Зарядка на элементах пельтье. Электростанция из кружки кипятка: инновационное применение эффекта Зеебека

Как работает термоэлектрический генератор на элементах Пельтье. Какой КПД можно получить от такой мини-электростанции. Где применяются термоэлектрические модули в промышленности и быту. Как сделать простую зарядку для телефона на эффекте Зеебека.

Принцип работы термоэлектрического генератора на эффекте Зеебека

Термоэлектрический генератор на элементах Пельтье работает за счет эффекта Зеебека — физического явления, при котором в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС, если места контактов проводников имеют различную температуру. Этот эффект позволяет напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую.

Ключевые особенности работы термоэлектрического генератора:

• Используется разность температур между двумя сторонами элемента Пельтье
• Одна сторона нагревается, другая охлаждается
• Чем больше разность температур, тем выше выходное напряжение
• Не требует движущихся частей, работает бесшумно
• КПД относительно невысок, обычно 5-8%

Эксперимент с мини-электростанцией на кружке кипятка

Для проведения эксперимента был использован элемент Пельтье TEC1-12706. Его основные характеристики:

• Номинальное напряжение: 12 В
• Максимальный ток: 6 А
• Количество термопар: 127

Схема эксперимента выглядела следующим образом:

1. Холодная сторона элемента Пельтье охлаждалась с помощью радиатора в тающем льду до температуры около 0°C
2. Горячая сторона нагревалась кружкой с кипятком, температура принималась за 100°C
3. После стабилизации температур было получено напряжение холостого хода около 1.7 В
4. При подключении нагрузки 100 Ом напряжение составило 1.5 В
5. Мощность, выделяемая на резисторе, равнялась 22.5 мВт

Практическое применение: зарядка мобильных устройств

Хотя выходная мощность термоэлектрического генератора невелика, ее можно использовать для зарядки мобильных устройств. Для этого необходимо:

1. Подключить к элементу Пельтье повышающий преобразователь напряжения (например, с 0.8 В до 5 В)
2. На выход преобразователя подключить PowerBank, способный аккумулировать малые токи заряда

В результате эксперимента удалось добиться зарядного тока аккумулятора около 5 мА. Это очень медленная зарядка, но в экстренных ситуациях или походных условиях такой источник энергии может оказаться полезным.

Сравнение с другими источниками возобновляемой энергии

Интересно сравнить эффективность термоэлектрического генератора с другими компактными источниками возобновляемой энергии, например, с солнечными элементами.

В эксперименте использовалась миниатюрная фотоэлектрическая ячейка со следующими параметрами:

• Размеры: 52х9х0.2 мм
• Вес: 0.24 грамма
• Напряжение: 0.5 В

При оптимальных условиях освещения такая ячейка выдавала мощность 48 мВт, что почти в 2 раза больше мощности термоэлектрического генератора. Однако в пасмурную погоду мощность фотоэлемента падает на порядок — до 5 мВт.

Таким образом, в условиях недостатка солнечного света термоэлектрический генератор может оказаться более эффективным решением. Для эквивалентной мощности в пасмурную погоду потребуется всего 4 солнечные ячейки указанного размера.

Самодельный термоэлектрический генератор для походных условий

На основе элемента Пельтье можно собрать простую портативную электростанцию для использования в походных условиях. Для этого потребуются следующие компоненты:

• Жестяная банка
• Радиатор охлаждения от процессора компьютера
• Термопаста
• Элемент Пельтье TEC1-12706
• Повышающий преобразователь с USB-выходом на 5 В
• Свеча

Процесс сборки включает следующие этапы:

1. Подготовка корпуса из жестяной банки с отверстиями для вентиляции
2. Установка элемента Пельтье с термопастой
3. Монтаж радиатора охлаждения
4. Подключение повышающего преобразователя
5. Установка свечи в качестве источника тепла

Такой самодельный генератор способен вырабатывать напряжение около 5 В, достаточное для зарядки мобильных устройств. Важно помнить, что максимально допустимая температура нагрева элемента Пельтье TEC1-12706 составляет 138°C, поэтому не стоит использовать слишком мощный источник тепла.

Промышленное применение термоэлектрических модулей

Термоэлектрические модули Пельтье находят широкое применение в различных отраслях промышленности и науки. Вот некоторые примеры их использования:

• Охлаждение лазерных диодов в офтальмологических лазерах
• Стабилизация температуры в эталонных источниках света
• Создание точки плавления льда для калибровки измерительных приборов
• Терморегуляция в микрофлюидных устройствах «лаборатория-на-чипе»
• Охлаждение датчиков в приборах ночного видения
• Термостабилизация в спектрометрах
• Охлаждение аккумуляторов электромобилей при зарядке

Особенно эффективно применение элементов Пельтье в областях, где требуется точный контроль температуры в небольшом объеме или на ограниченной площади.

Перспективы развития термоэлектрических генераторов

Несмотря на относительно низкий КПД, термоэлектрические генераторы имеют ряд преимуществ, которые делают их перспективными для дальнейшего развития:

• Отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность и длительный срок службы
• Бесшумность работы
• Компактность и масштабируемость
• Возможность использования низкопотенциального тепла
• Экологичность (отсутствие вредных выбросов при работе)

Основные направления совершенствования термоэлектрических генераторов включают:

1. Разработку новых термоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
2. Оптимизацию конструкции модулей для повышения эффективности теплообмена
3. Создание гибридных систем, сочетающих термоэлектрические генераторы с другими источниками энергии
4. Поиск новых областей применения, где преимущества термоэлектрических генераторов наиболее востребованы

С развитием технологий и появлением новых материалов эффективность термоэлектрических генераторов может существенно возрасти, что откроет новые возможности для их применения в энергетике и других отраслях.

Электростанция из кружки кипятка / Хабр

Как известно, электричество можно изготовить, используя электродинамические генераторы (паровые, ветряные или водные), солнечные фотоэлементы, а также преобразование разности температур двух разнородных проводников и полупроводников, работающее на эффекте Зеебека. Чаще, можно слышать про эффект Пельтье — разделение температур на разнородных спаянных проводниках и полупроводниках, что является обратным эффектом Зеебека.

Для анализа используем один такой элемент с маркировкой TEC1-12706.

Элемент рассчитан на номинальное напряжение 12В, максимальное несколько выше, но повышает риск порчи элемента и снижает его КПД. Элемент собран из 127 ячеек и рассчитан на максимальный ток 6 А. При подключении элемента к источнику напряжения, потребляемый ток составил около 2 А, а забираемая мощность от источника равна 24 Вт.

Для получении электроэнергии, следует одну пластину элемента нагревать, а вторую — охлаждать. В моем случае, для показанных цветов проводов, холодная сторона — с маркировкой, горячая — без маркировки. При смене полярности проводов, стороны тоже поменяются по своим свойствам.

Для охлаждения пластины используем радиатор в тающем льду, принимаем температуру холодной поверхности элемента Зеебека около 0 градусов.

Для нагрева пластины — поставим сверху кружку кипятка и примем температуру горячей части за 100 градусов. Дождемся стабилизации температуры на холодной стороне, которая составила 11 градусов.

При этом Полученное напряжение на клеммах элемента около 1.7 В (холостой ход).

На нагрузке 100 Ом напряжение уже составило 1.5 В.

Мощность выделяемая на резисторе равна 22.5 мВт. Подключим преобразователь Burst-Up 0.8 to 5 В к клеммам элемента Зеебека, а на выход преобразователя, мигающий светодиод.

Да, он мигает, диоду нужно совсем немного тока для работы (менее 10 мА).

Холостой ход на выходе Burst-Up преобразователя:

Теперь подключим фирменный PowerBank, способный аккумулировать, даже малые токи заряда. И он — заряжается!

Оценить ток заряда можно таким образом: КПД Burst-Up = 0.9, следовательно на PowerBank поступает около 20 мВт мощности. В повербанке стоит Step-Down преобразователь, для заряда Li-Ion аккумулятора с начальным напряжением 2.8 В и конечным 4.2 В, КПД преобразователя тоже примем за 0.9. Тогда, оставшаяся мощность составит 18 мВт. Зарядный ток аккумулятора будет находиться в пределах 4.3… 6.5 мА, т.е. около 5 мА.

Такая вот маломощная тепловая станция получилась. Не забываем, что данные числа получены при разности температур в 90 градусов, которая снижается, по мере охлаждения жидкости в чашке, а холодная жидкость, как известно, собирается на дне чашки.

Как компенсировать этот эффект читатель, наверное, уже догадался.

В заключение сравним энерговыход такого генератора и миниатюрной фотоэлектрической ячейки с размерами 52х9 мм, толщина, 0.2 мм, вес 0.24 грамма, U=0.5 В.

На эквиваленте солнечного излучения при оптимальном сопротивлении нагрузки в 1. 5 Ом, ячейка выделяет 48 мВт мощности.

Что почти в 2 раза больше мощности, получаемой с элемента Зеебека в нашем эксперименте, однако в пасмурную погоду, можно смело считать выделяюмую мощность фотоэлементом меньше на порядок, т.е. всего 5 мВт. Тогда всего 4 солнечные ячейки 52х9 мм уже эквивалентны 1 Зеебеку в пасмурную погоду.

Самодельный тепловой электрогенератор для зарядки телефона (21 фото изготовления)

Самодельная тепловая мини электростанция: генератор на элементе Пельтье — простая самоделка для зарядки телефона на случай отключения электричества или в походных условиях.

Самодельный генератор электрической энергии можно использовать при частых отключениях света, а также в походных условиях. Тепловая мини электростанция зарядит мобильный телефон или обеспечит дежурное освещение на светодиодах.

• Жестяная банка.
• Радиатор охлаждения от процессора компьютера.
• Термопаста для радиатора процессора компьютера.
• Элемент Пельтье ТЕС1 12706.
• Преобразователь повышающий с выходом USB (5 V).
• Свеча.

Сразу хочу уточнить, что все нужные элементы для изготовления (элемент Пельтье и повышающий преобразователь, стоят не дорого, продаются в интернете, в частности на розетке и на проме они есть).

Весь процесс изготовления мини электростанции представлен на фото

Делаем корпус. Берём жестяную банку, вырезаем в ней дно и делаем в стенках мелкие отверстия.

Вырезаем проём для установки свечи.

Теперь нам понадобится элемент Пельтье, его принцип работы довольно прост: при нагревании одной стороны и охлаждении противоположной — вырабатывается электрический ток. Автор использовал элемент ТЕС1 12706.

Чтобы повысить теплопроводность пластины покрываем её с обеих сторон тонким слоем термопасты.

Устанавливаем пластину на банку.

На провода нужно одеть защитные трубки из стекловолокна иначе изоляция проводов будет плавиться об горячую банку.

Сверху на элемент Пельтье устанавливаем радиатор охлаждения.

В нашем случае элемент Пельтье будет вырабатывать напряжение, около 1 вольта, для зарядки аккумулятора телефона этого мало. Поэтому мы будем использовать повышающий преобразователь, который повысит и стабилизирует выходное напряжение до 5 В. Приобрести такой преобразователь можно на Алиэкспресс или в радиомагазине.

К выводам элемента Пельтье подключаем повышающий преобразователь, соблюдаем полярность.

 

Зажигаем свечу. Тестируем, вольтметр показывает практически 5 вольт, чего достаточно для зарядки телефона.

Следует помнить! Что допустимый нагрев горячей стороны элемента Пельтье ТЕС1 12706 как правило + 138 °C. Поэтому не стоит его сильно разогревать, одной свечи будет более чем достаточно, иначе его  модуль может просто выйти из строя.

Вот такой простой генератор на элементе Пельтье можно сделать своими руками, самоделка пригодится в походных условиях для зарядки аккумуляторов для фонарика или телефона.

Видео, где автор самоделки демонстрирует работу своего генератора на элементе Пельтье.

Как генерировать электричество с помощью термоэлектрического генератора Пельтье?

Термоэлектрический генератор Пельтье может преобразовывать тепло в электричество. Эти модули генерируют электричество, когда обе стороны подвергаются воздействию разной температуры. Например, вы можете использовать огонь для нагрева термоэлектрического генератора, охлаждая другую сторону водой. Эти модули просты в использовании и являются отличным способом получения электроэнергии из тепла!

Содержание

Что такое эффект Зеебека и как генерировать электричество с помощью модуля Пельтье?

Эффект Зеебека — это явление, при котором тепло рассеивается через полупроводник для выработки электричества. Эти термоэлектрические генераторы содержат провода, изготовленные из двух разных материалов, таких как медь и железо. Эти два типа провода лежат с двух сторон и соединены между собой. Следовательно, это создаст разность потенциалов, когда температура с обеих сторон не одинакова. Другими словами, термоэлектрический модуль Пельтье будет вырабатывать электричество.

Как сделать термоэлектрический генератор для преобразования тепла в электричество?

С помощью модуля Пельтье легко генерировать электричество, потому что все, что вам нужно, это найти лучший способ добиться большей разницы температур. Например, вы можете использовать свечу или небольшой огонь, чтобы нагреть одну сторону термоэлектрического генератора. Действительно, термоэлектрические генераторы Пельтье коммерчески используются для создания вентиляторов дровяных печей, работающих на тепле. Чтобы охладить другую сторону Пельтье, вы также можете использовать кубики льда, содержащие воду. Простая установка может состоять в том, чтобы использовать тонкую банку со свечой внизу и поставить металлическую кастрюлю с холодной водой сверху.

Проверьте этот термоэлектрический генератор Пельтье SP1848-27145 на Amazon

Какую мощность может производить термоэлектрический генератор и каков его КПД?

Эффективность термоэлектрического модуля Пельтье сильно зависит от достигнутой разницы температур. Кроме того, важным фактором, который следует учитывать, является контакт между элементом Пельтье и другими поверхностями. Таким образом, несоответствующая или неровная поверхность снизит эффективность. Хорошим способом получения большего количества электроэнергии также является использование термопасты. Это обеспечит максимальное рассеивание энергии между поверхностями.

Для справки, некоторые термоэлектрические модули SP1848-27145 также имеют спецификации, в которых указано, что они могут генерировать приблизительно: разница температур в градусах: 2,4 В и 469 мА

разница температур 80 градусов: 3,6 В и 558 мА

разница температур 100 градусов: 4,8 В и 669 мА

Эти значения могут различаться в зависимости от настройки, подключения и нагрузки. Посмотрите мой учебник по цифровому мультиметру, чтобы узнать, как измерить напряжение и силу тока, создаваемые термоэлектрическим генератором.

Использование его с повышающим преобразователем для создания определенного напряжения

Если ваша цель — достичь и поддерживать определенное напряжение, вы также можете использовать повышающий преобразователь. Эти модули будут увеличивать фактическое напряжение термоэлектрического генератора до фиксированного значения напряжения. Например, повышающий преобразователь уменьшит силу тока, чтобы увеличить напряжение до желаемого значения, например, 3,3 В или 5 В. Недостатком этого является то, что вы дополнительно ограничиваете силу тока. Вы все еще можете использовать повышающий преобразователь для питания небольших электронных устройств. Некоторые люди также используют термоэлектрический генератор, чтобы сделать вентилятор дровяной печи, работающий на тепле. Другой альтернативой может быть использование этого в сочетании с банком мощности для хранения произведенной энергии.

Какой термоэлектрический модуль Пельтье выбрать?

Существует два основных типа термоэлектрических модулей Пельтье: термоэлектрические охладители (ТЭО) и термоэлектрические генераторы (ТЭГ). Эти модули Пельтье используют ту же технологию, но предназначены для определенной цели. Вы можете использовать TEC для охлаждения устройств. В результате ток, подаваемый на ТЭП, может быть использован для охлаждения одной из его сторон. Такие модули Пельтье не являются термостойкими и также широко используются в термоэлектрических холодильниках или системах кондиционирования воздуха. Прочтите мой предыдущий пост, если хотите узнать больше о термоэлектрических охладителях Пельтье.

Проверьте это SP1848-27145 TEC Semiconductor Термоэлектрический модуль Пельтье для производства электроэнергии на AliExpress

С другой стороны, термоэлектрические генераторы устойчивы к нагреву и оптимальны для производства электроэнергии. Эти модули могут выдерживать температуры до 150 градусов по Цельсию. Следовательно, термоэлектрические генераторы могут использоваться с пламенем в качестве источника тепла и будут более эффективными для выработки электроэнергии.

Портативный термоэлектрический генератор Пельтье MiniO для кемпинга: зарядное устройство USB для телефонов и мелкой электроники

Этот портативный термоэлектрический генератор для кемпинга является хорошим примером коммерческого продукта, использующего эту технологию. Термоэлектрический генератор MiniO — аккуратный и хорошо продуманный объект. Генератор Пельтье заключен в разборную чашу из термостойкого силикона и настолько удобен в использовании! Все, что вам нужно сделать, это наполнить чашку водой и поставить ее на любую походную плиту!

MiniO — портативный термоэлектрический генератор, идеально подходящий для кемпинга. Вы можете легко поместить его в свой рюкзак, так как в сложенном виде он имеет размеры всего 4 дюйма на 1,5 дюйма (10 x 4 см). Его вес тоже не так уж плох, и в целом он весит менее фунта (350 г).

Проверьте портативный термоэлектрический генератор MiniO для кемпинга с USB-зарядкой мощностью 5 Вт на Amazon

Кроме того, MiniO является эффективным термоэлектрическим генератором. Его модуль Пельтье может производить электричество и мощность 5 Вт, что примерно соответствует мощности обычного зарядного устройства для телефона. Выход USB также удобен для зарядки других небольших электронных устройств.

Поскольку термоэлектрические генераторы производят больше энергии при большей разнице температур, вы можете увеличить количество электроэнергии, производимой с помощью холодной воды. Поэтому было бы еще лучше, если бы вы разбили лагерь в зимний сезон и добавили лед или снег в резервуар для воды, чтобы еще больше охладить его.

Если вы хотите увидеть портативный термоэлектрический генератор в действии, посмотрите следующее видео:

Заключение

Термоэлектрические генераторы Пельтье дешевы и просты в использовании. Хотя они не производят много тока, их основным преимуществом является простота конструкции и использования. Поэтому термоэлектрические генераторы являются хорошим способом преобразования тепла в электричество. Их можно использовать даже на открытом воздухе для выработки электроэнергии с помощью костра!

См. также мой предыдущий пост об ультразвуковой диффузии эфирных масел и его использовании в ароматерапии или о том, как сделать простое преобразование градусов Цельсия в градусы Фаренгейта.

Применение элемента Пельтье

Контроллеры TEC используются для термоэлектрического охлаждения и нагрева в сочетании с элементами Пельтье или резистивными нагревателями. Элементы Пельтье — это тепловые насосы, которые переносят тепло с одной стороны на другую в зависимости от направления электрического тока.

Используя элементы Пельтье в сочетании с нашими контроллерами TEC, можно найти решения в различных областях применения. После подборки примеров показано, как можно использовать элементы Пельтье для контроля температуры.

—> Купить контроллер TEC здесь

Офтальмологические лазеры

Для получения постоянной длины волны излучения лазерные диоды поддерживаются при постоянной температуре. Элементы Пельтье используются для охлаждения лазерных диодов и для охлаждения кристаллов.

Ультракороткий импульсный лазер
Фемтосекундный лазер и пикосекундный лазер относятся к ультракоротким импульсным лазерам. Эти сверхбыстрые лазеры открывают новые возможности в обработке материалов, называемые микро- и нанообработкой.

Эталонные источники света
Термоэлектрические модули используются для поддержания постоянной температуры эталонных источников света для достижения стабильного светового потока.

Эталон Ice Point
Эталон Ice Point, построенный на элементах Пельтье, используется для высокоточной калибровки и контроля в процессе производства.

Лаборатория-на-чипе (LOC)
Технология «Лаборатория-на-чипе» обеспечивает более быстрый анализ и компактность в медицинской диагностике. Элементы Пельтье можно использовать для закалки базовых пластин или электронных схем.

Термоциклер
Термоциклер (термоциклер, ПЦР-аппарат или амплификатор ДНК) используются для температурно-чувствительных реакций в лабораториях, таких как визуализация живых клеток. Элементы Пельтье обеспечивают широкий диапазон температур, высокую температурную стабильность и точность в сочетании с точными контроллерами ТЕС.

Приборы ночного видения (усилитель изображения)
Для минимизации шумов изображения датчики изображения в приборах ночного видения могут охлаждаться.

Детекторы радиации
Поскольку тепловое излучение является электромагнитным излучением, хранение датчиков и устройств при низких температурах может помочь свести к минимуму проблему шума.

Термофорез в микромасштабе
Термофорез в микромасштабе используется для количественной оценки биомолекулярных взаимодействий, измеряя движение молекул вдоль температурных градиентов. Элементы Пельтье используются для поддержания постоянной температуры базовой пластины или стабилизации инфракрасного лазера.

Спектроскопия

Охлаждение электромагнетизма в спектрометрах электронного спинового резонанса (ЭПР) является одним из применений, в которых используются элементы Пельтье. Другой — охлаждение ПЗС-детекторов с элементами Пельтье. (охлаждение чипа ПЗС)

Криоконсервация
Элементы Пельтье позволяют охлаждать ниже точки замерзания. Криоконсервация – это процесс сохранения клеток, тканей и других веществ путем их охлаждения до отрицательных температур.

Высокая температура окружающей среды
Если вы используете, например, камеры с датчиками CMOS в окружающей среде с высокой температурой, вы можете потерять точность и могут возникнуть проблемы с шумом. Таким образом, камеры и другое оборудование можно охлаждать, например, для достижения лучших результатов при высоких значениях ISO и длительных выдержках.

Охлаждение органов управления
В некоторых условиях удобно охлаждать или нагревать элементы управления до температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Промышленные процессы
Использование термоэлектрических модулей облегчает бесчисленное количество применений в промышленных процессах. Примерами являются металлургия, полупроводниковая литография и потребности в закалке/отверждении.

Резистивный нагреватель
Резистивный нагреватель с использованием резистивного фольгового, картриджного или металлокерамического нагревателя.

Охлаждение аккумуляторов электромобилей
Термоэлектрическое охлаждение с элементами Пельтье также используется для охлаждения литий-ионных аккумуляторов электромобилей при зарядке аккумуляторов.