Wspólnie projektujemy: Wykorzystanie modułu Peltiera

Moduły Peltiera to tajemnicze elementy, których działanie budzi ciekawość. Można je wykorzystać do rozmaitych celów – i do chłodzenia, i do grzania. Nie jest to wcale trudne. Świadczy o tym choćby projekt okładkowy tego numeru (ZE 10/2023), prezentujący prostą i tanią komorę termiczną.

W numerze ZE 7/2023 postawione było zadanie konkursowe YK006: Zaproponuj sposób wykorzystania modułu lub modułów Peltiera, ewentualnie zaproponuj schemat układu zawierającego moduł Peltiera.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do końca lipca 2023 roku. Oto dalsze informacje na temat tego zadania.

Moduły Peltiera można nabyć w przystępnych cenach, a ich wykorzystanie nie jest wcale trudne – może się tego podjąć każdy, kto choćby z grubsza rozumie kwestie podstawowe. Ich możliwości były przedstawione w artykule Moduł Peltiera w praktyce, a szereg informacji technicznych można znaleźć w artykule Moduły Peltiera: podstawowe właściwości. Elementy te są też opisane w artykule Moduły Peltiera: Chłodnice i zestawy.

Moduł Peltiera to zaskakująco prosta pompa ciepła, która podczas przepływu prądu pompuje ciepło z jednej strony modułu na drugą. Działanie jest odwracalne, czyli kierunek pompowania ciepła zależy od kierunku prądu płynącego przez moduł.

Warunkiem prawidłowego działania jest skuteczne odbierania ciepła ze strony gorącej modułu. Realizuje się to za pomocą radiatorów lub (lepiej, ale trudniej) chłodnic wodnych. W praktyce możliwości modułu wyznacza właśnie radiator pracujący na stronie gorącej – czym większy i skuteczniejszy, tym lepiej, bo można uzyskać większą różnicę temperatur między stronami modułu.

Najpopularniejsze moduły mają standardowe rozmiary 40 × 40 mm i grubość około 4…5 mm. Są to wersje nominalnie 12-woltowe i różnią się maksymalnym prądem pracy. Najpopularniejsze są moduły 6-amperowe, oznaczone TEC1-12706, które nominalnie przy zasilaniu napięciem stałym 12 V powinny pobierać 6 amperów prądu. To są jednak wartości maksymalne, ale na pewno nie optymalne. W praktyce napięcie zasilające i prąd powinny być znacznie mniejsze. Nie można podać konkretnej wartości napięcia i prądu, przy których moduł osiąga najlepsze parametry, czyli największą różnicę temperatur między stroną zimną i gorącą, ponieważ zależy to od kilku czynników, a przede wszystkim od skuteczności radiatora podbierającego ciepło na stronie gorącej i rozpraszającego je do otoczenia. Prostej recepty obliczeniowej nie ma, ale można to łatwo określić eksperymentalnie.

Naprawdę warto spróbować! Tym bardziej, że możliwości są bardzo szerokie.

Rozwiązania rozrywkowe i edukacyjne

Moduły Peltiera budzą ciekawość i warto prezentować ich działanie młodym i starszym. Aktualnie pracuję nad kursem Fascynujące przemiany energii i jednym z ćwiczeń będą właśnie testy modułu Peltiera. Najprostsze testy, pokazujące zdolność pompowania ciepła, chłodzenia, ale także możliwość wytwarzania energii. Jeśli ktoś chodzi do szkoły, może zaproponować, a może też zaprojektować i zbudować, bardzo proste lub bardziej rozbudowane stanowisko demonstracyjne. Takie stanowisko pokazywałoby działanie i możliwości modułu Peltiera, w szczególności zdolność chłodzenia. A może też pozwalałoby poznać i zbadać ograniczenia.

Rozwiązania „zoologiczne”

Nie mam doświadczenia w kwestii wykorzystania modułu do chłodzenia akwarium, terrarium lub innej przestrzeni przeznaczonej dla zwierząt, które wymagają temperatur niższych niż występujące u nas latem.

Zależnie od potrzeb i zależnie od izolacji cieplnej chłodzonej przestrzeni, może to wymagać zastosowania kilku modułów. Jeśli izolacja cieplna względem otoczenia będzie bardzo słaba, czyli gdy ciepło lub jak kto woli zimno, będzie łatwo uciekać, uzyskanie satysfakcjonujących efektów może być trudne. Druga kwestia to rozważenie, czy taki system musiałby mieć rezerwowe zasilanie na czas ewentualnego zaniku napięcia sieci energetycznej.

Chłodziarka i komora termiczna

Najczęściej moduły Peltiera są wykorzystywane w lodówkach, czy raczej chłodziarkach turystycznych. Teoretycznie, w dobrych warunkach, za pomocą jednego można uzyskać temperaturę strony zimnej modułu Peltiera bliską –40 stopni Celsjusza, ale z kilku powodów we wnętrzu chłodziarki bardzo trudno uzyskać temperaturę poniżej zera. W grę wchodzi kilka poważnych ograniczeń.

Nie warto podejmować samodzielnych prób budowy turystycznej chłodziarki, ale można i warto przeprowadzić praktyczne próby na przykład z chłodziarką do piwa czy innych napojów.

Ostrzegam: lepiej nie nastawiać się na spektakularne rezultaty, a raczej na zbadanie realnych możliwości i ograniczeń. Oczywiście najlepsze parametry można byłoby uzyskać przy chłodzeniu wodnym (wodą z kranu lub większego zasobnika zimnej wody), ale byłoby to kłopotliwe. Na szczęście chłodzenie za pomocą radiatora z wentylatorem też daje dobre rezultaty, co wykazałem w swoim projekcie.

Dla elektronika moduł Peltiera stwarza bardzo atrakcyjną możliwość zbudowania niedużej, ale w pełni użytecznej komory termicznej. To jest naprawdę cenne wyposażenie pracowni każdego nieco bardziej zaawansowanego elektronika, bowiem pozwoli badać wpływ temperatury na elementy i układy elektroniczne.

Projekt okładkowy tego numeru pokazuje, że konstrukcja komory termicznej może być bardzo prosta i bardzo tania. Moja wersja z powodzeniem wykorzystuje jeden popularny moduł z wentylatorami na obu stronach. Znacznie niższą temperaturę można uzyskać, stosując dwa lub cztery moduły Peltiera.

Elektronicy niesłusznie uważają, że budowa komory termicznej jest zbyt kosztowna i zbyt trudna. Nawet gdyby do budowy wersji pozwalającej uzyskać temperatury poniżej zera potrzebne okazało się wykorzystanie
nie jednego, tylko dwóch lub czterech modułów, to i tak koszty budowy takiej komory okażą się zaskakująco niskie w stosunku do uzyskanych parametrów.

W najprostszym przypadku nie potrzeba elektronicznego regulatora: moc grzania czy chłodzenia można zmieniać za pomocą regulowanego zasilacza o odpowiedniej wydajności prądowej, ale regulator byłby bardzo pożądany. Dlatego temat będziemy kontynuować w następnym zadaniu konkursowym YK009, które dotyczy kontroli i regulacji temperatury wewnątrz komory. Szczegóły na następnej stronie.

A na razie w artykule okładkowym pokazuję, że koszt materiałów użytecznej komory termicznej może być niższy niż 100 złotych. Regulator też może być tani.

Zachęcam do praktycznego zainteresowania się tematem nie tylko chłodziarki do piwa, ale też komory termicznej, która może przecież służyć nie tylko do testowania układów elektronicznych, ale też do różnych innych celów!

Ja na razie wykonałem prostą komorę z wykorzystaniem aluminiowego garnka kuchennego. Wyniki są nadspodziewanie dobre! Dlatego przymierzam się już do następnego prostego i taniego projektu.

Otóż zakupiłem już popularne obudowy typu Hammond i planuję sprawdzić, na ile skutecznie można z ich pomocą wykonać termostat. Fotografia 1 pokazuje zarys koncepcji. Nieprzypadkowo tym razem do kontroli temperatury wnętrza małej obudowy chcę zastosować aż dwa moduły TEC1-12706. To ma być termostat do testów, a jak dobrze pójdzie, to także dla finalnych wersji precyzyjnych układów pomiarowych, którymi będziemy się zajmować na łamach ZE.

Piotr Górecki