Ogniwa Peltiera

Niemal każdy spotkał się ze wzmiankami o ogniwach Peltiera zwanych też elementami Peltiera. Przed przystąpieniem do omawiania zasady działania ogniwa Peltiera trzeba przypomnieć, że Ciepło jest formą energii. Inna forma energii to energia elektryczna. Na przykład w rezystorze dostarczana moc elektryczna (P=UI=I²R) zamienia się na ciepło i przechodzi do otoczenia. Jak wiadomo, w przyrodzie nic nie ginie, więc ta energia elektryczna nie może zniknąć - istnieje nadal tyle, ze w postaci ciepła. Mamy tu do czynienia z sytuacja gdy określona ilość energii elektrycznej zamienia się na dokładnie taką samą ilość energii cieplnej.

Mówi się, że element Peltiera chłodzi lub grzeje, w zależności od kierunku płynącego prądu. Jest to w zasadzie prawda, ale takie sformułowanie może wprowadzić w błąd. Z prostego określenia, że element Peltiera grzeje lub chłodzi w zależności od kierunku przepływu prądu ktoś mógłby wyciągnąć wniosek, że przy właściwym kierunku prądu "czarodziejski" element Peltiera po prosty pochłania ciepło z otoczenia. Tak jednak nie jest !

Zasada działania

Działanie półprzewodnikowych modułów termoelektrycznych, potocznie nazywanych ogniwami Peltiera w rzeczywistości opiera się na pięciu podstawowych zjawiskach fizycznych. Najważniejsze z nich jest zjawisko Peltiera.

W roku 1834 Jean C.A.Peltier odkrył, że na złączu dwóch różnych metali przy przepływie prądu w odpowiednim kierunku złącze pochłania ciepło. Ilość wydzielanego lub pochłanianego ciepła jest proporcjonalna do natężenia prądu; zależy także od zastosowanych materiałów.

W przypadku złącza wykonanego z dwóch różnych metali ta ilość ciepła jest bardzo mała, dlatego w praktycznych zastosowaniach wykorzystuje się inne materiały. Są to pewnego rodzaju półprzewodniki, zazwyczaj odpowiednio domieszkowane - tellurek bizmuty (Bi₂Te₃).

Chodź materiał ten ma interesujące nas właściwości nieporównywalnie lepsze od metali, jednak mimo wszystko, ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego na pojedynczym złączu, nie jest zbyt dużo. Aby zwiększyć moc cieplną trzeba albo radykalnie zwiększyć natężenie prądu (co napotyka na pewne ograniczenia), albo zastosować większą ilość takich ogniw.

W praktyce stosuje się właśnie połączenie większej liczby elementarnych ogniw. Poniżej znajduje się Moduł Peltiera o wymiarach 40x40x3,8mm.

na rysunku poniżej pokazana jest jego budowa i zasada działania.

Moduł ma dwie płytki ceramiczne, tworzące dwie płaszczyzny, a pomiędzy nimi umieszczono wiele "kolumienek". Pod względem elektrycznym "kolumny" te połączone są szeregowo (za pomocą miedzianych płytek), tworząc zygzak, pod względem cieplnym - równolegle. Płytki ceramiczne zapewniają sztywność mechaniczną, są doskonałą izolacją elektryczną i dobrze przewodzą ciepło.

Podstawą jest tu złącze p-n. Jedno ze złącz na powyższym rysunku zostało wyróżnione. Pokazano kierunek przepływu prądu, który jak wiadomo jest przeciwny ruchowi elektronów.

W półprzewodniku typu p nośnikiem prądu są dziury. Jak wiadomo, dziury nie są realnymi obiektami fizycznymi - w strukturze półprzewodnika brakuje po prostu elektronów do pełnego obsadzenia górnego poziomu (pasma) energetycznego, lub jak kto woli ostatniej orbity elektronowej. W półprzewodniku typu n występuje nadmiar elektronów, wspomniane wcześniej pasmo energetyczne jest całkowicie zapełnione i nadmiarowe elektrony znajdują się z konieczności już w następnym paśmie energetycznym.

I tu tkwi sedno sprawy. Elektron będący na orbicie ma jakąś energię potencjalną, zależną od odległości od jądra - czym wyższa orbita, tym energia ta jest większa. Przechodząc z wyższej orbity na niższą, elektron oddaje energię, a żeby "wskoczył" na orbitę wyższą, musi skądś otrzymać energię.

W ogniwie Peltiera mamy następującą sytuację: elektrony o niższej energii z półprzewodnika typu p przechodzą do półprzewodnika typu n, gdzie z konieczności muszą mieć wyższą energię. Obecność pomiędzy nimi miedzianej płytki niczego nie zmienia. Krótko mówiąc, elektrony te muszą w jakiś sposób zwiększyć swoją energię, czyli pobrać skądś energię. Pobierają ją w postaci ciepła.

Tym samym złącze p-n pochłania ciepło z otoczenia. Górna płytka modułu będzie więc chłodzona.

Trzeba jednak pamiętać, że w module Peltiera występuje nie jedno lecz wiele takich złącz. O ile na rysunku w sąsiedztwie górnej płytki, przy podanym kierunku prądu, występują złącza p-n, to przy dolnej płytce występuje taka sama ilość złącz n-p.

Zgodnie z podaną wcześniej zasadą, elektrony z pasma przewodzenia półprzewodnika typu n, przechodząc do niższego pasma walencyjnego półprzewodnika typu p oddają cześć swojej energii w postaci energii cieplnej. A więc na złączu n-p wydziela się pewna ilość ciepła - dolna strona modułu będzie podgrzewana.

Przy zmianie kierunku prądu, dotychczasowe złącza p-n staną się złączami n-p (i na odwrót), i ciepło będzie pobierane na dolnej stronie modułu, a wydzielane na górnej.

W module Peltiera ciepło pod wpływem przepływającego przezeń prądu elektrycznego jest transportowane z jednej płaszczyzny na drugą.

Moduł Peltiera jest pompą cieplną transportującą ciepło w kierunku zależnym od kierunku prądu.

Wydawałoby się, że ilość ciepła pochłoniętego na stronie zimnej jest równa ilości ciepła na stronie gorącej. Tak jednak nie jest.

Możliwości i bariery

Z podanej zasady działania można wywnioskować, iż zdolność transportu ciepła jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu. Wydawałoby się, że czym większy prąd tym lepsze chłodzenie strony zimnej. Sprawa nie jest jednak aż tak prosta.

Wcześniej wspomniano, że działanie modułu Peltiera związane jest przynajmniej z pięcioma zjawiskami fizycznymi, z których zjawisko odkryte przez Peltiera jest najważniejsze.

Żeby zrozumieć możliwość i ograniczenia związane z transportem ciepła i z chłodzeniem, trzeba wspomnieć o pozostałych czterech zjawiskach.

Dwa z nich mają negatywny wpływ i właśnie one decydują o praktycznie uzyskiwanych parametrach modułu Peltiera. Są to: efekt Joule'a oraz zjawisko przewodzenia ciepła.

Pozostałe dwa zjawiska: Seebecka i Thomsona odgrywają mniej ważną rolę.

Dobrze znany ze szkoły efekt Joule'a to wydzielanie się ciepła podczas przepływu prądu przez przewodnik o niezerowej rezystancji. Przy przepływie prądu będzie się w tej rezystancji wydzielać ciepło - jest to tak zwane ciepło Joule'a. Wydzielana moc będzie równa:

P = I²*R

Patrząc pod względem elektrycznym, moduł Peltiera składa się z wielu "kolumienek" zbudowanych z jakiegoś przewodzącego materiału. Niewątpliwie taka konstrukcja ma jakąś niezerową rezystancję.

Wydzielać się więc będzie na niej (w całej objętości "kolumienek") wspomniane ciepło Joule'a, co oczywiście spowoduje wzrost temperatury.

Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, ten sam prąd I płynący przez moduł, powoduje transport ciepła z jednej strony modułu na drugą. Teraz widać, że ciepło Joule'a, powstające w "kolumienkach" zostaje "wypchnięte" na stronę gorącą modułu dzięki zjawisku Peltiera.

Na stronie gorącej wydzieli się zarówno ciepło pochłonięte na stronie zimnej, jak i ciepło Joule'a powstające wskutek przepływu prądu.

Działanie modułu termoelektrycznego przypomina działanie domowej chłodziarki (lodówki) sprężarkowej, gdzie dostarczana jest pewna moc elektryczna P, w parowniku następuje pochłanianie ciepła, suma tych mocy zgodnie z zasadą zachowania energii wydziela się jako ciepło, głownie w kondensatorze (radiatorze). Zarówno w lodówce, jak i w module Peltiera moc uzyskana na stronie gorącej jest większa od dostarczonej mocy elektrycznej P.

Znakomity pomysł na tanie ogrzewanie domu :). Nie jest to wprawdzie żadna nowość - taki sposób ogrzewania domów wykorzystuje się już w praktyce, potrzebne są tylko środowiska o różnych temperaturach i odpowiedniej pojemności cieplnej. Na przykład jedną "zimną stronę" instalacji umieszcza się pod powierzchnią ziemi lub w wodach jeziora, a drugą w domu. Na razie koszty takich (sprężarkowych) instalacji są wysokie i bardzo pomału wchodzą one do szerszego użytku. Baterie ogniw Peltiera byłyby tu znakomitym i niezawodnym rozwiązaniem: ze względu na prostą konstrukcję nie ma ograniczeń wielkości, przeszkodą jest natomiast wysoka cena.

Poznaliśmy tu jedną z ciekawszych właściwości modułów Peltiera. Doszliśmy do wniosku, że moduły te mogłyby służyć do ogrzewania. Ale na razie, ze względu na koszty, wykorzystuje się je niemal wyłącznie do chłodzenia. Czy w takim wypadku wspomniane ciepło Joule'a w jakikolwiek sposób przeszkadza?

Zdecydowanie tak !

Chcielibyśmy, aby nasz moduł chłodził jak najskuteczniej. Ściślej mówiąc, chcielibyśmy, żeby wystąpił jak największy transport ciepła z jednej strony na drugą. Dla danego modułu, jego "możliwości transportowe", wynikające ze zjawiska Peltiera są wprost proporcjonalne do natężenie prądu. Jednak przepływ prądu spowoduje wydzielenie się w całej objętości czynnego materiału pewnej ilości ciepła Joule'a. Chodź więc przy danym prądzie nasz moduł mógłby przepompować z jednej strony na drugą określoną ilość, powiedzmy "użytecznego" ciepła, to jednak musi on "wypompować" powstające w module ciepło Joule'a, a więc wypadkowe możliwości chłodzenia strony zimnej zmniejszają się.

I tu chyba wszyscy widzą barierę możliwości modułu. W miarę zwiększania prądu, liniowo rośnie transport ciepła wynikający ze zjawiska Peltiera - to nas bardzo cieszy. Jednocześnie jednak proporcjonalnie do drugiej potęgi prądu ( P = I²*R) rośnie ilość wydzielonego ciepła Joule'a. Ponieważ ze wzrostem prądu te szkodliwe ilości ciepła rosną szybciej niż ilość ciepła "pompowanego" przez moduł, więc przy zwiększaniu prądu wystąpi w pewnym momencie szczególna sytuacja, gdy ilość pompowanego pożytecznego "ciepła Peltiera" będzie równa ilości szkodliwego "ciepła Joule'a". Przy takim prądzie strona zimna ogniwa nie będzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane na wypompowanie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to poniższy wykres:

Prosta 1 reprezentuje "możliwości transportu ciepła", a krzywa 2 - ilości ciepła Joule'a, wydzielane pod wpływem płynącego prądu. Rzeczywiste możliwości transportu ciepła "użytecznego", z jednej strony modułu na drugą (czyli w sumie interesująca nas moc chłodzenia), będą więc różnicą "możliwości transportowych" i szkodliwego ciepła Joule'a. Te rzeczywiste możliwości przedstawia krzywa 2.

Krzywa ta udowadnia, że nie możemy nadmiernie zwiększać prądu I, bowiem powyżej wartości I_max rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się. Przy wartościach prądy powyżej I_Y moduł wcale nie będzie chłodził - obie strony będą się grzać, z tym że jedna strona będzie gorętsza od drugiej.

Od tej chwili wiadomo już, że dla każdego modułu Peltiera określa się jakiś prąd maksymalny I_max - prądu tego nie należy przekraczać, bo tylko pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia. Wartość prądu I_max jest jednym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera.

Przewodzenie ciepła

Teraz następna bardzo ważna sprawa. Krzywa 3 pokazuje, można powiedzieć - możliwości chłodzenia strony zimnej w zależności od prądu pracy. Ale krzywa ta nie obrazuje całej prawdy o możliwościach modułu.

Do tej pory przy analizie nie uwzględniliśmy kolejnego zjawiska fizycznego - przewodzenia ciepła w objętości materiału. Wiadomo, że materiał "kolumn" modułu ma pewną przewodność cieplną. Zgodnie z zasadami termodynamiki ciepło to będzie przechodzić ze strony gorącej na zimną w stopniu zależnym od różnicy temperatur i od wartości przewodności cieplnej materiału półprzewodnika. Zjawisko przewodzenia ciepła nie występuje wtedy, gdy obie strony modułu mają jednakową temperaturę. Niestety, jeśli chcemy zbudować chłodziarkę, dwie strony naszego modułu niewątpliwie będą mieć w czasie pracy różne temperatury. Niechybnie ciepło będzie przechodzić ze strony gorącej na zimną w stopniu zależnym od przewodnictwa "kolumienek" i nasze ogniwo musi zużyć część "możliwości transportowych" na "wypchnięcie" tego ciepła z powrotem na stronę gorącą. Jak widać, jest to drugie szkodliwe zjawisko - wypchnięte misi być w ten sposób zarówno ciepło Joule'a, jak i ciepło "próbujące" przepływać wskutek przewodzenia materiału "kolumienek" ze strony gorącej na zimną.

Rysunek poniższy pokazuje krzywą 3 z poprzedniego rysunku , w innej skali. Dodatkowo przedstawiono tu wpływ różnicy temperatur obu stron modułu na rzeczywiste możliwości chłodzące strony zimnej

W praktycznym zastosowaniu zwiększenie prądu w zakresie od 0 do I_max będzie powodować zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś wartości T_max). Ale zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony gorącej na zimną. Przy prądzie I_max oraz różnicy temperatur T_max suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Joule'a stanie się równa "możliwościom transportowym" modułu. Cała pożyteczna "moc Peltiera" będzie wtedy zużywana wyłącznie na wypompowanie szkodliwego ciepła z wnętrza modułu. W tym momencie uzyskamy największą możliwą do uzyskania różnice temperatur obu stron modułu, czyli praktycznie najniższą możliwą temperaturę strony zimnej. Niższej uzyskać się nie da - przy dalszym wzroście prądu temperatura strony zimnej zacznie wzrastać. Dla obecnie produkowanych typowych modułów maksymalna różnica temperatur T_max jest rzędy 60...75°C.

Nie trzeba chyba nikogo przekonywać, że przy zastosowaniu modułów do chłodzenia ostateczny efekt będzie zależeć przede wszystkim od temperatury strony gorącej, a więc od skuteczności zastosowanego tam radiatora.

W tym miejscu trzeba też wspomnieć o podanym w katalogach współczynniku, czy też stałej Z. Ogólnie biorąc, stała ta charakteryzuje globalną jakość modułu - czym wartość tego współczynnika jest większa, tym lepsze są uzyskiwane wyniki. Przeciętny użytkownik nie wykorzystuje tego parametru w praktyce - jego wartość może jedynie posłużyć na przykład do ogólnego porównania jakości modułów różnych producentów.

Moc chłodzenia

Kolejnym parametrem podawanym w katalogach jest maksymalna wydajność chłodzenia, czyli ściślej moc chłodzenia strony zimnej Q_max. Na obu naszych wykresach maksymalną moc chłodzenia Q_Cmax uzyskuje się przy prądzie I_max w warunkach reprezentowanych przez punkt X.

Uważny Czytelnik zauważy tu, iż definiowana w ten sposób moc cieplna Q_Cmax niewiele ma wspólnego z rzeczywistymi warunkami pracy. Istotnie, parametr Q_Cmax informuje, ile ciepła moduł może przetransportować przy prądzie I_max oraz zerowej różnicy temperatur między obydwoma swymi stronami.

Taka sytuacja zdarza się tylko przez chwilę, w momencie włączenia prądu. Po włączeniu prądu wzrasta różnica temperatur między stronami modułu, i jak pokazano na ostatnim wykresie, moc chodzenia strony zimnej maleje.

W dotychczasowych rozważaniach nie uwzględniliśmy co dzieje się po stronie zimnej - zaniedbaliśmy mianowicie wymianę ciepła z otoczeniem. Załóżmy że wykorzystujemy moduł Peltiera do budowy chłodziarki. Po włączeniu prądu moduł "wyciąga ciepło" z wnętrza chłodziarki. Temperatura wewnątrz chłodziarki spada. Zwiększa się różnica temperatur między stroną zimną modułu a gorącą, co powoduje zmniejszanie się mocy chodzenia strony zimnej. Wzrasta też różnica temperatur między wnętrzem chłodziarki a otoczeniem. Izolacja komory chłodziarki na pewno nie jest idealna, więc wskutek przewodzenia materiału izolacyjnego obudowy chłodziarki, jakaś ilość ciepła napływa z otoczenia do chłodziarki. To ciepło musi być wypompowane przez moduł Peltiera.

W pewnym momencie ustali się więc stan równowagi. Ilość ciepła napływającego przez niedoskonałą izolację termiczną komory będzie na bieżąco wypompowywana przez moduł.

We wnętrzu ustali się jakaś temperatura. Od czego będzie zależeć ta temperatura?

Przypuśćmy, że prąd jest równy I_max. Temperatura będzie zależeć od temperatury strony gorącej - temperatura ta (T_h) powinna być jak najniższa. Czym lepszy radiator i lepsze odbieranie ciepła ze strony gorącej, tym lepiej. Kluczową kwestią jest więc sprawa radiatora umieszczonego na stronie gorącej. Dla uzyskania dobrych wyników koniecznie trzeba stosować dobre radiatory, najlepiej z chłodzeniem wodnym, ostatecznie z chłodzeniem powietrzem wymuszonym za pomocą wydajnego wentylatora.

Przypuśćmy, że na stronie gorącej zastosowano bardzo wydajne chodzenie wodą. Temperatura strony gorącej modułu wynosi +30°C, Katalogowa wartość T_max modułu wynosi 65°C. Czy to znaczy, że w tej sytuacji uzyska się temperaturę wnętrza komory równą -35°C?

Niestety nie.

Nie wolno zapominać o wymianie ciepła strony zimnej z otoczeniem. Nie ma idealnej izolacji cieplnej. Do komory przez ścianki wciąż napływa ciepło z otoczenia. Ciepło to musi być wypompowane, w przeciwnym wypadku temperatura będzie wzrastać.

Temperaturę wnętrza równą -35°C można byłoby uzyskać tylko wtedy, gdyby izolacja cieplna komory była idealna.

Pominęliśmy tu jeszcze sprawę wymiany ciepła między wnętrzem komory chłodziarki a stroną zimną modułu Peltiera, co też nie pozwoli osiągnąć temperatury wnętrza komory (T_k) równej temperaturze zimnej strony modułu (T_c).

Nierealne jest osiągnięcie katalogowych wartości mocy chłodzenia Q_Cmax i T_max. Duże moce chłodzenia, bliskie Q_Cmax, uzyskamy tylko przy niewielkiej różnicy temperatur T, znaczne różnice temperatur, zbliżone do T_max możemy osiągnąć tylko przy bardzo dobrej izolacji cieplnej obiektu chłodzonego, czyli przy niewielkiej mocy chłodzenia.

Zjawisko Seebecka

Już w roku 1821 Thomas J. Seebeck odkrył, iż w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali wytwarza się napięcie (płynie prąd), o ile tylko złącza mają różne temperatury. To napięcie termoelektryczne nosi na cześć odkrywcy nazwę napięcia Seebecka. W praktyce zjawisko to jest wykorzystywane w czujnikach termoelektrycznych służących do pomiarów temperatury (popularne termopary stosowane jako czujniki w regulatorach temperatury oraz do zasilania elektrozaworu bezpieczeństwa w każdym piecu gazowym).

Występowanie zjawiska Seebecka w module Peltiera powoduje, że zależność prądu od napięcia jest nieco dziwna - zmienia się zależność od temperatury (różnicy temperatur) i wartości prądu. Nie jest to jakiś istotny czynnik przeszkadzający. W praktyce przy stałym napięciu zasilania objawia się zauważalnym zmniejszeniem prądu wraz ze zwiększeniem się różnicy temperatur obu stron modułu.

Zjawisko Thomsona

William Thomson (lord Kelvin) badał zjawiska Seebecka i Peltiera. Określił stosowne zależności matematyczne a także przewidział istnienie kolejnego fenomenu (zjawiska) nazwanego potem jego imieniem. Jest to wydzielanie i pochłanianie ciepła w jednorodnym przewodniku, gdy prąd płynie w kierunku gradientu (różnic) temperatur. W module Peltiera to pożyteczne zjawisko ma niewielkie znaczenie praktyczne. W każdym razie niczego nie utrudnia.

Paramter Z

Z przeprowadzonych wcześniej rozważań wynika, iż materiał użyty do budowy "kolumienek" powinien mieć najmniejsze wartości rezystywności i przewodności cieplnej, a jak najlepsze właściwości związane ze zjawiskiem Peltiera. Niestety są to wymagania wzajemne sprzeczne.

Dla uzyskania jak najmniejszej rezystancji modułu, kolumienki powinny mieć jak największy przekrój i być jak najniższe. Ale takie grube, niskie kolumienki będą łatwo przewodzić ciepło ze strony gorącej na zimną. Dla zmniejszenia strat wskutek przewodnictwa należałoby zastosować wysokie, cienkie kolumny. Jak z tego widać, konstruktorzy modułów Peltiera muszą znać optymalny kompromis.

Aby w prosty i wymierny sposób scharakteryzować dany materiał pod kątem przydatności do budowy ogniw Peltiera, wprowadzono współczynnik Z wiążący podane właśnie zależności:

Z = a²/R*k

gdzie a to współczynnik związany z transportem ciepła, R - rezystancja, k - reprezentuje przewodność cieplną kolumienek. Z dotychczas znanych materiałów, najlepsze właściwości ma wspomniany wcześniej półprzewodnik (tellurek bizmutu - Bi₂Te₃).

Grzanie

Dotychczas omówiono sytuację, gdy ciepło jest przenoszone z obszaru o temperaturze niższej do obszaru o temperaturze wyższej. Tak jest w przypadku chłodziarki, i tak jest w przypadku instalacji do ogrzewania domu za pomocą pompy cieplnej. Ogniwa termoelektryczne równie dobrze mogą służyć jako grzejniki - górna dopuszczalna temperatura pracy ograniczona jest jednak punktem mięknięcia lutu użytego do wykonania wewnętrznych połączeń - zwykle jest to ok. +130°C...+150°C.

Często zapomina się o możliwości transportu ciepła od obszaru o temperaturze wyższej do niższej. W takim zastosowaniu ogniwo termoelektryczne nazywane jest rurą cieplną (ang. heat pipe) i ma zastosowanie np. do wspomagania chłodzenia elementów półprzewodnikowych w niektórych wzmacniaczach klasy A w sprzęcie High End.

Niektórzy co dociekliwsi Czytelnicy, usłyszawszy o zjawisku Seebecka, postawili już pewnie pytanie, czy moduł Peltiera może pracować jako źródło prądu. Oczywiście, że może. Wystarczy spełnić warunek, aby dwie strony baterii Peltira miały różne temperatury. Następuje wtedy bezpośrednia zamiana energii cieplnej na elektryczną. Zastosowanie do tego celu popularnych modułów, przeznaczonych przede wszystkim do chłodziarek, nie jest jednak korzystne. Do wytwarzania prądu używa się innych materiałów pracujących w dużo wyższych temperaturach, a jako źródła ciepła stosowane są materiały radioaktywne, inna jest też konstrukcja mechaniczna.

Zarówno napięcia jak i moc uzyskiwana z pojedynczego ogniwa są niewielkie, więc aby uzyskać sensowne ilości energii wiele ogniw trzeba połączyć w baterię. Przykładowo przy temperaturach T_h=+125°C (temperatura strony gorącej) i T_c=+25°C (temperatura strony zimnej) aby uzyskać moc elektryczną 10W należałoby użyć około 400 ogniw; taki moduł (bateria) musiałby mieć powierzchnię ok. 15x15cm. Sprawność przetwarzania energii cieplnej na elektryczną wyniosłaby 2...3%. Ze względu na koszty, nie jest to więc dla hobbystów godne uwagi źródło energii. W pewnych przypadkach może być jednak użyteczne, przypomnijmy tylko, że ogniwo termoelektryczne (termopara) występuje w obwodach zabezpieczenia wszystkich domowych pieców (kotłów) gazowych. Wytwarzany prąd przepływając przez uzwojenie elektrozaworu utrzymuje go w stanie otwartym. Zgaśnięcie płomienia pilotującego (tzw. świeczki) powoduje zamknięcie elektrozaworu.

Jak podano, pojedynczy moduł może wytworzyć różnicę temperatur co najwyżej rzędu sześćdziesięciu...siedemdziesięciu stopni. Jeśli jednak umieści się moduł jeden pod drugim, to wypadkowa różnica temperatur będzie zdecydowanie większa.

Taki wielostopniowy moduł ma kształt piramidy, ponieważ stopień następny musi przenieść nie tylko ciepło chłodzenia stopnia poprzedniego, ale również ciepło Joule'a stopnia poprzedniego. Osiągane w modułach wielostopniowych temperatury są rzeczywiście niskie, za to moce chłodzenia Q_C są niewielkie. Przykładowo przy pomocy modułów sześciostopniowych można osiągnąć temperatury rzędu -80...-110°C.

Praktyczne zastosowania

Jedno- i wielostopniowe moduły są używane w laboratoriach w procesach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury. Służą do budowy komór klimatycznych. Znajdują swoje miejsce w medycynie przy analizach tkanek, w niektórych rodzajach terapii (hipotermia). Z użyciem elementów Peltiera budowane są urządzenia jako wzorce temperatury o dokładności lepszej niż 0,01°C. W zastosowaniach domowych spotyka się przenośnie lodówki samochodowe, schładzarki do piwa, wina, termostaty do akwarium.

Dla celów militarnych i kosmicznych wykonuje się nawet moduły o mocach rzędu kilowatów.

W elektronice użytkowej mają zastosowanie do chłodzenia procesorów naszych komputerów domowych oraz elementów półprzewodnikowych w niektórych wzmacniaczach najwyższej klasy. Ciekawym przykładem jest też detektor promieniowania podczerwonego.

Jak wiadomo detektory promieniowania podczerwonego ze względu na szumy powinny pracować w niskich temperaturach. Skutecznym sposobem zapewniającym temperatury elementu czynnego rzędu -30...-80°C jest użycie wielostopniowego modułu termoelektrycznego. W ten sposób wykonuje się miniaturowe detektory o objętości rzędu kilku, kilkunastu cm³. Dostarczana do termoelementu moc elektryczna wynosi 0,5...3W.

Podstawowe parametry

Ponieważ podstawowe zjawiska zachodzące w ogniwie Peltiera mają silny związek z temperaturą, więc parametry użytkowe modułu zależą od warunków pracy. Ten sam moduł w zależności od zastosowania może mieć różną efektywność. Dla celów praktycznych przyjmuje się pewne istotne uproszczenia i zakłada, że dla danego ogniwa wszystkie parametry zależą od temperatury strony gorącej. Mimo wszystko występuje tu wiele zmiennych i różne firmy w odmienny sposób charakteryzują swoje wyroby zamieszczając inne rysunki i tabele. Oczywiście utrudnia to nieco interpretację parametrów i charakterystyk.

Konstruktor wykorzystujący moduły Peltiera powinien znać praktyczne możliwości transportu energii, czyli odpowiednie moce. Są to:

1. moc strony zimnej Q_C (moc chłodzenia),

2. moc strony gorącej Q_h (moc grzania),

3. doprowadzona moc elektryczna P.

Można z tego obliczyć sprawność chłodzenia, czyli stosunek mocy Q_C do P, ewentualnie też sprawność grzania, czyli stosunek Q_h do P. Sprawności te są oznaczane odpowiednio COP_C i COP_h (ang. Coefficient Of Performanc):

COP_C = Q_C / P
oraz
COP_h = Q_h / P

Moc oddawana na gorącą stronę termoelementu jest sumą mocy chłodzenia Q_C i dostarczonej mocy elektrycznej P. Sprawność grzania (COP_h) jest więc na pewno większa niż 100%. Co ciekawe również sprawność chłodzenia przy mniejszych prądach przekracza 100%.

Podsumowanie

• Dla praktyka budującego urządzenie chłodzące z wykorzystaniem modułów Peltiera kluczowe znaczenie ma katalogowy parametr I_max. Podanego prądu nie wolno (i nie warto) przekraczać, korzystna może się natomiast okazać praca przy mniejszych prądach.

• Ogromne znaczenie dla uzyskiwanych końcowych efektów ma zastosowanie jak najskuteczniejszego radiatora odbierającego ciepło ze strony zimnej (najlepiej z chłodzeniem wodnym) oraz jak najlepsza izolacja cieplna obiektu chłodzonego od otoczenia.

• Pozostałe parametry podawane w katalogu mają mniejsze znaczenie praktyczne. Należy mieć na uwadze, że w rzeczywistości nigdy nie uzyska się katalogowej różnicy temperatur T_max, a realnie uzyskana moc chłodzenia podczas pracy będzie mniejsza niż katalogowa moc Q_Cmax.

• Przeciętny użytkownik nie jest w stanie w pełni skorzystać z podanych przez producenta parametrów i wykresów, głównie dlatego, że nie potrafi obliczyć ilości ciepła przenikającego do obiektu chłodzonego, oraz dla tego, że nie zna dokładnych właściwości (liczbowych parametrów) radiatora zastosowanego na stronie gorącej. Z podanych względów nie warto tracić czasu na obliczenia, lepiej skoncentrować całą uwagę i wysiłek na radiatorze chłodzącym oraz izolacji cieplej obiektu.

---