MODUŁ PELTIERA
Materiały do ćwiczenia laboratoryjnego: Charakterystyki statyczne
(
trochę przerobiony materiał popularno-naukowy
)
Podstawy teoretyczne
Każdy uczeń szkoły średniej a tym bardziej student uczelni technicznej spotkał się ze wzmiankami o
ogniwach (elementach, modułach) Peltiera. Mówi się, że moduł ten chłodzi lub grzeje, w zależności od kie -
runku płynącego przezeń prądu. Jest to w zasadzie prawda, ale takie sformułowanie może wprowadzić w
błąd, sugerując, że ogniwo Peltiera może po prostu pochłaniać ciepło z otoczenia i... nie wiadomo co się z
tym ciepłem dalej dzieje.
Przed przystąpieniem do omawiania zasady działania ogniwa Peltiera trzeba przypomnieć, że ciepło
jest formą energii. Inną formą energii jest energia elektryczna. Na przykład w rezystorze dostarczana moc
elektryczna (
P=U⋅I =I
2
⋅
R
) zamienia się na ciepło i przechodzi do otoczenia. Jak wiadomo, w przyro-
dzie nic nie ginie, więc ta energia elektryczna nie może zniknąć – istnieje nadal tyle, że w nieco innej posta-
ci, zamieniona na ciepło. Mamy tu do czynienia z sytuacją gdy określona ilość energii elektrycznej zamienia
się na dokładnie taką samą ilość energii cieplnej.
Zasada działania
Działanie półprzewodnikowych modułów termoelektrycznych, potocznie nazywanych ogniwami Peltiera
w rzeczywistości opiera się na pięciu podstawowych zjawiskach fizycznych. Najważniejsze z nich to zjawisko
Peltiera.
W roku 1834 Jean C.A. Peltier odkrył, że na złączu dwóch różnych metali przy przepływie prądu w odpo-
wiednim 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 bizmutu (Bi
2
Te
3
).
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 zwięk-
szyć 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. Na rys. 1widzimy moduł Peltie-
ra
o.
Rys.1. Zdjęcie modułu Peltiera o wymiarach 40x40x3,8mm
Rys 2 przedstawia jego budowę i objaśnia zasadę
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.
Rys. 2. Budowa i zasada działania modułu Peltiera
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 obiekta-
mi 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 nad-
miarowe 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 odległo-
ści od jądra - czym wyższa orbita, tym energia ta jest większa. Przechodząc z wyższej orbity na niższą, elek-
tron 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 pomię-
dzy nimi miedzianej płytki niczego nie zmienia. Krótko mówiąc, elektrony te muszą w jakiś sposób zwięk-
szyć 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 wy-
stępuje taka sama ilość złącz n-p.
Zgodnie z podaną wcześniej zasadą, elektrony z pasma przewodzenia półprzewodnika typu n, prze-
chodząc 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 podgrze-
wana.
Przy zmianie kierunku prądu, dotychczasowe złącza p-n staną się złączami n-p (i na odwrót), i cie-
pło będzie pobierane na dolnej stronie modułu, a wydzielane na górnej.
Wydawałoby się, że ilość ciepła pochłoniętego na stronie zimnej jest równa ilości ciepła na stronie gorącej.
W module Peltiera ciepło pod wpływem przepływającego przezeń prądu elek-
trycznego jest transportowane z jednej płaszczyzny na drugą.
Moduł Peltiera jest pompą cieplną transportującą ciepło w kierunku zależnym od
kierunku prądu.
Tak jednak nie jest.
Możliwości
i
bariery
Z podanej zasady działania można wywnioskować, iż zdolność transportu ciepła jest wprost propor-
cjonalna 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 zjawi-
skami 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.
Efekt Joule'a to wydzielanie się ciepła podczas przepływu prądu przez przewodnik o niezerowej re-
zystancji. Przy przepływie prądu będzie się w tej rezystancji wydzielać ciepło - jest to tak zwane ciepło Jo -
ule'a. Wydzielana moc będzie równa:
P=U⋅I =I
2
⋅
R
Patrząc pod względem elektrycznym, moduł Peltiera składa się z wielu "kolumienek" zbudowanych
z jakiegoś przewodzącego materiału. Niewątpliwie taka konstrukcja ma 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 "wy-
pchnięte" na stronę gorącą modułu dzięki zjawisku Peltiera.
Na stronie gorącej wydzieli się zarówno ciepło pochłonięte na stronie zimnej, jak i ciepło Joule'a po-
wstające wskutek przepływu prądu.
Działanie modułu termoelektrycznego przypomina działanie domowej chłodziarki (lodówki) sprę-
żarkowej, 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 (radiato-
rze). Zarówno w lodówce, jak i w module Peltiera moc uzyskana na stronie gorącej jest większa od dostar -
czonej 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 temperatur-
ach i odpowiedniej pojemności cieplnej. Na przykład jedną "zimną stronę" instalacji umieszcza się pod po-
wierzchnią 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 mo-
duły 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 spo-
woduje 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 wypad -
kowe 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 = I
2
*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 bę-
dzie już pobierać ciepła z zewnątrz, bo wszystkie "możliwości transportowe" modułu będą wykorzystywane
na wypompowanie z modułu ciepła szkodliwego. Ilustruje to wykres na rys. 3.
Rys. 3. Wykresy charakteryzujące pracę modułu Peltiera
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 jed-
nym z najważniejszych parametrów modułu Peltiera.
Przewodzenie ciepła
Teraz następna bardzo ważna sprawa. Krzywa 3 pokazuje, można powiedzieć - możliwości chło-
dzenia 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 muisi być w ten sposób zarówno ciepło Joule'a, jak i ciepło "próbujące" przepływać wskutek
przewodzenia materiału "kolumienek" ze strony gorącej na zimną.
Na rys. 4 przedstawiona jest krzywa 3 z rys.3, ale 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.
Rys. 4. Wpływ przewodzenia ciepła na pracę modułu Peltiera
Przy prądzie I
max
oraz różnicy temperatur T
max
suma szkodliwego ciepła przewodzenia i ciepła Jo-
ule'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 rzędu
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. 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 ści-
ślej 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.
Parametr 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 = a
2
/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 – Bi
2
Te
3
).
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 (rys. 5).
Rys. 5. Wielostopniowy moduł Peltiera
Taki wielostopniowy moduł ma kształt piramidy, ponieważ stopień następny musi przenieść nie tyl -
ko 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 cm
3
. 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 spraw-
ność 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.