Теория и практика.
Часть первая Топливные генераторы и хранение топлива
Часть вторая Двигатели Стирлинга
Сегодня говорим о термоэлектрических модулях.
Что такое эффект Пельтье и термоэлектрический модуль?
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье (1785-1845 г.) в 1834 году. При проведении одного из экспериментов он пропускал электрический ток через полоску висмута, с подключенными к ней медными проводниками. В ходе эксперимента он обнаружил, что одно соединение висмут-медь нагревается, другое — остывает.


Устройство модуля

Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.
Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.
Область применения очень обширная, мини кондиционеры, мини холодильники, охлаждение всевозможных точных приборов, получение сверхнизких температур в лабораториях, в професиональной видеотехнике, получение электричества и тд.
К уникальным способностям можно отнести то, что именно с помощью составного модуля Пельтье смогли добиться самой низкой температуры -271?. в приборах ночного видения
миниатюрные модули охлаждают матрицу для уменьшения шумов, в особо мощных телескопах.
Современный модуль это спайка определенного количества элементов в керамическом корпусе.

В качестве примера рассмотрим TEC-12709 ( 136.8W )



Технические характеристики:
Umax (В): 15.2
I max A: 9
?Tmax Qcmax=0(?): 66
Th=27 ?
Размеры (мм): 40 ? 40 ? 3.4
Сопротивление (Ом ): 1.3 ~1.5
Что означают все эти данные?
в самом названии аббревиатура ТермоЭлектрическийМодуль,
127 количество элементов внутри модуля, 09 это рабочий ток, 9 Ампер.
66 градусов это разница температур которая может быть достигнута при идеальных условиях.
в данном случае указано 27 ?.
Исходя из несложных вычислений если на горячей стороне мы сможем поддерживать 27 градусов, на холодной можно получить -39 ?.


В реальности разница будет меньше, потому что очень сложно отводить столько тепла,
об этом в экспериментах.
40 ? 40 ? 3.4 это все поняли размеры, бывают размеры от 1мм сторона до 70-80,
Толщина бывает от 3 до 5 мм, поэтому есть сложности в эффективной термоизоляции сторон.

Варианты исполнения модулей


Составной модуль.
каждый следующий модуль меньше, приложен горячей стороной к холодной предыдущего,
соответственно разница температур будет относительно холодной стороны первого модуля.
Таким образом получают сверхнизкие температуры.




Холодильник для вина


Охладитель для банок




использвание для охлаждения процессоров



Автомобильный холодильник




Кулер для воды



и конечно уже всем примелькавшийся термогенератор на керосиновой лампе.



его составные части, термомодули и массивный радиатор для охлаждения




Выходная мошность этого термогенератора 2 ватта.
Недавно в Москве такой генератор был приобретен на сайте любителей
старых радиоприемников за 32 000 рублей.
Вложить столько денег в получение 2 ватта это нужно быть фанатом.

Не забывает промышленость и о туристах, вполне реально найти котелки и ковшики
от которых можно зарядиться.
Отечественный разработчик



Обещает нам на выходе 8 ватт.
И производитель из Японии




Гарантирует нам 2 ватта на выходе.
Очень странно получается, у нас 8 у них 2…
Не думаю что японцы настолько глупые, скорее всего честные.
Потому что наши не договаривают что максимальная мощность снимается в первые минуты
когда вы набрали снега в котелок и разница температур максимальная,
у японцев даже на схеме видно что 2 ватта это когда вода уже кипит,
до этого значительно больше.
В рекламе очень красиво все описывается как эти приспособы помогают
с электричеством в трудных ситуаций, но почему то никто не сказал,
сколько нужно кружек и ковшиков чая выпить за 3-5 часов пока заряжается
телефон к примеру.
При этом нужно постоянно следить за водой что бы не выкипела или постоянно снег черпать.

Щепочница



Есть варианты посерьезнее, в виде печи.


Характеристики печи:
Выходная электрическая мощность Вт 50
Выходное напряжение В 12
Цена в Украине 16200 грн. (люди опомнитесь, жадность погубит!)

Цитаты из рекламы печи:
-аналогов которой ни в России, ни в остальном мире нет.
-Зачастую эти спасительные 50 ватт могут стать гранью между
жизнью и смертью.
-Надежность электрогенераторов не вызывает сомнений, поскольку уже много лет
поставляются сотням фирм-потребителей в 17 стран мира.

Очень громкие заявления, особенно про то что они единственные в мире и поствляют даже в японию и десятки других стран, ну просто на расхват.
Хотя знающие люди говорят что дальше пробной партии ничего не идет,
потому как за такие деньги это добро и нах никому не надо.
Что поделаешь, реклама…

Вместо печи можно приобрести отдельно сам термомодуль
опять же наш


и импортный


Длина 290 мм
Ширина 100 мм
Высота 100 мм
Масса не более 4,5 кг
Выходное напряжение 9 В
Выходная мощность не менее 2,0 Вт

Компактность таких модулей достигнута тем, что часть вырабатываемой энергии идет на работу охлаждающих вентиляторов, а само тепло отводится радиаторами с тепловыми трубками. Иначе все это было бы обвешано десятками килограммов охлаждающих радиаторов.

Есть уже готовые сборки модулей с радиаторами, при использовании пасивной системы охлаждения радиторы получаются огромными


Переходим к самоделкам.
Многие и не раз видели описание опытов с кружкой и этой картинкой.



Эта статья за последние 5-7 лет наверное уже сотни раз побывала на разных сайтах и форумах
телефон с фото уже настолько морально устарел, что никто не помнит когда они вообще использовались. Но статья смакуется много раз и перепечатывается.

И самая моя любимая тема «костровый модуль» )))
Тоже статья которая много раз перепечатывалась на разных сайтах,
вызвала много одобрения и похвал.
Узнать ее можно вот по этим картинкам



Что хочется сказать что бы не ругаться матом, наверное ничего!
По заявлению автора достаточно втыкнуть возле костра и электричество потечет.
На модели радиатор охлаждения размером 2*3 см всего, к тому же намного меньше
радиатора нагревания.
Теперь сравните с фото радиаторов которые должны быть минимальными для такого модуля.

Разница в размерах в сотни раз!!!
при том что радиатор охлаждения должен быть больше в несколько раз нагревателя.
Автор заявляет что модуль можно вообще положить в консервную банку с углями
и спокойно на ходу подзаряжать телефоны и фонари.
Кто хочет почитать этот бред: www.crashplanet.ru/content/view/122/41
Даже обсуждать не буду.

Тема термоэлектрики очень интересная.
Поэтому много появляется не чистых наруку людей что бы содрать денюжку
из бюджета на это.
КПД термомодулей в режиме генерации модулей очень низкий 2.5-3%
А на каждый ватт получаемой энергии идет примерно 0.5-1 кг радиаторов охлаждения.
Выдержки из проекта:
Электрический ток в термогенераторе будет вырабатываться за счет разницы температур. По словам ученых, чтобы началось движение электронов, достаточно разницы в 30 градусов, которая возникает между нагревателем: выхлопной трубой и охлаждающим элементом.
«По нашим оценкам, выходная мощность термогенератора может достичь 750 Ватт. Это сравнимо с мощностью генераторов, которые сейчас используются в автомобиле» — сказал младший научный сотрудник.
Выпуск наноструктурированных элементов Пельтье будет организован в Зеленограде корпорацией РОСНАНО
На реализацию проекта планирует затратить пять миллиардов рублей.

Никто не ослышался, пять миллиардов рублей!..
Явно деньги подерибанят те кто запросил и те кто выделил.
750 ватт это тоже очень круто, при том что на самых новых автомобилях BMW
уже ставят такие модули, но они вырабатывают 20 ватт всего.
Может потому что они не хотят на машине возить пол тонны радиаторов?
Через несколько лет скажут как обычно, мы освоили все деньги, но ничего не получилось.
Может проще на такие деньги покупать BMW и отрывать у них эти преобразователи,
дешевле ведь выйдет!
gizmod.ru/2009/12/23/termogenerator_na_avtomobilnyx_vyxlopax/

Теперь опыты.
Сначала обратимся к опыту Левы с сайта overclockers.ru
50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения.

Подключаем воду к охладителю и питание к Пельтье, проверяем работу элемента. Через десять минут брусок охладился до -10 градусов, а через 30 ещё больше. В помещении 22 градуса.

Теперь отключаем блок питания и вместо него припаиваем 10Вт 6 вольтовою лампочку и ставим наш агрегат на конфорку.

Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.
Отключаем подачу воды, и ставим на охладитель большой радиатор.

Результат предсказуем, напряжение снизилось до трёх вольт, ток до 0.5А. За пятнадцать минут радиатор нагрелся до 45 градусов.
Какой можно сделать вывод из этого опыта.
Элемент Пельтье вполне можно применить как термогенератор электричества.
Но ни о каком костровом модуле не может быть и речи!
Это натуральное вранье и развод.
Что мы видим на фото кострового модуля, маленький радиатор едва закрывающий сам модуль,
собственно а где же разница температур берется?
Это все равно если бы вы положили кастрюлю с водой, как в сказке если кто помнит, с одной стороны кастрюля кипела, а с другой покрылась толстым слоем льда. ))
Так называемый костровый модуль работает, но всего в течении
одной минуты пока весь не прогреется.
Если на массивном радиаторе весом полтора кг. мощность значительно упала,
то что бы держать приемлемую разницу температур пассивный радиатор должен быть
еще больше и хорошо охлаждаться. Кто то готов взять с собой в поход 3 кг балласта что бы получить 1.5 ватт энергии?
А теперь представьте примерно две одинаковые статьи, в одной автор пишет я собрал термогенератор, но он весит 3 кг и выдает 2 ватта энергии.
Второй автор пишет, я собрал костровый модуль весом 120 грамм который выдает 2 ватта энергии.
Теперь вопрос: какая статья будет более популярная и получит больше отзывов?
Наверное все догадались.

Теперь мои эксперименты.
Фото не очень много потому что они умерли вместе с диском 1ТБ.
(спи спокойно дорогой друг! с собой ты унес 8 лет трудов, архивов и фотографий)

Фото моих модулей.

Изначально планировались эксперименты получить отрицательные температуры на радиаторе,
а выработка электричества попутные исследования.
Руководствуясь правилом: если делать, то делать хорошо!
Для максимального эффекта решил использовать радиаторы с медной подошвой и кулером,
для лучшего теплоотвода, которые были куплены на радиорынке по 30 грн. за шт.
На токарном станке 16К20(вещь!) войлочным кругом отполировались основания радиаторов
до зеркального блеска, получилось медное зеркало.

Изначально хотел только убрать царапины, но увлекся. ))
На фото видно отражение пятачка и всего что попало в кадр.
Сбоку остатки пасты Гои.
Опыты проводились летом, при температуре +38, так что значительного охлаждения
ждать не приходилось.
Поверхности оказались настолько идеально ровными, что подтвердился школьный курс физики
о взаимном притяжении молекул разных тел.
На фото слегка притертые поверхности из за молекулярного притяжения держатся и не падают,
а вес радиатора почти 500 грамм.


Используется модуль TEC-12709 как самый оптимальный по соотношению цена-мощность.
Блок питания от приставки Xbox 360, выход 12V, 16A.
Идеальный вариант для любых экспериментов.

Дальше самоделки, поверхности смазаны термопастой и притянуты самодельными хомутами.

Первый эксперимент был не очень удачным, но подтвердил теорию.
Как оказалось, температура холодного радиатора не понизилась ниже +27 градусов.
Причиной тому массивный радиатор для охлаждения и кулер который выдувал весь холод.
Горячий радиатор не смотря на его массивность и кулер нагрелся до +60 градусов.
Так продолжалось минут 10, потом стало еще хуже +72, горячий не справлялся с охлаждение и начал через сам термоэлемент нагревать радиатор который по определению должен быть холодным.
Отсюда и подтвердились мои догадки и предположения,
Горячий радиатор должен быть или в 5 раз массивнее холодного с принудительным охлаждением, или быть на качественных тепловых трубках.
Дальше было решено уменьшить радиатор холодный до уровня который обычно используется в
переносных холодильниках, а охлаждающий радиатор заменить.
А так как радиатор менять было не на что, он просто лежал в миске с холодной водой.
При температуре окружающего воздуха +38, холодный радиатор дотянул до 0 градусов.
дальше вода начала нагреваться в миске и соответственно начала расти на холодной стороне.
На фото виден конденсат таяния инея и пористая прокладка которую использовал что бы эффективнее отделить тепло и холод.


Эксперимент второй.
Маленький радиатор этой конструкции нагревался на газовой печке, а радиатор охлаждения был
подключен к блоку питания для охлаждения кулером.
Во избежание расплава паяных элементов внутри модуля не нагревался выше 130 градусов.
Как и предполагалось охлаждение не справлялось, это с массивным радиатором 500 гр. и
еще охлаждение кулером.
Привет костровому модулю на палочке весом 30-40 гр. радиатора для охлаждения. ))))
Пробовал вдоль ребер радиатора проливать холодную воду для доп. охлаждения, которая стекала в мисочку возле горелки. Таких фото не было точно, потому что 4 и 5 рук у меня еще не выросло.
С шаманством холодной водой результаты такие, напряжение выдало 2.6 вольта,
ток не мерял, но думаю не больше 500-550 мАч.
В общем не перегревая модуль теоритически можно снять 2-3 ватта мощности при нормальном охлаждении.
В планах собрать конструкцию из 10 модулей.

Мораль всей басни такова:
Хоть и модули Пельтье имеют очень низкий КПД на уровне 3%,
но не имеют никаких подвижных частей, поэтому при правильной настройке,
расположении возле печи и охлаждении,
могут вырабатывать электричество хоть и не много, но на протяжении десятков лет.

Спасибо за внимание, продолжение следует…