Mnozí slyšeli o „magických“ Peltierových prvcích – když jimi prochází proud, jedna strana se ochladí a druhá se zahřívá. To funguje i v opačném směru – pokud je jedna strana ohřívána a druhá ochlazována, vzniká elektřina. Peltierův jev je znám již od roku 1834, ale dodnes jsme nadšeni inovativními produkty, které jsou na něm založené (jenom musíme mít na paměti, že při výrobě elektřiny, jako jsou solární panely, existuje bod maximálního výkonu, a pokud pracovat daleko od něj, tvorba efektivity je značně snížena).
V poslední době Číňané vystupňovali svou hru a zaplavili internet svými relativně levnými moduly, takže experimenty s nimi už nestojí příliš peněz. Číňané slibují maximální teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou 60-67 stupňů. Hmmm. Co když vezmeme 5 prvků a zapojíme je do série, pak bychom měli dostat 20C-67*5 = -315 stupňů! Ale něco mi říká, že všechno není tak jednoduché.
Klasické „čínské“ Peltierovy prvky je 127 prvků zapojených do série a připájených na keramickou „desku s plošnými spoji“ vyrobenou z Al2O3. Pokud je tedy provozní napětí 12 V, pak každý prvek představuje pouze 94 mV. Existují prvky s různým počtem po sobě jdoucích prvků a podle toho i s jiným napětím (například 5V).
Musíme si pamatovat, že Peltierův článek není rezistor, jeho odpor je nelineární, takže pokud použijeme 12V – nemusíme dostat 6 ampér (pro 6 ampérový prvek) – proud se může měnit v závislosti na teplotě (ale ne příliš mnoho ). Také při 5V (tedy méně než je jmenovitá hodnota) nebude proud 2.5A, ale menší.
Množství přeneseného tepla je úměrné proudu. Ale kromě toho je tu parazitní ohřev od toku proudu a parazitní tepelná vodivost – to vše dělá Peltierův článek alespoň trochu účinným ve velmi úzkých podmínkách.
Kromě toho je množství přenášeného tepla vysoce závislé na teplotním rozdílu mezi povrchy. S rozdílem 60-67C má přenos tepla tendenci k 0 a s nulovým rozdílem – 51 Watt pro prvek 12*6 = 72W. Zjevně to již neumožňuje tak snadné zapojování prvků do série – každý další musí mít menší velikost než předchozí, jinak se nejchladnější prvek bude snažit vydat více tepla (72 W) než prvek další stupeň může sám procházet při požadovaném teplotním rozdílu (1-51W).
Peltierovy prvky jsou montovány nízkotavnou pájkou s bodem tavení 138C – pokud by tedy prvek náhodou zůstal bez chlazení a přehříval se, pak bude stačit rozpájet jeden z 127*2 kontaktů a prvek vyhodit na skládku. No, prvky jsou velmi křehké – jak keramika, tak samotné chladicí prvky – omylem jsem roztrhl 2 prvky “podélně” kvůli těsně zaschlé tepelné pastě:
Takže malý prvek je 5V * 2A, velký je 12 * 9A. Chladič s heatpipe, pokojová teplota. Výsledek: -19 stupňů. Zvláštní. 20-67-67 = -114, ale ukázalo se, že je to žalostných -19.
Myšlenka je vyndat vše na mrazivý vzduch, ale je tu problém – chladič heatpipe se dobře ochladí pouze tehdy, když teplota „horké“ a „studené“ strany chladiče leží na opačných stranách plynné kapaliny. fázový přechod výplně trubek. V našem případě to znamená, že chladič v zásadě není schopen uchladit nic pod +20C (protože dole fungují jen tenké stěny heatpipe). Budeme se muset vrátit k základům – k celoměděnému chladicímu systému. A aby omezený výkon chladiče neovlivnil měření, přidáváme kilogramovou měděnou desku – tepelný akumulátor.
Výsledek je šokující – stejných -19 s jedním i dvěma stupni. Okolní teplota je -10. Tito. s nulovou zátěží jsme udělali sotva ubohých 9 stupňů rozdílu.
Ukázalo se, že chladírna č. 7 není daleko ode mě a rozhodl jsem se zastavit s kartonovou krabicí. Vrátil se s 5 kilogramy suchého ledu (teplota sublimace -78C). Spustíme tam měděnou konstrukci – zapojíme proud – při 12V začne teplota okamžitě stoupat, při 5V klesne o 1 stupeň za vteřinu a pak rychle vzroste. Všechny naděje jsou zmařeny.
Účinnost konvenčních čínských Peltierových prvků rychle klesá při teplotách pod nulou. A i když je stále možné chladit plechovku koly se zdánlivou účinností, teploty pod -20 nelze dosáhnout. A problém není v konkrétních prvcích – zkoušel jsem prvky různých modelů od 3 různých prodejců – chování stejné. Zdá se, že kryogenní stupně vyžadují prvky z jiných materiálů (a možná každý stupeň vyžaduje jiný materiál prvku).
Se zbývajícím suchým ledem můžete udělat následující:
PS. A pokud smícháte suchý led s isopropylalkoholem, získáte tekutý dusík pro „chudé“ – stejně zábavné je zmrazovat a lámat květiny atd. Je to jen proto, že se alkohol při kontaktu s pokožkou nevaří, a proto je mnohem snazší získat omrzliny.
Ahoj, jmenuji se Danil a jsem paranoidní. Moje paranoia spočívá v tom, že jsem přesvědčen o brzkém příchodu Velké polární lišky. Nezáleží na tom, v jaké podobě tato polární liška přijde – pokud zůstaneme naživu, pak s největší pravděpodobností budeme muset začít žít od nuly. A život je mnohem zábavnější, když máte čím dobíjet baterky a dozimetr. Pro ty, kteří si myslí totéž (stejně jako všechny zvědavé), žádám o stříhání níže (pozor, těžké fotky).
Výzkumná část
Proč vlastně Peltierův prvek? Mnohem logičtější je pořídit si svítilnu se svalovým pohonem („střevlík“), solární panely nebo v nejhorším případě postavit větrný mlýn. Dříve jsem si také myslel, že se střevlíky se dá docela dobře vyjít. Má ale spoustu pohyblivých částí, které vyrábí strýček Liao z levného plastu. První porucha v podmínkách Velké polární lišky – a zůstanete bez elektřiny.
Ptáte se, proč ne solární panely? Nejsou zde žádné pohyblivé části. Souhlasím, odpovím, ale v podmínkách jaderné nebo sopečné zimy nebo pod dvoumetrovou betonovou střechou krytu není tak snadné chytit slunce.
Větrný mlýn? Jakou plochu by měla mít lopatky, aby se mohla točit i při slabém větru? Zase pohyblivé části. Větrný mlýn je vhodný pro trvalou instalaci při vybavení dlouhodobého úkrytu.
Po zvážení těchto argumentů jsem byl zoufalý. Ale brzy jsem náhodou narazil na web nepropadu.ru (žádná reklama, pouze odkaz na zdrojový materiál). Seděl jsem u toho nepřetržitě dva dny a během toho jsem narazil na velmi zajímavý článek o kamnech na dřevní štěpku vyrobených z počítačové napájecí jednotky s Peltierovým článkem na boku (odkaz na konci příspěvku). V komentářích bylo hodně skeptiků, ale autor psal, že telefon v klidu nabíjel z připojeného čínského DC-DC konvertoru. Chytlo mě to.
Designová část
Pro začátek jsem si objednal stejný Peltierův prvek od Číňanů na e-Bay (stačí na experimenty). Stálo mě to 320 rublů. Co mě potěšilo, bylo rychlé, sledování, ale bezplatné doručení. Navíc zboží bylo odesláno doslova hodinu po zaplacení (a to bylo v neděli).
Zatímco Peltierův článek cestoval, promyslel jsem návrh budoucího termoelektrického generátoru, našel vhodný radiátor s ventilátorem (starodávný procesorový radiátor fungoval perfektně) a také vyhrabal na internetu obvod pro DC-DC měnič s maximální výstupní proud 1 ampér při napětí 5 voltů.
Nepovažoval jsem za vhodné vyrobit kamna na štěpku podle příkladu z toho článku. Kov, ze kterého je počítačový hardware vyroben, je velmi měkký, při vystavení vysokým teplotám se „potopí“ a rychle vyhoří. Proto bylo rozhodnuto vyrobit „odnímatelnou verzi“ generátoru, kterou bylo možné namontovat na stranu stacionárního sporáku nebo opřít o hrnec stojící na ohni. A aby se zabránilo smažení Peltierova článku na otevřeném ohni za takových podmínek, bylo zapotřebí tepelně odolné, ale teplovodivé těsnění. K tomu se mi podařilo sehnat kus silného hliníkového plechu o rozměrech 100x120x5 milimetrů.
K přitlačení Peltierova prvku k hliníkové podložce a následně k přitlačení chladiče k němu jsem se rozhodl použít dětskou kovovou stavebnici, kterou jsem kdysi koupil pro potřeby robotiky.
Peltierův prvek ale dorazil a nastal čas montáže.
Technologická část
Měli jsme chladič, hliníkovou desku, Peltierův článek, hrst rádiových součástek, kus fólie PCB a různé šrouby a matice. dále si nepamatuji.
Takže všechny komponenty jsou smontovány, můžete začít s montáží.
Omlouvám se za na dvou místech označenou a provrtanou desku – až později mě napadlo, že by bylo fajn nafotit celý proces montáže od úplného začátku.
První průšvih, který mě čekal, byl 12voltový standardní ventilátor na chladiči. Vzhledem k tomu, že budu vyrábět pouze 5 voltů a dokonce i při docela malém maximálním proudu, může to způsobit problém.
Nejprve jsem nahodil návnadu ve všech prodejnách rádií a počítačů v Permu, ale nikde nebyl 80voltový ventilátor 80×5 milimetrů. A pokud ano, byly menší velikosti a s proudem větším než 200 mA, což bylo příliš.
Pak jsem trochu kopal na eBay a zjistil jsem, že ventilátor, který jsem potřeboval, stál od 300 rublů. Ale bylo zbytečné doufat v rychlé dodání, a tak jsem tuto možnost nechal jako zálohu.
A až po všem hledání jsem uhodl připojit standardní 12voltový ventilátor k 5voltovému zdroji napětí. Ukázalo se, že docela dobře fouká a přitom nespotřebovává moc proudu. Proto jsem se rozhodl toho zatím nechat a po otestování případně objednat ventilátor na eBay.
Označil jsem hliníkový plech a vyvrtal do něj dva otvory pro montáž chladiče a dva pro desku měniče napětí. Otvory jsem udělal o průměru 4 milimetry (pro šrouby od konstruktéra) a z vnější strany jsem je rozšířil na 7,5 milimetru, abych skryl hlavy šroubů. Ostré rohy jsem poté zaoblil pilníkem a po všech plochách desky a jemným brusným papírem jsem chodil po všech plochách desky, kde byl Peltierův prvek zalisován.
V tuto chvíli jsem považoval zpracování substrátu za hotové a začal s výrobou měniče napětí.
Impulsní zesilovač napětí je namontován na IC L6920, který začíná pracovat při vstupním napětí 0,8 voltu a umožňuje z jeho výstupu odstranit pevné napětí 3,3 nebo 5 voltů nebo proměnné od 1,8 do 5,5 voltu.
Schéma převodníku je typické a převzato z katalogového listu.
Pro získání 5 voltů na výstupu obvodu je větev 1 připojena ke společnému vodiči. Je také nakonfigurován pro výstup nízké úrovně na kolíku 3, když vstupní napětí klesne pod 1,5 voltu.
Pro obvod byl položen plošný spoj, na který bylo zajištěno upevnění k podkladu pomocí stejných dílů z dětské designové sady. O přehřívání desky nemám strach, protože má vynucené chlazení proudem vzduchu vyfukovaným od chladiče.
Musel jsem si pohrát s makrem pouzdra, které obsahovalo mikroobvod, který jsem koupil. Na stránkách obchodu bylo uvedeno, že to bylo v pouzdře SSOP-8. Jak se ukázalo, ve standardní sadě maker Sprint Layout žádný takový případ neexistuje. Našel jsem nákres pouzdra SSOP-8 a udělal makro, po kterém jsem desku nasměroval. Po zkušebním tisku se ukázalo, že mikroobvod je poněkud širší a nevejde se na jeho kontaktní podložky. Vygooglování konkrétního modelu čipu (L6920D) mě přivedlo na web Chip-Dip, kde jsem se dozvěděl, že IC s indexem D se vyrábí v pouzdře TSSOP-8. Poškrábal jsem se na hlavě, našel jsem nákres tohoto pouzdra, vytvořil makro a přeorientoval desku. Nyní se vše ukázalo jako správné.
Deska byla vyrobena pomocí LUT a sestavena. Ukázalo se, že pájení pouzdra TSSOP-8 bez vysoušeče vlasů je velmi nepohodlné. Ale jsme ostřílení lidé, pájeli jsme mikroobvody FTDI s roztečí pinů 0,4 milimetru.
Nyní můžete začít instalovat Peltierův článek a radiátor. Podklad a radiátor jsem v místech styku s prvkem natřel teplovodivou pastou. Výsledný „sendvič“ pak utáhl maticemi.
Ukázalo se, že deska převodníku nesedí, vstupní konektor se opírá o radiátor, mírně jsem se přepočítal. Otočil jsem montážní držáky, zavěsil desku ven a přidal další dva držáky, aby byly prvky chráněny před mechanickým poškozením. Zde je to, čím jsme skončili:
Nyní můžete zkontrolovat funkčnost generátoru. Zahříval jsem to na plynovém hořáku. Ventilátor jsem se rozhodl prozatím neinstalovat.
Pro začátek se ukázalo, že jsem si spletl polaritu připojení prvku k převodníku. I když se vše zdálo být v pořádku – černý vodič je na mínus, červený vodič na kladný. Generátor však nechtěl pracovat. Pak jsem změnil polaritu spoje prvků.
Generátor začal pracovat – nejprve se rozsvítily obě LED, signalizující přítomnost 5 voltů na výstupu a nízké napětí na vstupu, poté zhasla červená LED – napětí stouplo nad jeden a půl voltu.
K mé nelibosti se ukázalo, že bez ventilátoru se po pár minutách provozu systému chladič znatelně zahříval. Takhle to nepůjde.
Druhý den jsem šel po metalovém trhu a několika počítačových bleších trzích, ale když jsem se zeptal na 5voltové fanoušky, všude krčili rameny a radili mi, abych šel „tamhle na to místo“, kde jsem už byl. před pár minutami. V důsledku toho jsem šel domů s prázdnou.
Doma jsem provedl pokus s napájením běžného 12voltového ventilátoru z 5voltového výstupu měniče. Výsledky mě nepotěšily – převodník se zjevnou neochotou vypnul červenou LED a ventilátor na několik sekund slabě cukal a snažil se nastartovat. Proud vzduchu od ventilátoru běžícího na poloviční výkon na běžné chlazení nestačil – stejně rychle se zahřál chladič, i když už mě nepálil na prstech. Nakonec jsem se rozhodl ventilátor objednat z Ebay.
Výsledek
I přes nízkou účinnost Peltierova prvku v generačním režimu jsem přesto získal mezivýsledek – při připojení přenosné baterie s udávaným nabíjecím proudem 1000 mA na výstup měniče byl generátor schopen vyrobit proud cca. 600 mA. Myslím, že tento proud je docela dostačující k nabití většiny gadgetů v podmínkách Velké polární lišky.
Až ventilátor dorazí (Ibay slibuje polovinu března až začátek dubna), zkontroluji chlazení. Navíc budete muset vyzkoušet provoz generátoru v „bojových“ podmínkách – při požáru.
Omlouvám se za kvalitu fotek – nejsem moc fotograf. Odkaz na článek, který mě inspiroval: tis.
