r r
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).
Chodz
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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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 prÄ…du.
Wydawałoby się, że ilość ciepła pochłoniętego na stronie zimnej jest równa ilości ciepła na
stronie gorÄ…cej. 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
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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
niezerowÄ… rezystancjÄ™.
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 siÄ™ pod powierzchniÄ… ziemi lub w wodach jeziora, a drugÄ… 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
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
czynnego materiału pewnej ilości ciepła Joule'a. Chodz
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 Imax rzeczywista skuteczność chłodzenia zmniejsza się. Przy wartościach prądy
powyżej IY 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
Imax - prądu tego nie należy przekraczać, bo tylko pogorszy to uzyskiwany efekt chłodzenia.
Wartość prądu Imax 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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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 gorÄ…cej na zimnÄ….
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 Imax będzie powodować
zwiększanie różnicy temperatur obu stron modułu (od zera do jakiejś wartości Tmax). Ale
zwiększanie różnicy temperatur spowoduje coraz większe przewodzenie ciepła ze strony
gorącej na zimną. Przy prądzie Imax oraz różnicy temperatur Tmax 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 Tmax jest rzÄ™dy 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
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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 Qmax. Na obu naszych wykresach maksymalną
moc chłodzenia QCmax uzyskuje się przy prądzie Imax w warunkach reprezentowanych przez
punkt X.
Uważny Czytelnik zauważy tu, iż definiowana w ten sposób moc cieplna QCmax niewiele ma
wspólnego z rzeczywistymi warunkami pracy. Istotnie, parametr QCmax informuje, ile ciepła
moduł może przetransportować przy prądzie Imax 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 Imax. Temperatura będzie zależeć od temperatury strony
gorącej - temperatura ta (Th) 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 pomocÄ… wydajnego wentylatora.
Przypuśćmy, że na stronie gorącej zastosowano bardzo wydajne chodzenie wodą.
Temperatura strony gorÄ…cej moduÅ‚u wynosi +30°C, Katalogowa wartość Tmax moduÅ‚u wynosi
65°C. Czy to znaczy, że w tej sytuacji uzyska siÄ™ temperaturÄ™ wnÄ™trza komory równÄ… -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
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
wypompowane, w przeciwnym wypadku temperatura będzie wzrastać.
TemperaturÄ™ wnÄ™trza równÄ… -35°C można byÅ‚oby 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 (Tk)
równej temperaturze zimnej strony modułu (Tc).
Nierealne jest osiągnięcie katalogowych wartości mocy chłodzenia QCmax i Tmax. Duże moce
chłodzenia, bliskie QCmax, uzyskamy tylko przy niewielkiej różnicy temperatur T, znaczne
różnice temperatur, zbliżone do Tmax 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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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 z
ródło 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 z
ródła 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 Th=+125°C (temperatura strony gorÄ…cej) i Tc=+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 z
ródło 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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
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 QC są niewielkie. Przykładowo przy pomocy modułów
szeÅ›ciostopniowych można osiÄ…gnąć temperatury rzÄ™du -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 siÄ™ przenoÅ›nie 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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
Jak wiadomo detektory promieniowania podczerwonego ze względu na szumy powinny
pracować w niskich temperaturach. Skutecznym sposobem zapewniającym temperatury
elementu czynnego rzÄ™du -30...-80°C jest użycie wielostopniowego moduÅ‚u
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. SÄ… to:
1. moc strony zimnej QC (moc chłodzenia),
2. moc strony gorÄ…cej Qh (moc grzania),
3. doprowadzona moc elektryczna P.
Można z tego obliczyć sprawność chłodzenia, czyli stosunek mocy QC do P, ewentualnie też
sprawność grzania, czyli stosunek Qh do P. Sprawności te są oznaczane odpowiednio COPC i
COPh (ang. Coefficient Of Performanc):
COPC = QC / P
oraz
COPh = Qh / P
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B
r r
Moc oddawana na gorącą stronę termoelementu jest sumą mocy chłodzenia QC i dostarczonej
mocy elektrycznej P. Sprawność grzania (COPh) jest więc na pewno większa niż 100%. Co
ciekawe również sprawność chłodzenia przy mniejszych prądach przekracza 100%.
Podsumowanie
· Dla praktyka budujÄ…cego urzÄ…dzenie chÅ‚odzÄ…ce z wykorzystaniem modułów Peltiera
kluczowe znaczenie ma katalogowy parametr Imax. Podanego prÄ…du nie wolno (i nie
warto) przekraczać, korzystna może się natomiast okazać praca przy mniejszych
prÄ…dach.
· Ogromne znaczenie dla uzyskiwanych koÅ„cowych efektów ma zastosowanie jak
najskuteczniejszego radiatora odbierającego ciepło ze strony zimnej (najlepiej z
chłodzeniem wodnym) oraz jak najlepsza izolacja cieplna obiektu chłodzonego od
otoczenia.
· PozostaÅ‚e parametry podawane w katalogu majÄ… mniejsze znaczenie praktyczne.
Należy mieć na uwadze, że w rzeczywistości nigdy nie uzyska się katalogowej różnicy
temperatur Tmax, a realnie uzyskana moc chłodzenia podczas pracy będzie mniejsza
niż katalogowa moc QCmax.
· PrzeciÄ™tny użytkownik nie jest w stanie w peÅ‚ni 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.
a
a
T
T
n
n
s
s
F
F
f
f
o
o
D
D
r
r
P
P
m
m
Y
Y
e
e
Y
Y
r
r
B
B
2
2
.
.
B
B
0
0
A
A
Click here to buy
Click here to buy
w
w
m
m
w
w
o
o
w
w
c
c
.
.
.
.
A
A
Y
Y
B
B
Y
Y
B
B