Celula Peltier
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Celula Peltier este un dispozitiv termoelectric format din mai multe joncțiuni Peltier în serie; împreună cu dispozitivele cu efect Seebeck constituie o aplicație a așa-numitelor sisteme „termoelectrice”. Numele său provine de la Jean Charles Athanase Peltier . [1]
Celula Peltier este practic o pompă de căldură în stare solidă [2] cu aspectul unei plăci subțiri; una dintre cele două suprafețe absoarbe căldura în timp ce cealaltă o emite. Direcția în care este transferată căldura depinde de direcția curentului continuu aplicat capetelor plăcii în sine.
Structura
O celulă Peltier comună constă din două materiale semiconductoare dopate tip N și tip P, legate între ele printr-o lamelă de cupru . Dacă se aplică o tensiune pozitivă la tipul N și o tensiune negativă la tipul P, lamela superioară se răcește în timp ce cea inferioară se încălzește. Prin inversarea tensiunii se inversează deplasarea energiei termice . [3] Există pe piață celule Peltier izolate și celule Peltier neizolate: primele sunt acoperite sub și deasupra cu material ceramic și garantează randamente mai mari decât cele din urmă.
Dietă
Având de absorbit munca pentru a transfera căldura în conformitate cu al doilea principiu al termodinamicii , adică pentru a stabili diferența de temperatură staționară, celulele Peltier absorb în mod necesar o cantitate mare de curent electric . O celulă tipică cu dimensiuni 30 × 30 × 4 mm de 25 W , are de obicei o cădere de tensiune de numai 8,5 V și, prin urmare, absoarbe 2,1 A. Mai mult, datorită curbei caracteristice tensiune-curent pentru joncțiune , dispozitivul este de obicei alimentat în limitarea curentului (adică curent constant).
Dacă un set de celule este utilizat pentru a muta o anumită cantitate de căldură, ca în cazul răcirii unei diode laser sau altfel în cazul răcirii unui senzor, trebuie avut în vedere că pentru a face celula să funcționeze în mod evident va fi necesar să se îndepărteze, din partea joncțiunii „fierbinți”, de asemenea, căldura legată de puterea furnizată joncțiunii și pierdută din cauza eficienței; datorită eficienței modeste, doar o parte limitată a căldurii de eliminat corespunde cu cea efectiv mutată.
Eficiența unei celule Peltier este maximă atunci când diferența dintre partea fierbinte și partea rece este foarte mică și cu atât este mai mic curentul absorbit. Sistemul este oarecum ineficient și poate avea o oarecare justificare, dacă este bine guvernat, doar pentru posibilitatea de a efectua o răcire foarte precisă, atât punctuală (în sensul de răcire doar a punctelor specifice), cât și pentru intervalul de temperatură pe care îl poate localiza asigura.
Din acest motiv, celulele Peltier sunt utilizate în principal acolo unde trebuie mutate cantități mici de căldură: sunt foarte utile, de exemplu, pentru a reduce temperatura părților pasive (adică care nu generează căldură).
Operațiune
Utilizarea obișnuită a celulei este scăderea căldurii prin aderarea părții reci la corpul de răcit; scăderea căldurii este favorizată de crearea de punți termice adecvate (adezivi termoconductori sau, pentru un transfer termic mai bun, foi de grafit cu o grosime de câteva zecimi de milimetru) care permit cea mai bună conducere. Căldura scăzută este transferată pe partea fierbinte, împreună cu căldura de funcționare (care este cea mai mare parte); pe partea fierbinte, căldura trebuie transferată în mediul extern.
Problema principală este controlul intensității curentului care corespunde scăderii datorate căldurii; dacă sursa de căldură se modifică în valoarea emisiilor de căldură, scăderea efectuată de celulă trebuie să varieze în consecință. Această variație trebuie efectuată eventual cu detectoare de temperatură, astfel încât, prin intermediul unui circuit de feedback adecvat, intensitatea curentului administrat celulei să mențină funcționarea în intervalele de temperatură admise.
De fapt, se poate verifica că:
- sursa de căldură răcită scade sau încetează să mai producă căldură. În acest caz, scăderea căldurii din celulă, dacă nu este controlată, poate reduce temperatura sub punctul de îngheț în câteva secunde. Dacă, de exemplu, partea răcită este un procesor de computer, aceasta înseamnă că complexul CPU-Placă Peltier poate îngheța și, dacă este expus la atmosferă, condensează pe componentă umiditatea atmosferică din gheață;
- sursa de căldură crește producția de căldură. În acest caz, creșterea temperaturii sursei, în funcție de scăderea căldurii efectuate, crește temperatura laturii fierbinți a celulei. Dacă această temperatură depășește valoarea maximă permisă, celula poate „găti”, adică poate fi deteriorată iremediabil și nu mai funcționează; în plus, deteriorarea întrerupe disiparea căldurii și, prin urmare, chiar și părțile care nu mai sunt răcite pot fi la rândul lor deteriorate.
Pe scurt, dacă este necesar să se prevadă scăderea cantităților variabile de căldură, funcționarea celulei trebuie guvernată cu atenție într-un mod variabil; toată energia furnizată sistemului trebuie extrasă sub formă de căldură în mod eficient și sigur din partea fierbinte și dispersată spre exterior.
Utilizări
Celulele Peltier sunt folosite acolo unde cantități mici de material trebuie răcite rapid. Acestea sunt utilizate, de exemplu, pentru înghețarea probelor biologice, pentru răcirea senzorilor CCD ai telescoapelor și camerelor termice , în lasere pentru a menține temperatura de lucru stabilă și, uneori, pentru a răciprocesoarele sau GPU-urile folosind o conductă de căldură pentru a răci partea laterală a celulei care se încălzește. .
Elementul de răcire este, de asemenea, utilizat în frigiderele portabile mici pentru mașini și camper și în mini-distribuitoarele de apă rece. În acest din urmă caz, un radiator cu suprafața cu aripioare cufundată în lichid este atașat la celulă, care pe cealaltă parte transmite căldura către un radiator activ (adică echipat cu un ventilator). Între o componentă și alta este posibil să se găsească pastă conductivă termică obișnuită. Practic, sistemul de răcire se bazează pe același principiu ca răcirea CPU, GPU și chipset.
Din motivele menționate mai sus, este necesar să se utilizeze surse de alimentare adecvate cu o capacitate de alimentare curentă adecvată celulei care urmează să fie utilizată.
Reversibilitate
Celulele Peltier sunt reversibile datorită efectului Seebeck : prin încălzirea unei părți și răcirea celeilalte, va curge un curent continuu într-un circuit electric conectat la capetele celulei, proporțional cu diferența termică dintre cele două fețe. Diferența de potențial între celulă este direct proporțională cu numărul de elemente prezente în interiorul celulei, în timp ce curentul este invers proporțional cu numărul de elemente. Această relație poate fi rezumată cu următoarele expresii matematice:
- I = V / Ne
- Ne = V / I
- V = Ne I
Unde:
- I este intensitatea curentului generat (exprimat în amperi)
- V este diferența de potențial electric (exprimată în volți) în celulă
- Este numărul de elemente prezente în interiorul celulei.
Datorită posibilității de a exploata efectul Seebeck, celulele Peltier pot fi adoptate ca generatoare. În panourile solare cu efect Seebeck, celulele sunt încălzite pe partea expusă la soare, posibil cu efectul de concentrare al unui obiectiv Fresnel , în timp ce pe cealaltă parte sunt răcite de un schimbător traversat de un flux de apă rece, obținând o diferență de temperatura de aproximativ 60 ° C între cele două părți. De fapt, există o limită de temperatură mai mică în temperatura ambiantă și o limită superioară în rezistența materialelor celulare. Acest aspect ar putea fi interesant în aplicarea sa în regazificatoare , unde ar putea atinge diferențiale de temperatură ridicată bazându-se pe frig (-160 ° C) în raport cu temperatura ambiantă mai degrabă decât pe căldură (și, prin urmare, nu fiind deteriorat de temperaturi ridicate).
Limitele celulelor Peltier
Celulele Peltier au unele limitări grele care le penalizează utilizarea.
- Eficiența celulei Peltier este foarte scăzută: energia electrică de intrare este mult mai mare decât energia termică luată din partea rece sau, cu alte cuvinte, eficiența este slabă. Aceasta înseamnă că cantitatea de căldură disipată de celulă este mult mai mare decât cea care poate fi îndepărtată din partea rece sau că, în sens invers, doar o mică parte din energia termică care trece în celulă este de fapt transformată în electrică energie. Acest lucru limitează utilizarea celulei Peltier la aplicații a căror putere este foarte mică.
- Deoarece celula este traversată de un flux de căldură între cele două părți, pentru a maximiza diferența de temperatură în raport cu mediul din partea rece și pentru a preveni partea caldă să atingă temperaturi dăunătoare celulei în sine (de obicei în jur de 75 ° C) este necesar pentru a îndepărta căldura generată prin radiatoare , radiatoare sau conducte de căldură , care în general au dimensiuni și greutăți care sunt mai multe ordine de mărime mai mare decât celulelor. Aceasta implică faptul că dimensiunea unui sistem termic bazat pe celule Peltier depinde în principal de sistemul de răcire al acestuia.
Identificare
Majoritatea celulelor Peltier au o inscripție, de obicei fixată pe partea caldă, care rezumă principalele lor caracteristici. Identificatorul este de obicei sub forma TEX # -NNNAA, unde TE înseamnă Thermo Electric (convertor), X este o literă care descrie dimensiunea celulei (C = standard, S = mic), # reprezintă numărul de etape (de obicei 1) și cele două serii de numere după liniuță sunt, respectiv, numărul NNN de elemente (de exemplu 127) și curentul nominal în amperi (valorile tipice sunt cuprinse între 6 și 10 A). Deci, de exemplu, o celulă numită TEC1-12706 [4] va fi o celulă de dimensiune standard, cu o etapă, cu 127 de elemente și un curent nominal de 6 A. Puterea celulei va depinde de tensiunea nominală. Celulele de acest tip care au o sursă de alimentare de 12 V vor avea o putere nominală de 72 W; Celulele proiectate să funcționeze la 15,4V vor fi evaluate la 91,2W.
Notă
- ^ Seebeck a descoperit fenomenul care îi poartă numele în 1821. Câțiva ani mai târziu, Peltier a descoperit fenomenul opus. ( EN ) SO Kasap, Efecte termoelectrice în metale: termocupluri ( PDF ), su materials.usask.ca , Department of Electrical Engineering University of Saskatchewan (Canada), 2001, p. 2. Accesat la 29 decembrie 2016 (arhivat din original la 25 noiembrie 2016) .
- ^ Grosso, Giuseppe., Fizică în stare solidă , 2014,OCLC 1088871171 . Adus la 22 iunie 2021 .
- ^ (RO) Robert A. Taylor și Solbrekken, G., Optimizare cuprinzătoare la nivel de sistem a dispozitivelor termoelectrice pentru aplicații de răcire electronică ( rezumate ), în IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 31, n. 9897298, IEEE Xplore, 3 martie 2008, pp. 23-31, DOI : 10.1109 / TCAPT.2007.906333 . Adus pe 29 decembrie 2016 .
- ^ (EN) Specificația modulului termoelectric TEC1-12706 (PDF), pe thermonamic.com, Thermonamic Electronics. Adus pe 29 decembrie 2016 (arhivat din original la 22 februarie 2016) .
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe celula Peltier
linkuri externe
- ( RO ) Întrebări frecvente despre tehnologia noastră de răcire și încălzire , pe tellurex.com , Tellurex. Adus pe 29 decembrie 2016 (arhivat din original la 8 martie 2013) .
