Moduł termoelektryczny jest częścią układu, nie gotową lodówką
Niewielka płytka może pompować ciepło po podaniu prądu albo wytwarzać napięcie, gdy jej powierzchnie mają różne temperatury. Nie oznacza to jednak, że symbol z karty katalogowej przewiduje temperaturę chłodzonego obiektu lub moc dostępną na wyjściu generatora. O wyniku decyduje cały tor: źródło ciepła, interfejsy, moduł, wymienniki, otoczenie, zasilanie lub obciążenie oraz sterowanie.
Ten przewodnik zaczyna od wymagań i pomiaru. Nie wskazuje „najlepszego” modelu ani uniwersalnego prądu. Pokazuje, jak zdefiniować punkt pracy, przeczytać wykres konkretnej części, zbudować prototyp bez mylenia temperatur oraz zakończyć próbę kryterium ustalonym przed uruchomieniem.
Najpierw wybierz tryb przepływu energii
W chłodzeniu Peltiera zasilany moduł przenosi strumień ciepła Qc od zimnej powierzchni do gorącej. Zasilacz dostarcza moc elektryczną Pin. W stanie ustalonym wymiennik gorącej strony musi odebrać w przybliżeniu Qh = Qc + Pin. Jeżeli jego temperatura rośnie, zmienia się punkt pracy modułu i maleje dostępna różnica względem chłodzonego obiektu.
W generacji TEG zewnętrzne źródło utrzymuje gorącą stronę, a odbiornik ciepła — zimną. Różnica temperatur na samym module powoduje napięcie. Po podłączeniu obciążenia płynie prąd, a napięcie i temperatury mogą się zmienić. Napięcie bez obciążenia nie jest mocą użytkową, a temperatura źródła nie jest temperaturą ceramicznej powierzchni.
Jeden element fizyczny nie oznacza jednej specyfikacji
Niektóre chłodziarki TEC mogą generować energię po odwróceniu sposobu pracy, ale nie wolno zakładać, że mają parametry, konstrukcję połączeń i zakres temperatur właściwe dla trwałego TEG. Do generacji używaj danych producenta podanych dla tego trybu oraz respektuj limit słabszej strony układu: modułu, spoin, przewodów, interfejsu i izolacji.
Zdefiniuj obiekt, warunki i mierzalny cel
Zapis „chłodzić do niskiej temperatury” nie wystarcza. Określ, co ma mieć zadaną temperaturę, gdzie znajdzie się czujnik, jaka jest temperatura i wilgotność otoczenia, ile ciepła wytwarza obiekt, jak często otwiera się obudowa oraz w jakim czasie ma nastąpić zmiana. Oddziel stan ustalony od rozruchu: schłodzenie masy wymaga chwilowego odebrania energii, której nie widać w samym bilansie strat.
Dla generatora nazwij źródło ciepła, dopuszczalny sposób jego obciążenia, chłodzenie zimnej strony, odbiornik elektryczny i czas pracy. Jeżeli celem jest energia netto, odejmij pobór wentylatora, pompy, przetwornicy i sterownika. Jeżeli celem jest sprawność, potrzebny jest także wiarygodny pomiar ciepła przechodzącego przez moduł; sam iloraz napięcia i temperatury jej nie wyznacza.
Temperatury muszą mieć adres
Tc i Th z modelu oznaczają temperatury zimnej i gorącej powierzchni modułu w określonych warunkach. Temperatura powietrza, cieczy, radiatora w innym punkcie, płytki pośredniej oraz samego obiektu może być inna z powodu oporu cieplnego i bezwładności. Zapisuj więc nie „temperatura zimna”, lecz na przykład „powierzchnia zimna przy środku interfejsu” lub „obiekt przy czujniku kontrolnym”.
Tak samo ΔT na module nie jest automatycznie różnicą między obiektem a pokojem. Każdy interfejs zużywa część dostępnego spadku temperatury. Celem projektu nie powinno być osiągnięcie katalogowego ΔTmax, lecz utrzymanie wymaganej temperatury obiektu przy rzeczywistym Qc i bez przekroczenia warunków części.
Qmax i ΔTmax opisują różne krańce wykresu
Qmax jest wyznaczane przy zerowej różnicy temperatur na powierzchniach modułu. ΔTmax odpowiada warunkowi bliskiemu zerowemu obciążeniu chłodniczemu. Nie są to dwie cechy dostępne jednocześnie. Punkt roboczy trzeba odczytać z krzywych dla właściwej temperatury strony gorącej, prądu i wymaganych Qc oraz ΔT.
Moc elektryczna VI także nie jest mocą chłodniczą. Współczynnik COP dla chłodzenia to Qc/Pin w określonym punkcie; zmienia się z temperaturami i prądem. Praca przy wartości maksymalnej z etykiety nie musi zapewniać najlepszego wyniku, a dodatkowe ciepło Joule’a zwiększa zadanie radiatora.
Integracja rozstrzyga o wyniku
Powierzchnie powinny być czyste, płaskie i równoległe w granicach wymaganych przez producenta. Materiał interfejsowy ma wypełnić nierówności, a nie stworzyć grubą warstwę. Docisk musi być równomierny i zgodny z kartą; ceramika dobrze znosi ściskanie, lecz jest wrażliwsza na ścinanie i nierówny montaż. Moduł nie powinien przenosić obciążeń konstrukcyjnych.
Przy chłodzeniu poniżej punktu rosy trzeba kontrolować wilgoć na zimnych powierzchniach oraz możliwość jej migracji do połączeń. Izolacja, uszczelnienie, prowadzenie przewodów i odpływ muszą wynikać z geometrii urządzenia. Sterowanie powinno obserwować przynajmniej temperaturę regulowaną i stan strony gorącej; utrata wentylatora lub przepływu nie może pozostać bez reakcji.
Test ma potwierdzić wymaganie, nie tylko uruchomienie
Przed włączeniem zdefiniuj wielkość mierzoną, położenie czujników, warunki otoczenia, sekwencję obciążeń, kryterium stanu ustalonego i limit przerwania. Rejestruj czas, Tc, Th, temperaturę obiektu, napięcie, prąd, wilgotność oraz stan wentylatora lub przepływu. Dla TEG dodaj obciążenie i moc na jego zaciskach; dla chłodzenia — znane obciążenie cieplne albo jasno opisaną metodę jego oszacowania.
Wynik bez informacji o czujniku, miejscu i niepewności nie nadaje się do porównania. Powtórzenie w tych samych warunkach pokazuje rozrzut, a zmiana jednego czynnika ujawnia zależność. Prototyp przechodzi test dopiero wtedy, gdy spełnia wymaganie wraz z marginesem wynikającym z niepewności i zmienności, a nie dlatego, że przez chwilę pokazał najniższą temperaturę.