Как сделать термогенератор пельтье своими руками. Термогенератор пельтье своими руками

При помощи простых приспособлений можно использовать теплопотери от нагревания воздуха или жидкостей. В этой статье мы расскажем, как использовать бросовую энергию печей, котлов и открытого огня, преобразовав её в постоянный электрический ток небольшой силы.

Любой химический процесс проходит с выделением разного рода энергии. Такой мощный источник, как горение использовался во все времена. Его можно назвать первичным источником тепла и света. Горят практически все вещества на Земле, выделяя при этом тепло и свет в разных количествах. Преобразовать тепловую энергию в электрическую — дело несложное, если под рукой есть рабочая паротурбина, подобная тем, что установлены на ТЭЦ. Это громоздкое и сложное устройство, которому вряд ли найдётся место в котельной загородного дома. Мы попробуем извлечь пользу из выделения тепла при печном отоплении или нагревании воды.

Эффект Пельтье — это явление перепада температур при взаимодействии термопар двух различных типов проводников (p-типа и n-типа) при прохождении через них постоянного тока. Эффект Зеебека — следствие эффекта Пельтье, когда при нагревании одной из термопар образуется электрический ток. Мы не будем подробно описывать термодинамику процесса — эту сложную для восприятия информацию можно легко найти в справочной литературе. Нас интересует результат и варианты его практического использования.

Конструкция термоэлектрического модуля

Термоэлектрический модуль (ТЭМ) состоит из множества термопар, соединённых между собой медной пластиной. Поле термопар вклеивается между двух керамических пластин. Собрать такой модуль возможно только в заводских условиях. Но скомпоновать несколько ТЭМ для собственных нужд получится и дома. Элементы Пельтье-Зеебека имеются в свободной продаже в специализированных магазинах (и на сайтах) по продаже технологического оборудования .

Собираем ТЭМ на 5 В

Что понадобится:

модуль Пельтье TEC1-12705 (40x40) — 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:

*- 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:

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.

Энергопечь

На сегодняшний день энергопечь — апофеоз применения ТЭМ в быту. Это заводское изделие, по сути дела топка-«буржуйка», для любого вида твёрдого топлива с интегрированным теплоэлектрическим модулем. Идеальный вариант для охотничьих домиков, дач, отдалённых зимовок и вообще любого вида жизни вдали от цивилизации. Рассчитана на автономное использование (без периферических теплоотводов), имеет только очаг и дымоход. Предусматривает приготовление пищи. На эту печь устанавливают самые мощные элементы Пельтье-Зеебека.

Характеристики энергопечей:

Хотя печь и переносная, безусловно, это «супертяжёлая весовая категория» среди бытовых приборов. Однако и спектр задач у энергопечи довольно широк — она может заряжать даже автомобильные аккумуляторы, освещать LED лампами целые комнаты. Ей найдётся место в экспедиционном обозе и в охотничьем вездеходе, в техническом помещении и на даче. Иными словами, в этом случае источник тепла у нас всегда с собой, осталось найти топливо.

В своей нише энергопечь незаменима, хотя и немного настораживает заявленный производителем срок службы — 10 лет. Следует отметить, что, как и в термогенераторе, есть возможность профилактической (или аварийной) замены всех деталей вплоть до корпуса.

Термоэлектрические модули — крайне занятные объекты. Помимо описанных методов применения их также используют для кондиционирования воды и воздуха. При этом на такой же элемент подаётся постоянный ток и он работает «в обратную сторону» — охлаждает воздух. Эта технология с успехом применяется в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, в автомобилестроении и при производстве микропроцессоров. Мы опишем эти устройства в следующей статье .

Виталий Долбинов, рмнт.ру

Чуть чуть теории.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Практика.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.

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. Вот, что получилось:

Подключаем воду к охладителю к одной стороне элемента Пельтье , а другую ставим на конфорку. К выходу элемента подключаем 10Вт 6 вольтовою лампочку. Результат - наш генератор работает!

Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.

Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.

Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

Использование термоэлектрического модуля.

Такой термоэлектрический генератор прекрасно помнят те, кто помнит советские совхозы и колхозы. Говорят, в войну немцы не могли понять, как партизаны могут подолгу вести радиопередачи из осажденного леса.

Да, как говорится - если бы нашим ученым платили деньги, то они бы iphone ещё в `85 изобрели бы! :-)

Термоэлектрический холодильник

Термоэлектрический холодильник (вариант 2)

Термоэлектрический холодильник (вариант 3)

Автомобильный охладитель для баночных напитков

Кулер для питьевой воды

Термоэлектрический кондиционер для кабины КАМАЗа

В такой "ковшик" наливается вода, ставится на огонь и, пожалуйста, подзаряжай мобильник. Весь секрет в дне, там "зарыт" Пельтье

Давайте поподробней об этой конструкции.

В настоящее время растет интерес к использованию термоэлектрических генераторных модулей в бытовых устройствах. В первую очередь это касается возможности питания маломощных потребителей электроэнергии - радиоприемники, сотовые и спутниковые телефоны, переносные компьютеры, устройства автоматики и т.п. от имеющихся источников тепла. Термоэлектрический генератор, в котором отсутствуют вращающиеся, трущиеся и какие-либо другие изнашиваемые части, позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла: выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, горячей воды геотермальных источников, "бросового" тепла ТЭЦ и т.п. Руководствуясь опытом, полученным при создании промышленных термоэлектрических генераторов (ТЭГ) различной мощности - от нескольких Ватт до нескольких килоВатт ИПФ КРИОТЕРМ приступила к серийному производству бытового ТЭГ номинальной мощностью 8 Вт. Конструктивно генератор выполнен в виде алюминиевого ковшика с внутренним объемом около 1 л в донной части которого установлены генераторные модули производства ИПФ Криотерм.

Необходимый для работы генератора перепад температур достигается при разогреве ковшика, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри ковшика может идти на приготовление пищи или на другие цели. Данный генератор в первую очередь предназначен для использования в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.

Преимуществом генератора является малый вес и объем, высокая удельная генерируемая мощность, функциональность и высокая надежность. Конструкция генератора исключает возможность его перегрева при правильном использовании. В качестве дополнительной опции к генератору предлагается ступенчатый стабилизатор напряжения с диапазонами 3 В - 6 В - 9В -12В и переходники для зарядных устройств.

БЫТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1TG-8

Техническая спецификация

Масса без жидкости, кг, не более0,55

Габаритные размеры, мм

без ручки250х130х110 ? 123, h=100

Конструкция термоэлектрического модуля

Собираем ТЭМ на 5 В

Что понадобится:

модуль Пельтье TEC1-12705 (40x40) — 2 шт.;
повышающий преобразователь постоянного напряжения ЕК-1674;
лист дюралюминия толщиной 3 мм;
ёмкость для воды с идеально ровным дном (ковш);
термоклей;
паяльник.

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.

Затраты на материалы для сборки термоэлектрического микрогенератора на 5 В:

Стандартный «походный» термогенератор имеет следующие характеристики:

Энергопечь

Характеристики энергопечей:

Виталий Долбинов, рмнт.ру

В продолжение темы о самодельных девайсах.
На этот раз речь пойдёт о темрогенераторе на элементах Пельтье.

Элементы Пельтье это такие небольшие (обычно 4х4 см.) штуковины, состоящие из керамических пластин и биметалла между ними, посредством которого при нагревании одной стороны и охлаждении другой - вырабатывается электрический ток. Или наоборот, подавая ток, нагреваем одну сторону и охлаждаем другую. Данное свойство элементов Пельтье используют при изготовлении переносных холодильников, но меня в первую очередь больше интересует генераторная способность этих устройств.

Действительно, очень удобно. Нагреваешь одну сторону элемента, охлаждаешь другую - и получаешь достаточный ток и напряжение для зарядки, например, сотового или прочих электронных девайсов. А у меня вообще с электричеством напряг, часто не бывает, так что такая штука мне жизненно необходима. Нет, конечно, частично, проблему нехватки электричества могут решить солнечные батареи. Это, на данном этапе, я вообще считаю один из лучших источников альтернативной энергетики. Поэтому у меня есть и солнечная батарея (о которой расскажу позже), небольшой, но достаточной для меня мощности. Выдаёт она где-то 1 - 1,5 ампера при напряжении от 5 до 15 вольт.

Но солнце есть не всегда, поэтому термогенератор оказался нужнее. Да и вне цивилизации он необходим, а также выживальщики, я думаю, такими вещами интересуются.

Для создания термогенератора подойдут не всякие элементы Пельтье, а лишь те, которые держат температуру 300-400 градусов. Конечно, можно изготовить генератор и из обычных элементов, тех, что применяют в холодильниках, но лишь в порядке эксперимента. Ибо, чуть только перегреете - и элемент выйдет из строя. Приобрести высокотемпературные элементы можно у американцев или у китайцев. (Небольшое отступление про китайцев: читая мой блог, может сложиться неверное представлениея, что я плохо отношусь к Китаю или китайцам. Совсем наоборот, Китаем я восхищаюсь, что не мешает мне считать, что это самый вероятный наш противник. Опять же, немцы тоже когда-то были нашим врагом, да и французы, да и кто только не был. И что с того? Будет война - будем ненавидеть, но пока мир - мы друзья. Тем более, что всё в конце концов закончится, как ранее в случае с другими нациями. И таки станут, после всех войн, русские и китайцы - братьями навек. Аминь.)
Можно приобрести элементы и у соотечественников, но уж совсем по баснословной цене, а это не наш путь.

Итак мой термогенератор нагревается масляной (на обычном, самом дешевом, подсолнечном масле) горелкой.

Которая помещена вот в такой разборный корпус, состоящий из консервной банки, регулятора высоты горелки и самого элемента Пельтье.

Сама горелка тоже состоит из банки и угольного фитиля.

Изготовить такой фитиль можно по этой видеоинструкции.

Лично я делаю такие фитили из углей от костра, продвинутые жители больших городов могут просто купить древесный уголь в магазине. Подобная горелка и сама по себе хороша, можно использовать как источник освещения, вместо свечек. Масло на её работу уходит мало, особо не чадит, может гореть сутками.

Вот это элемент Пельтье, сверху на него помещен радиатор от охлаждения компьютерного процессора, с вентилятором.

Это регулятор уровня огня горелки. Я его изготовил от убитого CD-rom_а. Его можно изготовить из чего угодно, лишь бы фантазия работала.

Элемент Пельтье (в данном варианте два-три элемента, друг на друге, всё смазано термопастой) у меня зажат между охлаждающим радиатором и нагревающим радиатором.

Пространство вокруг элемента я заполнил резиной (от каблуков ненужной обуви) и склеил всё это автомобильным термогерметиком.

Вентилятор для охлаждения изготовил из 3-х вольтового двигателя от того же неисправного CD-rom_а и лопастей штатного вентилятора от компьютерного кулера. Двигатель и вентилятор состыковал при помощи китайского суперклея и дискодержателя от всё того же CD-rom_а. В результате получился вентилятор охлаждения, который начинает работать от полутора вольт и жрёт совсем небольшой ток.

Для радиатора нагревания взял радиатор от кулера старого процессора.

Напряжение, порядка 6-8 вольт, у меня выходит на преобразователь, где уменьшается до нужных для девайсов пяти вольт.

Про этот преобразователь я уже писал.

Вот и сам генератор в сборе. Кат только (в пределах минуты-две) вырабатываемое напряжение достигает полутора вольт, начинает крутиться вентилятор охлаждения, и холодная сторона элемента начинает охлаждаться. В рабочий режим генерации термогенератор выходит через несколько минут. От него можно питать светодиодные гирлянды и заряжать электронные девайсы. Мой генератор даёт порядка 400 миллиампер тока при 5 вольтах напряжения. Сила тока зависит от применяемого элемента. Если будет возможность, поставлю элементы получше.

Также данное устройство, если снять генераторную часть, можно использовать в качестве обычной горелки, для кипячения воды. Обычно я заполняю наполовину банку и она закипает через 10-15 минут.

Термоэлектрический генератор Пельтье основывается на т.н. «эффекте Пельтье», который был открыт ученым в 1834 году. Он заключается в том, что при пропускании электрического тока в замкнутой цепи, которая состоит из двух соединенных пластин (металлических или полупроводниковых), в них будет возникать разность температур. То есть один элемент будет нагреваться, а второй – охлаждаться. Обратный эффект был открыт еще раньше немецким ученым Зеебеком. Его можно сформулировать так: в замкнутой цепи из двух проводников, контакты которых имеют разную температуру, возникает ток.

Собственно, нас интересует как раз последний вариант, используя который мы будем получать ток. Так что правильнее, пожалуй, было бы говорить о термоэлектрическом генераторе Пельтье-Зеебека.

Сразу стоит отметить, что КПД такого генератора очень низок. И вряд ли стоит ожидать, что полученной энергии хватит на нечто большее, чем зарядка телефона или работа лампочки. Но для туристов и просто энтузиастов этого достаточно.

Для получения тока можно использовать различные конструкции. Самым простым является «кружка», часть которой нагревается огнем, а вторая – охлаждается водой. Мы рассмотрим 3 термоэлектрических генератора Пельтье.

Для этого нам нужно:

Модуль Пельтье . Мы рекомендуем TEC1-12712. Обратите внимание, что этот модуль выпускается в трех вариантах: 40х40, 50х50, 60х60. Чем больше размер, тем выше стоимость (примерная — 1000-2000 рублей). Нам понадобится либо 1 модуль размером 60х60 или выше, либо 2 модуля размером 40х40. Первые 3 цифры – количество элементов (127). Последние две цифры в маркировке – это максимальный ток. В нашем случае – 12А.
Повышающий преобразователь постоянного напряжения (до 5В). В большинстве случаев нам будет необходим ток с напряжением 5В. Этого хватит для зарядки телефона, фонарика, радио и для работы обычной лампы накаливания. Но наш генератор, скорее всего, будет выдавать ток меньшего напряжения. Необходимо его измерить и добавить в систему соответствующий преобразователь. Они могут быть как отечественного производства — КР1446ПН1 (или КР1446ПН1Е); повышающий преобразователь 3.3B/5B ЕК-1674. Так и импортного — 5V NCP1402; MAX 756. Цены на них могут существенно отличаться, но, немного поискав, можно купить подходящий преобразователь менее, чем за 10 у.е. Выход преобразователя зависит от того, для чего будет использоваться термогенератор Пельтье. Если для зарядки мобильника – USB разъем и.т.д.
Нагревательный элемент . Самый простой – костер. Как вариант, можно использовать свечи (только надо будет поправлять генератор по мере того, как свеча будет оплавляться). Принцип тут простой – нужно передать модулю Пельтье как можно больше тепла. Поэтому источник должен быть либо очень горячим – огонь газовой плиты, костер. Либо потери тепла нужно минимизировать. Для этого нагревательный элемент можно поместить в стакан, коробку. Ниже мы остановимся на этом подробнее.
Охлаждающий элемент. Самый простой – вода или сухой лед. Если вы находитесь у реки – можно попробовать использовать холодную воду. В этом случае нагревательный элемент будет сверху.

Теорию мы прошли, теперь настало время практики.

Нам осталось подобрать последний элемент – соединительные элементы. Их задача – создать максимальную разницу температур между пластинами модулья Пельтье. Здесь есть, где разгуляться фантазии, и многое зависит от того, где, как и зачем вы собираете генератор Пельтье, поэтому мы просто приведем примеры.

Пример 1. Две металлические кружки разного размера с отпиленными ручками. Можно взять ковшик или маленькую кастрюлю. Ставим кастрюлю на огонь (можно использовать и электрическую плиту), сверху кладем модуль и накрываем кружкой или ковшиком меньшего размера, в которую насыпан лед, снег или просто холодная вода. Далее к выходу генератора подпаиваем провод, который ведет к входу преобразователя напряжения. Перед этим поверхности, разумеется, надо отполировать. Также следует нанести и термопасту, подробнее об этом будет сказано ниже.

Пример 2. Нам понадобится свеча Икея, чашка, ковш и пластина из дюралюминия. При помощи термостойкого клея приклеиваем модуль Пельтье к пластине. С другой стороны модуля так же приклеиваем дно ковшика.

Пример 3. Берем модуль на 127 элементов, размеры 50х50. Также понадобятся два алюминиевых бруска, контактные поверхности которых мы предварительно полируем и наносим термопасту. Бруски приклеиваем по обеим сторонам модуля. К «холодному» бруску прикрепляем радиатор. А «горячий» кладем на работающую конфорку электрической плиты.

Мощности вот такого монстра хватило, чтобы зажечь 10-ваттную лампочку, с напряжением до 6В.

Недостатком всех предыдущих вариантов является то, что в домашних условиях трудно организовать эффективное охлаждение. Лед растает, радиатор нагреется. А вот в «диких» условиях все может быть проще: для охлаждения можно использовать речную воду или снег, а для нагрева – упомянутый выше костер.

Важно! КПД генератора Пельтье очень низок, поэтому следует использовать все возможности для улучшения КПД. Все они, так или иначе, направлены на то, чтобы уменьшить потери тепла.

Во-первых, для лучшей теплопроводности поверхность соединительных элементов, которая контактирует с модулем, нужно отполировать до зеркального блеска. Для этого можно использовать станок или дрель со вставленным войлочным пыжем, на который наносится паста ГОИ.

Затем на них следует нанести термопасту, которая хорошо проводит тепло. Взять ее можно в любом магазине радио- или компьютерной техники.

Также на места, через которые «уходит» тепло, можно нанести термостойкий герметик. В нашей первой конструкции это будет пространство между донышками большего ковша и меньшей кружки. Благодаря этому полученное тепло не будет «расходиться» по всей поверхности донца внешней кружки. В этом нет необходимости, если у вас донца примерно одного размера, как это показано на фото ниже.

И чашка, и ковш примерно одного диаметра – все тепло от чашки уходит наверх, к модулю Пельтье.

Если провода между модулем и преобразователем проходят в «горячей зоне», их также следует изолировать термостойким герметиком или тканью.

Измерить полученный ток можно тестером, светодиодом, маломощной лампочкой и т.д. Отметим, что ток появляется не сразу после запуска, а спустя 1-2 минуты.