Как сделать своими руками генератор из элементов Пельтье

Как сделать своими руками генератор из элементов Пельтье

Элемент Пельтье стал известен миру давно. Еще в 18 веке французский часовщик Жан-Шарль Пельтье совсем случайно для самого себя открыл новый эффект на границе двух металлов: висмута и сурьмы. Он заключался в резком изменении температуры помещенной между контактами капли воды, которая при подведении тока превратилась в лед. Это свойство стало новым для часовщика, потому что до того момента еще ни один ученый мира не излагал в своих материалах подобной информации.

Эффект хоть и был интересен, но не нашел практического применения в то время, что было связано с небольшим количеством электронной техники, которой требовалось бы интенсивное охлаждение. Спустя 2 столетия об открытии ученого вспомнили, потому что возникла острая необходимость изготовить устройство, которое могло бы обеспечить качественное охлаждение кристалла греющегося микропроцессора.

В результате многочисленных исследований в этой области и огромного количества практических опытов ученые выяснили, что термоэлектрическая пара может вырабатывать достаточное количество холода для нормальной работы практически любого микропроцессора. А благодаря небольшим размерам их научились встраивать в корпуса микросхем, обеспечивая, таким образом, собственный внутренний генератор холода.

Открытие Жан-Шарля Пельте стало огромным толчком для целой отрасли по производству мобильных холодильных установок. Сегодня свойство термоэлектрического элемента используется в следующей технике:

  • переносные холодильники;
  • автомобильные кондиционеры;
  • портативные охладители;
  • фотоаппараты, телескопы и многое другое.

Активно используют для охлаждения микропроцессоров и прочих элементов электронной техники. Кроме прямого эффекта охлаждения, элемент Пельтье многие стали использовать в качестве генератора. Примером чего может стать фонарик на 3 элементах.

Знают немногие, что для осуществления радиосвязи с командованием солдаты ставили на огонь специальный котелок и заваривали чай, готовили кашу и прочие бытовые вещи, а в это время осуществляли передачу необходимой информации по переносной радиостанции.

Эффект Пельтье, его обратимость

Изготовление автономных термических генераторов электричества стало возможным благодаря открытию известного из курса физики эффекта Пельтье, состоящего в следующем. Оказывается, что разнородные по структуре проводники при протекании через зону их спайки электрического тока обнаруживают интересное свойство, состоящее в появлении разницы температур между их пограничными точками.

На основании этого открытия был разработан специальный элемент «Пельтье», состоящий их двух разнесённых на некоторое расстояние пластин из керамики с помещённой между ними биметаллической прокладкой. При пропускании через такие системы электрических зарядов одна из этих обкладок нагревается, а другая, напротив, – охлаждается, что в принципе позволяет делать на их основе холодильные установки.

Важно! При изменении направления тока через стык проводников (при прямом эффекте) меняется вектор градации температуры на стыках.

На размещённом ниже рисунке изображены модули различного типа и размера, чаще всего применяемые в технических изделиях этого класса.

Как и многие другие электродинамические явления, этот эффект является полностью обратимым. Последнее означает, что при нагревании одной стороны пластин Пельтье и охлаждении другой на стыке между ними появится ЭДС, а через контактную зону и подключённую нагрузку потечёт небольшой ток (эффект Зеебека).

По этому принципу и функционирует рассматриваемый в этом обзоре генератор на элементах Пельтье, который вполне может работать на открытом воздухе (на рыбалке или в походе, например).

При проявлении эффекта Зеебека наблюдается та же зависимость от полярности происходящих изменений, а именно: если менять охлаждаемый и нагреваемый стыки местами, будет меняться и направление тока во всей системе. Таким образом, обратный элемент Пельтье как генератор электроэнергии представляет собой достаточно универсальное устройство, имеющее возможность регулировки величины и направления получаемой ЭДС.

Физическое объяснение

Причина возникновения разницы температур (в случае эффекта Пельтье) заключается в энергетике контактных зон, образующихся в местах стыка двух разнородных веществ (висмута и сурьмы, например). Особенности этих образований могут быть представлены следующим образом:

  • Из-за различной концентрации положительных и отрицательных зарядов в границах полярных зон (в центре размещается одно вещество, по краям – другое) между ними образуются собственные разнонаправленные электрические поля;
  • При протекании тока через контакт, в котором направление внешней и внутренней ЭДС совпадают, на поддержание перемещения электронов (на совершение работы в поле той же полярности) будет расходоваться внутренняя энергия вещества. Из основ физики известно, что такое явление соответствует остыванию материала в этом месте;
  • Соответственно этому, во второй контактной зоне, где направление приложенной ЭДС противоположно внутреннему полю, электроны будут тормозиться, и внешнему источнику придётся затрачивать дополнительную энергию по их перемещению. Согласно тем же физическим законам, указанный эффект соответствует забору энергии или нагреву материала в точке стыковки (смотрите фото ниже).

Обратите внимание! Напряжённости таких полевых образований максимальны на пограничных участках двух неоднородных сред (полупроводников разной проводимости, например), вследствие чего здесь этот эффект проявляется с особой силой.

Среди работающих по этому принципу устройств наиболее известны термические модули (ТЭМ), состоящие из разных типов полупроводников с размещённой между ними медной токопроводящей прокладкой.

В прошлых статьях было рассказано об элементах пельтье и как они себя ведут в режиме теплового насоса. В этой, заключительной статье, расскажу вам о том, что эти модули не только способны прилично кушая электричество обеспечивать разность температур на своих сторонах, но и сами способны вырабатывать электроэнергию, если одну сторону элемента принудительно охлаждать, а вторую нагревать.

Без нагрузки, перепад температур

В этих испытаниях добровольцем выступил небольшой модуль TB109-0.6-0.8, с площадью поверхности всего 3,12кв.см., напомню вам его ро. вид и характеристики:

TB109-0.6-0.8

Для испытаний пельтье в режиме электрогенератора был собран небольшой стенд, который содержит следующие приборы: нагреватель, вольтметр, амперметр и нагрузку, так же понадобился радиатор и кусочек льда в водонепропускаемом пакете, ну и конечно сам подопытный TB109-0.6-0.8. В качестве нагревателя выступил 20Вт резистор на 5,6Ом, который был разогрет примерно до 80-90 градусов. Для улучшения теплового контакта элемента пельтье с нагревателем была применена намакондовская термопроводящая прокладка, вытащенная из какого то отмучавшегося компьютерного блока питания.

Собранный испытательный стенд

Приступим к тестам.

Первый тест был проведён с 1Омной нагрузкой, подключенной к выводам пельтье, в качестве охладителя был использован радиатор комнатной температуры.

Нагрузка 1Ом, перепад температур

С модуля удалось получить 0,117В при токе 119,5мА или 14мВт, при разности температур примерно в 60 градусов.

Дальше было решено охлаждать подопытного более кардинальными мерами, для этого в дело пошли кусочки льда из морозильника.

Нагрузка 1Ом, перепад температур

При разности температур в 100 градусов модуль выдал результаты получше, а именно: 0,21В 0,22А или 46мВт.

Следующий тест был проведен с нагрузкой в 20Ом.

Нагрузка 20Ом, перепад температур

Модуль выдал 1,31В при токе 66мА или 86мВт.

На холостом ходу, первое фото, модуль выдал 2,19В.

Вывод – модули пельтье можно с успехом использовать для генерации электричества. Если модуль в 109 термопар, площадью 3,12кв.см. при разности температур в 100 градусов смог выдать 86мВт при полутора вольтах и более 2-х В на холостом ходу, то модуль с гораздо большей площадью и разностью температур хватит на питания небольшого светодиодного осветителя или радиоприёмника, или же для зарядки аккумуляторов. Но, к сожалению, такое их применение сильно ограничивается их ценой.

Читайте также  Гриль из газового баллона

Примеры применения: различные ТЭГи, от портативных туристических, которые можно прикрепить к котелку у костра и слушать радио, до РИТЭГов, которые применяются для питания удалённых труднодоступных автономных объектов (например – маяки) или на космических спутниках.

Благодарность за предоставленные модули фирме – Радиоэлектроника.

6 комментариев на « Элемент пельтье, режим электрогенератора»

EXE пишет 11.01.2013 в 11:13 #

А при последовательном соединении нескольких модулей напряжение увеличится? или же ток от одного будет действовать на другой и второй соответственно будет работать не как генератор?

EstaVenta пишет 11.01.2013 в 12:05 #

Увеличится. Можно даже до 220 В добраться

Владимир пишет 17.12.2014 в 21:04 #

Элемент П. необязательно нагревать. Он будет генерить электричество и в условиях холода.

Alex_EXE пишет 18.12.2014 в 15:10 #

Да, главное разность температур и чем она больше — тем больше генерация. Вот только зачастую нагревать легче, чем охлаждать.

kolyan пишет 02.02.2015 в 02:13 #

а из китайских модулей что нибудь можете порекомендовать? использовал Tec1-12706 так попалил много, нужно было 5 вольт и хотя бы 2000 миллиампер, но не как не мог нормальную систему охлаждения сделать, можете вообще посоветовать, может кто шарит, делал подобное

Рустам пишет 25.02.2016 в 23:15 #

Вопрос, скорее гипотетический.Можно ли вырабатываемым электричеством дополнительно отапливать лоджию квартиры в северных широтах в зимнее время плёночным тёплым полом,если на улице -30С, а дома +20С?

  • модуль Пельтье TEC1–12705 (40×40) — 2 шт.;
  • повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
  • лист дюралюминия толщиной 3 мм;
  • ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
  • термоклей;
  • паяльник.

Вырезаем из листа дюралюминия две одинаковые пластины, размерами чуть более двух модулей, лежащих рядом. Укрепляем термоклеем пластины на модулях с обеих сторон. Фиксируем (термоклеем) получившийся «сэндвич» на дно ковша. Такую конструкцию уже можно ставить на огонь, но мы получим на выходе бесполезные 1,5 В. Для улучшения характеристик нам и нужен повышающий преобразователь, который мы впаиваем в цепь. Он повысит напряжение до 5 В, а этого уже достаточно для зарядки мобильного телефона.

Внимание! Преобразователь имеет размеры 1,5х1,5 см. При отсутствии профессиональных навыков доверьте пайку специалисту.

Разность температур в нашей конструкции получается за счёт нагрева одной стороны (от печи или пламени) и охлаждения другой (вода в ковше). Разумеется, чем больше разница, тем эффективнее работа модуля. Поэтому, для работы в режиме микрогенератора понадобится сравнительно низкая температура воды в ковше (её лучше периодически заменять). Для выработки заветных 5 В достаточно поставить конструкцию на стакан с горящей свечой.

Пропорционально комбинируя большее количество модулей, мы получим более эффективную систему выработки энергии. Соответственно, увеличивая конструкцию, пропорционально увеличиваем теплообменник. При этом охлаждаемая поверхность должна быть полностью покрыта ёмкостью с водой (самый простой и доступный вариант).

Всё так просто, что сразу возникает желание собрать побольше модулей в одну систему и вырабатывать 220 В из костра. А потом подключить масляный обогреватель или кондиционер. Такая простая система имеет свои недостатки, и главный из них — низкий КПД. Обычно этот показатель не превышает 5%. Это обуславливает сравнительно малую силу тока 0,5 — 0,8 А и очень малую мощность — до 4 Вт.

Для насоса или лампы накаливания это ничтожно мало, но вполне достаточно для:

  • зарядки аккумуляторов вплоть до мотоциклетных (в вариантах, пропорциональных требованиям);
  • работы светодиодных (LED) ламп;
  • радиоприёмника.

В зимнее время система, помещённая на источник тепла, находящийся на улице, будет работать максимально эффективно.

Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:

Наименование Цена, руб. Примечание
Модуль Пельтье TEC1–12705 (40×40)* — 2 шт. 600 Цена за 2 шт.
Повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674 320
Дюралюминий 300 Лист для варианта с ковшом
Термоклей Radial 150 2 мл
Ковш 100 Новый
Итого на материалы 1470

*- данная модель элемента выбрана из соображений цены. Ассортимент ТЭМ у фирм-поставщиков довольно широк, что позволяет подобрать более производительные (до 8 В) модели (они ощутимо дороже).

Заводские изделия подобной конструкции только начинают появляться в продаже. Серийное производство ведётся мелкими партиями, да и ассортимент невелик. Стоимость такого «ковшика» стартует с 2500 руб.

Заводской термогенератор — устройство, основанное на эффекте Пельтье-Зеебека, которое можно закрепить прямо на разогретую поверхность. От конструкции, описанной выше, его отличает заводское исполнение (а значит, надёжность), отсутствие жидкостного теплообменника (вместо него — рёбра для воздушного охлаждения) и более высокая цена.

Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:

Напряжение 13,5 В
Сила тока 0,16 А
Мощность 2,2 Вт
Вес 1,6–2 кг
Кабель в бронерукаве Да
Защита от перегрева Да
Набор стандартных разъемов Да
Размеры (примерно) 150х150х200 мм
Цена От 7000 руб.

Как видно из таблицы, заводская надёжность и утилитарность обходится недёшево. При этом нельзя сказать, что он функционально превосходит самодельный вариант с ковшом. Впечатляющие 13,5 В ускорят зарядку мобильника, но для этого будет нужно носить с собой 2 кг веса в походе, а это непозволительная роскошь (с учётом размеров прибора). Ну и, конечно, цена заставляет задуматься. На эту сумму можно собрать уже не «термоковшик», а «термокастрюлю» и спокойно заряжать ноутбук. И ещё один нюанс — прибор всё равно требует закрепления на металлической пластине в случае использования открытого огня.

В целом это приятное и удобное дополнение для тех, у кого нет проблем с деньгами и свободным местом в багажнике.

Изготовление своими руками

Схематично устройство самодельной термоэлектростанции можно представить так:

  1. Элемент Пельтье положим на дно глубокой посудины – миски или кружки.
  2. Далее в эту посудину вставим еще одну: если используются миски, то понадобится такая же; если ваш выбор пал на кружки, то вторая должна быть чуть меньше первой.
  3. К выведенным от элемента Пельтье проводам присоединим преобразователь напряжения.
  4. Внутреннюю посудину заполним снегом или холодной водой, после чего всю конструкцию поставим на огонь.

Через какое-то время снег растает, превратится в воду и закипит. Производительность генератора при этом понизится, но зато турист получит возможность выпить горячего чайку. После чаепития можно будет заправить генератор новой порцией снега.

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Читайте также  Ремонт перфоратора зубр

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Исследовательская часть

Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества.

Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.

Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.

Обмозговав эти доводы, я приуныл. Но вскоре случайно наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, исключительно ссылка на исходный материал). Я просидел на нем безвылазно двое суток, и в процессе наткнулся на прелюбопытную статью про печку-щепочницу из корпуса от компьютерного БП с элементом Пельтье на боку (ссылка в конце поста). В комментариях было много скептики, но автор писал, что спокойно заряжал телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя… Я загорелся.

Простой тепловой насос – термоэлектрический генератор

Простейший тепловой насос без особого труда допустимо сделать самостоятельно. Для производства такой системы потребуется:

  • две обычных металлических скрепки,
  • кусок оголённого медного провода,
  • две разных температурных среды.

Металлические скрепки нужно распрямить и соединить каждую с одним из концов медного провода. В принципе, создан настоящий термоэлектрический генератор. Остаётся только заставить устройство работать.

Чтобы включить в работу такой самодельный термоэлектрический генератор, достаточно поместить один узел соединения (медь-сталь) в горячую среду, а другой узел соединения (медь-сталь) в холодную среду.

Конструкция простейшего термоэлектрического генератора энергии. Этот прототип, конечно, создаёт незначительный электрический ток, но кто сказал, что установку невозможно модернизировать

Два свободных конца металлических скрепок образуют выходной интерфейс простейшего термоэлектрического генератора. Поскольку эффект генерации такого несложного устройства незначительный, выход следует подключить к вольтметру на измерение малых напряжений.

В качестве температурных источников, в данном случае, используются электрическая плита и стакан, заполненный солью, смешанной со льдом (температура холодной среды ниже нуля).

Эффект Зеебека, опробованный в деле

Как видно из показаний вольтметра, самодельный простой термоэлектрический генератор выдаёт напряжение, равное 1,2 милливольтам. Эта величина, конечно, незначительная, тем не менее, здесь важен сам факт генерации тока.

На картинке выше часть проводника, что находится в горячей среде (на электрической плите), прижата дополнительным грузом для лучшего контакта. Этот груз прямого отношения к устройству не имеет.

Созданное таким способом устройство генерации действует по теории эффекта Зеебека. Эта теория основана на том, что два разных металла, соединённые вместе и находящиеся в условиях разных температур, способны создавать электрический ток.

Эффект более выраженным получается в случае увеличения разницы температур между двумя средами. Также значение для эффективности устройства имеет комбинация металлов. Если одни комбинации металлов работают лучше, другие работают хуже.

Технически существует возможность усовершенствовать термоэлектрический генератор, если использовать полупроводник вместо двух разных металлов. В частности, достаточно эффективным видится применение модуля Пельтье – термоэлектрического преобразователя.

Между тем, эффект Пельтье является обратным эффектом Зеебека. Поэтому чтобы получить электричество (теория Зеебека), термоэлектрический модуль нужно подогревать. Для этого применяется обычный силовой транзистор.

Структура устройства с транзистором: 1 – полистирольная теплоизоляция; 2 – источник тепла (силовой транзистор); 3 – алюминиевые плиты (горячая, холодная) стороне; 4 – термоэлектрический модуль Пельтье; 5 – датчики температуры; 6 – область однородной температуры

Полупроводниковый термоэлектрический генератор

На основе полупроводника можно попытаться создать конструкцию термоэлектрического генератора, применив следующие компоненты:

  • модуль Пельтье (33.4 Вт, 3.9A, 15.4 В, 30×30 мм),
  • силовой транзистор TIP32A или аналогичный,
  • переменный резистор 10 кОм,
  • датчики температуры LM35.

Основные требования по отношению к построению генератора на полупроводнике предполагают наличие модуля Пельтье, а также источника тепла для горячей стороны плиты модуля.

Однако любое термоэлектрическое устройство является хорошим проводником тепла. Становится очевидным: температура холодной плиты может сравняться с температурой горячей плиты, если тепло не отводится от холодной части.

Модуль Пельтье в промышленном исполнении. Подобные полупроводниковые элементы реализуются в широком ассортименте, что делает возможным подбор модуля под требуемый диапазон

Поэтому дополнительным требованием является установка на холодной стороне плиты радиатора, который принудительно охлаждается вентилятором. Таким способом обеспечивается поддержание относительно постоянной температуры. Удобным способом нагрева горячей стороны плиты видится использование силового транзистора, плотно посаженного и закреплённого на пластине.

В данном экспериментальном варианте используется силовой транзистор p-n-p типа TIP32A. Между тем любой подобный транзистор вполне подойдёт для построения конструкции. Базовый ток транзистора управляется переменным резистором (для экспериментальной конструкции использовался номинал 10 кОм).

При напряжении на коллекторе транзистора, равном 12 В, электрический ток, протекающий через полупроводник, варьируется с помощью резистора в пределах 0 — 2 А. Обеспечивается примерно 20 Вт тепловой мощности от транзисторного нагревающего источника.

Температуры, как горячей стороны плиты, так и радиатора измеряются посредством датчиков температуры типа LM35. Датчики дают выходные напряжения 10 мВ/°C. На картинке ниже показана экспериментальная конструкция термоэлектрического генератора.

Экспериментальное устройство генерации показывает относительно небольшую выработку энергии. Практически крайне сложно получить значительные мощности и в этом главный недостаток устройств подобного рода

Изготовление своими руками

Можно изготовить термоэлектрический генератор своими руками. Для этой цели потребуются некоторые элементы:

  • Модуль, способный выдерживать нагрев до 300−400 °C.
  • Повышающий преобразователь, цель которого заключается в приеме беспрерывного напряжения 5 В.
  • Нагреватель в виде костра, свечки или какой-либо миниатюрной печи.
  • Охладитель. Вода или снег — наиболее популярные подручные варианты.
  • Соединительные элементы. Для этой цели можно использовать кружки или кастрюли разного размера.

Провода, проходящие между преобразователем и модулем, необходимо изолировать термостойким составом или обычным герметиком. Собирать устройство необходимо в такой последовательности:

  1. От блока питания оставить только корпус.
  2. Холодной стороной к радиатору нужно приклеить модуль «Пельтье».
  3. Предварительно зачистив и отполировав поверхность, нужно приклеить элемент другой стороной.
  4. От входа преобразователя напряжения необходимо припаять провода к выходам пластины.

При этом термогенератор для корректной работы должен быть наделен такими характеристиками: выходное напряжение — 5 вольт, тип выхода для подключения устройства — USB (или любой другой в зависимости от предпочтений), минимальная мощность нагрузки должна составлять 0,5 А. При этом можно использовать любой вид топлива.

Проверить механизм достаточно просто. Внутрь можно положить несколько сухих и тонких веточек. Поджечь их, а через несколько минут подключить какое-либо устройство, например, телефон для подзарядки. Собрать термогенератор несложно. Если все сделать правильно, то он прослужит не один год в поездках и походах.