużej mocy (rzędu kilowatów). Teoretycznie moc cieplna modułów Peltiera jest rzędu 100 W, lecz w praktyce jest to znacznie mniej.
Hobbyści używają modułów Peltiera przede wszystkim do chłodzenia. Z uwagi na konieczność skutecznego odprowadzenia ciepła ze strony gorącej mały, zgrabny i płaski moduł Peltiera musi współpracować ze skutecznymi radiatorami – wymiennikami ciepła. Efekt zależy od skuteczności chłodzenia strony gorącej.
Dwa moduły Peltiera z radiatorami powietrznymi (zdjęcie: Aliexpress)
Znacznie skuteczniejsze są jednak wodne wymienniki ciepła. Na poniższej fotografii można zobaczyć przykład radiatora powietrznego (na stronie zimnej) i wymiennika wodnego (na stronie gorącej). Jak było wspomniane wcześniej, maksymalna różnica temperatur, jaką może wytworzyć moduł, jest rzędu 65–70°C, ale w praktyce jest mniejsza, zależnie od potrzebnej mocy QC strony zimnej. Przykładowo jeżeli gorąca strona modułu byłaby skutecznie chłodzona wodą o temperaturze +15°, to strona zimna może osiągnąć temperaturę nawet poniżej –20°C.
Przykład modułu Peltiera z powietrznym i wodnym wymiennikiem (zdjęcie: Aliexpress)
Hobbyści próbują też z powodzeniem wykorzystywać klasyczne moduły Peltiera do uzyskiwania niewielkich ilości energii. W praktyce nie jest to łatwe, bo trzeba podczas pracy utrzymywać jak największą różnicę temperatur między stronami modułu. W każdym z tych przypadków zastosowanie skutecznych radiatorów (wymienników) to klucz do sukcesu.
Ogniwa Peltiera to pompy ciepła o bardzo prostej budowie i dużej trwałości. Najpopularniejsze wersje są tworzone z wykorzystaniem specyficznych materiałów półprzewodnikowych. Takie moduły Peltiera najczęściej używane są np. do budowy małych lodówek turystycznych.
Praktyczne wykorzystanie modułów Peltiera to źródło ogromnej satysfakcji, jednak sukces zależy od tego, jaką skuteczność mają współpracujące radiatory – wymienniki ciepła. To szeroki temat, który warto samodzielnie zbadać przed podjęciem eksperymentów.
Piotr Górecki
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...