Източниците на електрическа енергия са многобройни и навсякъде. Способността на слънчевите, механичните, топлинните частици да генерират електричество чрез извършване на работа е един чудесен пример за удивителните свойства на Вселената, които често се простират далеч отвъд нашите представи.
Днес от ELX.bg сме избрали да разкажем за един изключително интересен преобразувател, който използва ток, за да създава температурни разлики в различните си части. При определени условия има свойството да проявява и обратния ефект, а именно да превръща топлинната енергия в електрическа. Както сигурно вече се досещате, става дума за елементът на Пелтие.
Какво представлява елементът на Пелтие?
Означава се още с абревиатурата TEC или “Thermoelectric cooler”, произхождаща от охладителните му свойства, на които предимно дължи широката си популярност. Представлява устройство, което има две части с различна температура: едната от тях е гореща, а другата - студена.
При протичане на непрекъснат прав ток в системата чрез два различни типа проводници се осъществява пренос на топлинна енергия от “студената” към “горещата” зона, което превръща приспособлението в своеобразен терморегулатор.
Как и кога е открит елементът (ефектът) на Пелтие?
Елементът носи името на откривателя на това термоелектрическо явление Жан-Шарл Пелтие. Физичният ефект, който френският учен доказва научно, може да бъде отнесен към 1851 г. и е един от основополагащите в термоелектрическата теория. Изразява се в способността на електрическата енергия, преминаваща през два различни типа проводници или полупроводници, които респективно приемат или отдават топлина, да придобие терморегулаторни свойства.
Първите стъпки в исторически план са на италианеца Алесандро Волта през далечната 1794 г., който открива електрическия потенциал с помощта на метален кол с различни температури в двата края, който предизвиква физиологически ефект в мускулите на жаба. Днес знаем, че това се дължи на генерираната електрическа енергия.
Теорията е надградена от Томас Зеебек през 1822 г., който установява, че температурната разлика между два метални проводника генерира електричество, което може да накара стрелката на компас да се движи. Това откритие, макар и противоположно по своя характер, е тясно свързано с това на Пелтие.
Ако двата типа характеристики бъдат съчетани, елементът на Пелтие също може да прояви качества на генератор на електрическа енергия. Днес наричаме това комбинирано устройство, въпащаващо свойствата и на двата термоелектрически ефекта, елемент на Пелтие-Зеебек.
Допълващ идеята на Пелтие-Зеебек е и откритието на англичанина Уилям Томсън, който установява, че проводник с температурна разлика между две точки би отдавал или поглъщал топлина в зависимост от материала, от който е изработен. Идеята се вписва перфектно в контекста на предходните и има безценен принос във формирането на съвременните ни представи в тази област.
Въпреки че основните термоелектрически принципи се откриват толкова назад във времето, то за дълъг период от време остават на заден план. Повторно излизат на дневен ред едва в началото на XX век, когато се оказва, че могат да намерят приложение в различни военни разработки, както и в битови уреди като хладилници и двигатели.
Как е устроен и как функционира елементът на Пелтие?
Основните градивни компоненти на едно традиционно устройство са следните:
- Две изолаторни пластини, формиращи плоча;
- Два различни типа проводник или полупроводник p и n, наричани термодвойки, разположени между пластините;
- Захранващи кабели, свързани към нагорещената страна на устройството;
- Шини, керамични пластини и различни електропроводими елементи.
За да заработи системата, трябва да се подсигури непрекъснатото захранване с прав ток, на базата на който да се генерира топлинна енергия. В съответствие с откритието на Томсън, двата различни проводника или полупроводника подсигуряват отнемането на топлината от студената страна и насочването ѝ към топлата. За да се реализира процесът по правилен начин, те трябва да са с възможно по-контрастна електронна плътност и в подходяща форма.
Интересно е да се отбележи, че поляритетът на устройството може да се променя, като това би довело и до обръщане на двете части с различна температура. Големината на тока, който се прилага към системата, от своя страна е правопропорционална на равнището на топлината или студа.
Какви приложения намира елементът на Пелтие?
Въпреки сложното наименование, елементът на Пелтие влиза в устройството на доста ежедневни предмети като хладилни чанти, специализирани витрини и диспенсъри за вода. Не бива да се пренебрегва и употребата му в по-индустриалните сфери от живота, особено когато е комбиниран функционално с допълващия го ефект на Зеебек.
В промишлен смисъл може да се използва в сферата на металургията, спектроскопията и полупроводниковата литография. Други негови функции са свързани с охлаждане на диодни лазери, мощни процесори, компютърни системи или литиево-йонни акумулатори на електромобили, изчистване на образа при уреди за нощно виждане, както и много други.
Въпреки че може както да отоплява, така и да охлажда, което категоризира процеса като обратим, елементът на Пелтие е далеч по-популярен със способността си да редуцира температурата. Това са и качествата, които изграждат масовата представа за употребата му.
Както споменахме, при принудително нагряване елементът на Пелтие придобива характеристики на този на Зеебек, изразяващи се в свойството да превръща термичната енергия, породена от разликата в температурите, в електрическа. Това го прави относително подходящ за изграждане на специфични генератори, които обаче не са особено мощни и не са най-ефективният възможен вариант.
Какви са предимствата и недостатъците на елемента на Пелтие?
Предимствата на устройствата от такъв тип са свързани с малките им размери, както и със способността както да загряват, така и да охлаждат в зависимост от конкретните цели, които трябва да бъдат постигнати. Нивото на топлина или студ може да се контролира през равнището на тока, подаден към системата. В допълнение, липсват и движещи се части, което редуцира влиянието на фактори като износване, замърсяване и нужда от специална поддръжка. Не са необхосими и охлаждащи вещества като амоняк или серен диоксид, които нанасят поражения върху околната среда.
Като недостатъци на елементите може да се посочи вече споменатият нисък коефициент на полезност, необходимостта от постоянен източник на ток, както и високата консумация на мощност.
Можем смело да заключим, че елементът на Пелтие е термоелектрическа система, която, въпреки че бива открита преди близо два века, намира своето достойно приложение и към днешна дата. Принципът му на действие е относително опростен, но незаменимите му двупосочни терморегулаторни качества го правят предпочитана опция и в съвременността за приспособления от хладилни чанти до фини лазерни устройства.