вопрос:
Можно ли получать электричество от термомодулей Пельтье?

Генерация электричества: практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар

Thermoelectric generator of electrical current: Peltier modules or Thermocouples?

Конструкция термоэлементов, принцип работы, технические полезности - Конструкция и работа термоэлемента Пельтье.

Рассказы про то, что термоэлектрические модули Пельтье (Peltier modules) генерируют электрический ток - сильно преувеличены.
Реальность выработки электричества полупроводниковыми Пельтье модулями намного труднее.

0. Вольтаж металлических термопар имеет порядок десятков микровольт (не милливольт!) на градус Кельвина, а вольтаж элементов Пельтье (полупроводники) - десятки милливольт на градус

Например, популярная хромель-константановая термопара (thermocouple type E, chromel-constantan, ТХКн - на кириллице) дает напряжение 68 µV/°C.
То есть, 1 термопара - контакт при разнице температур горячего и холодного спаев в 1000 градусов Цельсия даст всего 68 милливольт напряжения.

Вольтаж полупроводниковых термомодулей больше, чем у термопар:
Например, Пельтье-модуль TEG1-12611-6.0 имеет около 0,032 вольт/градус **.
Модуль - это сборка из полупроводниковых кристаллов, например, сборка из 128 микроэлементов-полупроводников, включенных последовательно.
Или термомодуль TEC1-12706 (в режиме холодильника - максимальная потребляемая мощность 92 ватта; в режиме генерации напряжения ни вольт/градусы, ни мощность не нормированы). В реальности модуль TEC1-12706 при разнице температур между холодной и горячей сторонами в около 20 градусов C выдает напряжение 0,5 вольта, при температуре холодной стороны керамики в 22 градуса Ц - 0,017 вольт/градус.

* Здесь указаны градус на вольты при разомкнутой цепи термоэлементов, при нулевом токе и нулевой генерируемой электрической мощности.

Но зато термопары способны работать и при 1800 °C, чего нельзя сказать про полупроводниковые термомодули. Зато вольтаж у термомодулей выше!
Разброс параметров по напряжению/температуре у полупроводниковых сборок составляет около +-40%. Все кристаллы полупроводники такие - точность достигается выбраковкой продукции.

** Зависимость температура/напряжение у термопар и тем более полупроводниковых термопар является немного нелинейной.

1. Полупроводниковые модули Пельтье имеют малую теплостойкость, обычно ограниченную примерно 150 градусами, и маленькую допустимую разность рабочей температуры между горячей и холодной сторонами - часто менее 100 градусов температурного градиента

Термогенераторы-охладители Пельтье чаще собираются на керамических платах - две пластины с медными дорожками, между которыми организуются спаи с полупроводником. Понятно, что при высокой температуре полупроводниковые кристаллы ускоренно деградируют, а при изменениях разницы температур между пластинами - сторонами элемента Пелтие - возникают механические напряжения, через спаи с полупроводниками.

2. Модули Пельтье имеют высокую теплопроводность

Обратимость эффекта Зеебека (Peltier - Seebeck and Thomson thermoelectric effect):
При разнице температур между холодным и горячим спаями (сторонами термоэлемента) возникает разница электрических потенциалов.
И наоборот, при протекании электрического тока одна сторона термомодуля нагревается, вторая сторона охлаждается.

Но!
Термомодули Пельтье имеют высокую теплопроводность - энергия теплового потока через термо-элементы обычно превышает более, чем в 10 раз генерируемую электрическую мощность.
(Причина - в конструкции термомодулей - см. выше. Если бы "половинки" кристаллов в термомодуле находились на гибких проводниках между собой, а жесткий спай только к одной плате-пластине, то температурный диапазон, долговечность "вечных" модулей Пельтье была бы намного выше, а теплопроводность - ниже.)

Например, TEG1-12611-6.0 при hot side temperature 300 C и cold side temperarure 30 C при согласованной нагрузке имеет тепловой поток 365 ватт, а выходную электрическую мощность 14,6 ватт.

Этот КПД полупроводниковых термоэлектрических модулей как источников тока 3-5% является типичным.

Достижения термоэлектричества и КПД

термоэлектрический генератор постоянного тока
thermoelectric-generator.com/products/teg-thermoelectric-power-generators-for-sale/:
TEG 12 VDC-24 AIR
Max 20 Watt Output
Cost $429

Но 20 ватт это термоэлектрическое устройство из 8 модулей Пельтье и электронного стабилизатора дает примерно при температуре 400 °C.

Таким образом, модули Пельтье, изготовленные как впаянные полупроводниковые кристаллы между керамическими пластинами, являются в 25 раз больше теплообменниками (на примере TEG1-12611-6.0), чем электрическими генераторами термоэлектричества.

Из чего я делаю вывод: использовать модули Пельтье в самодоме по прямому назначению, для теплопередачи. А электричество - как побочный продукт. В этом случае коэффициент полезного действия пп-термомодулей достигает почти 100 процентов. Подробно - читайте статью в Самодоме "Полупроводниковые термоэлементы как жидкостные теплообменники, попутно дающие электроэнергию".

Отсутствие в электрическом термогенераторе:
движущихся частей
высоких температур
бесшумность, отсутствие вибрации
является огромным плюсом,
но высокая цена ватта является не менее огромным минусом.
Но при низкой температуре и низкой разнице температур между горячей и холодной сторонами термоэлемента, и их постоянстве, время эксплуатации термомодуля стремится к бесконечности, следовательно, себестоимость термоэлектрического электричества стремится к нулю.
При условии бесплатного тепла и холода - тепловой энергии.

А этого добра (бесплатной тепловой энергии) есть вокруг самодома... очень много. (см. иллюстрацию-схему www.envirociety.org)

Отмечу, что эффективный теплообмен с пластинами-сторонами термоэлектрических модулей на практике возможен только с принудительной циркуляцией жидкости - тепло-холод носителя, то есть работа термоэлектрических модулей все-таки сопряжена с механикой - ротором циркуляционного насоса.

И еще о КПД:
Максимальную мощность термомодуль Пельтье дает, естественно, на согласованной нагрузке.
(В омическом упрощении с абстракцией "постоянный ток" максимальная полезная мощность на нагрузке выделяется тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению электрического генератора, а сопротивление подводящих проводов стремится к нулю. Этот максимум и есть согласованнная нагрузка.)
Согласованная нагрузка термоэлемента - немного сложнее, ибо само понятие постоянное омическое сопротивление является неприменимым к термозависимым полупроводникам.

В Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0 приведен график напряжения и электрической мощности модуля термогенератора:
(сайт thermoelectric-generator.com)
Классический "горб" по закону Ома, но немного "кривой" из-за термоэффектов.
(график "Output Voltage (V) - Output Power (W)")
Обратите внимание: при температуре холодной стороны термомодуля 30 градусов Ц и температуре горячей стороны термомодуля 300 градусов Ц.

На примере канадского "печного" термоэлектрического электрогенератора TEG 12 VDC-24 AIR видно, что 1 ватт термоэлектричества стоит 21,45 доллара, при 400 градусах Ц.

Кстати, термоэлектрический генератор может оказаться прекрасным дополнением к каминной и печной трубам, если отвод тепла с холодной стороны термоэлементов делать в воздух около пола - вниз, и подальше от печки.
См: stove.netnotebook.net - Каминные и печные работы.
(Печь или камин с водяной рубашкой "в СССР" называют котлом.)

Термоэлементы:
Китайская потребляемая мощность термоэлектрического холодильника никак не равна генерируемой электрической мощностью термоэлектрического генератора. Соотношение примерно 7:1 (потребляемая электрическая мощность : генерируемая электрическая мощность), для современных полупроводниковых модулей.

источники:

(1)
Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0
www.Thermoelectric-generator.com

(2)
Собственные измерения параметров термоэлементов

(3)
Обслуживание термопар как средств измерений

 
последние изменения статьи 27сен2013, 01мар2015