Meranie elektrických veličín a návrh využitia peltierovho článku v zabezpečovacej technike

Andrej Veľas, Ing. PhD.

Katedra bezpečnostného manažmentu
Fakulta špeciálneho inžinierstva ŽU v Žiline
Ul. 1. mája 32
01026 Žilina

 tel.: 00421 41513 6665
mail: Andrej.Velas@fsi.uniza.sk

Rudolf Štefánka
Katedra bezpečnostného manažmentu
Fakulta špeciálneho inžinierstva ŽU v Žiline
Ul. 1. mája 32
01026 Žilina

mail: r.stefanka@gmail.com

Abstrakt

Peltierov článok patrí kzdrojom energie, ktoré dokážu vyrábať elektrickú energiu zodpadového tepla, anaopak, dokážu teplo pri dodaní elektrickej energie produkovať. Vsúčasnej dobe sa vzabezpečovacej technike nevyužívajú. Cieľom článku je popísať možnosti využitia Peltierových článkov vzabezpečovacej technike.

Abstract

Peltier article is a source of electricity that can produce electricity from waste heat, and vice versa, can supply heat to produce electricity. The aim of the article is to describe the possibility of using Peltier modules in security technology.

Kľúčové slová: Seebeckov jav, Peltierov jav, termoelektrická premena, zabezpečovacie systémy

Key words: Seebeck effect, Peltier effect, thermoelectric conversion, property protection systems

Úvod

Peltierov článok je elektronická súčiastka, ktorá má zaujímavú vlastnosť, po privedení jednosmerného napätia na jeho póly, sa začne jedna jeho strana zahrievať adruhá naopak ochladzovať (Peltierov jav), alebo opačne, pri ohriatí jednej plochy aschladení druhej, vzniká na póloch elektrický prúd (Seebeckov jav).

 

Obrázok 1 Konštrukcia Peltierovho článku

Teoreticky je možné efekt Peltierovho článku vysvetliť takto: elektróny zrýchľujú  alebo spomaľujú pod vplyvom rozdielu potenciálov. Vjednej časti článku kinetická energia elektrónov rastie a pritom sa premení na teplo. Vdruhej časti kinetická energia klesá spoločne steplotou.

Obrázok 2 Peltierov článok

Peltierove články sa vyrábajú v rôznych veľkostiach a parametroch:

• rozmery - štvorec, alebo obdĺžnik 10 x 10 až 60 x 60 mm, hrúbka približne 3 až 6 mm,
•  maximálny chladiaci výkon - desatiny wattu až stovky wattov,
•  maximálny rozdiel teplôt 60 až 110 °C,
•  cena - desiatky až stovky eur.

Výhody anevýhody Peltierovho článku sú uvedené na nasledujúcom obrázku:

Obrázok 3  Výhody anevýhody Peltierovho článku

Využitie Peltierových článkov v praxi

Jednou zaplikácií, vktorých je možné sa stretnúť spoužitím Peltierovho článku na našom trhu sú odvlhčovače. Ich konštrukcia je pomerne jednoduchá a základom je Peltierov článok na ktorom sú zobidvoch strán osadené hliníkové pasívne chladiče. Ventilátorom je privádzaný okolitý vzduch na rebrovanie chladiča, ktorý sa účinkom Peltierovho článku ochladzuje. Vzduch sa ochladí ana povrchu chladiča dochádza kvyzrážaniu vlhkosti obsiahnutej vo vzduchu. Táto vyzrážaná voda sa odvedie do nádržky. Ďalej prechádza ochladený avysušený vzduch cez chladič,  ktorý je druhou stranou Peltierovho článku ohriaty. Vzduch sa ohreje na izbovú teplotu anásledne je privádzaný späť do miestnosti.

Návrh využitia Peltierových článkov vkamerovej technike

Podobný princíp je možné použiť v krytoch bezpečnostných kamier určených do vonkajšieho prostredia. Kamerový kryt je zariadenie, ktoré má slúžiť ako ochrana kamery aobjektívu, prípadne ďalšej elektroniky pred poveternostnými vplyvmi alebo prachom. Vonkajšie kamerové kryty slúžia na ochranu hlavne pred poveternostnými vplyvmi, sú vybavené vyhrievaním aslnečnou strieškou. Vonkajšie kamerové kryty sa používajú vprevádzkových teplotách od -20 °C až do +50 °C. Práve pri používaní vnižších teplotách vzniká teplotný rozdiel medzi vnútorným priestorom kamery, vktorom je produkované teplo elektronickými súčiastkami kamery avonkajším chladným prostredím. Na prednom skle krytu kamery ktorého teplota je nižšia ako teplota vzduchu vo vnútri kamery sa začne kondenzovať voda. Kamery sú vybavené vnútorným ohrevom umiestneným vprednej časti kamery, ktorý zabráni kondenzovaniu vody pri zlých poveternostných podmienkach. Ohriatím predného skla krytu kamery sa zahmlievanie eliminuje, zrazená vodná para sa odparí akďalšiemu zaroseniu nedochádza. Chla­de­nie veľkého množstva tepla, ktoré produkuje elektronika kamery zabez­pe­ču­je ven­ti­lá­tor umiestnený vzadnej časti krytu kamery. Kryt kamery ďalej zabezpečuje krytie kamery, ktoré sa označuje ako ochrana IP. Oz­na­če­nie IP sa skla­dá z dvoch čí­sel: v roz­me­dzí od 0 do 6 pri de­fi­no­va­ní od­ol­nos­ti pro­ti pra­chu a v roz­me­dzí 0 až 8 pri od­ol­nos­ti pro­ti kva­pa­li­ne.

Samotný návrh spočíva vnahradení vyhrievacieho telesa vnútorného ohrevu bezpečnostnej kamery Peltierovým článkom ako je to znázornené na nasledujúcom obrázku.

Obrázok 4 Návrh umiestnenia Peltierovho článku v kryte bezpečnostnej kamery 

Peltierov článok je možné zapojiť tak, že jeho vrchná strana by sa zohrievala pre ohrev kamery aspodná ochladzovala pre kondenzáciu vlhkosti. Výkon zariadenia vnútorného ohrevu sa pohybuje okolo 20 W aje napájané 12 voltmi jednosmerného elektrického napätia. Peltierov článok pracuje srovnakým napätím as podobnými výkonmi, čiže by neboli potrebné ďalšie obvody vnapájacej časti. Pri pripojení Peltierovho článku na zdroj napätia sa na jeho chladnej strane po malom čase začnú objavovať kvapôčky vody. Tu odpadá potreba opatriť Peltierov článok hliníkovými chladičmi ako je tomu pri vyššie spomínaných odvlhčovačoch ato aj vzhľadom kmalému objemu priestoru v kryte kamery. Zaobstarávania cena Peltierovho článku je porovnateľná resp. nižšia ako cena použitého vyhrievacieho telesa. Princíp činnosti by bol potom nasledovný: Riadiace obvody by po vyhodnotení snímaných údajov zteploty okolia zapli vnútorné vyhrievanie kamery. Vrchná strana Peltierovho článku by začala produkovať teplo, ktoré by ohrialo predného sklo krytu kamery. Vytvorením rosného bodu na spodnej strane anáslednej kondenzácie by poklesla vnútorná vlhkosť vkryte kamery, čím by sa odstránila primárna príčina zahmlievania predného skla krytu kamery, ktorou je vnútorná vlhkosť. Keď vnútorná vlhkosť poklesne pod určitú hranicu zahmlievanie nebude môcť vzniknúť. Zariadenie vnútorného ohrevu je automaticky regulované na základe informácií zo snímača teploty. Ovlá­da­nie tohto pr­vku je v dr­vi­vej väč­ši­ne prí­pa­dov pre bež­né­ho pou­ží­va­te­ľa ne­prís­tup­né. Pri tomto návrhu by bolo potrebné doplniť zariadenie osnímač vnútornej vlhkosti. Riadiace obvody by vyhodnocovali údaje zo snímača teploty ako aj zo snímača vnútornej vlhkosti. Riadiace obvody by boli nastavené na experimentálne zistené hodnoty teploty avlhkosti pri ktorých začne dochádzať k zahmlievaniu predného skla krytu kamery.

Pri tomto návrhu však vystáva otázka ako odviesť vytvorený kondenzát zkrytu kamery aby sa nenarušilo IP krytie kamery. Pre tento účel je možné prispôsobiť spodnú časť krytu kamery vktorej by bol vytvorený kanálik na odvod skondenzovanej vody. Na konci kanálika je potrebná membrána, pre udržanie požadovanej IP ochranu. Vzniknuté množstvo skondenzovanej vody vtakom priestore ako je kryt bezpečnostnej kamery by mohlo predstavovať objem do jedného mililitra vody.

Výhody použitia Peltierovho článku vkryte bezpečnostnej kamery:

•  zníži sa teplota zapnutia ohrevu,
• skráti sa čas napájania ohrevu atým aj spotreba elektrickej energie,
• životnosť zariadenia sa predlžuje vprostredí snižšou relatívnou vlhkosťou,
• zníži sa potreba zopínania ventilátora na chladenie vzniknutého tepla,
•  životnosť Peltierovho článku (prakticky neobmedzená).

Nevýhody použitia Peltierovho článku vkryte bezpečnostnej kamery:

•  potreba dodatočného snímania vlhkosti apríslušných riadiacich obvodov,
• problém sodvodom kondenzovanej vody zkrytu kamery.

Podobný systém zníženia vlhkosti je principiálne možné aplikovať aj do iných prvkov zabezpečovacej techniky používanej vo vonkajšom prostredí (napr. vpasívnych infračervených detektoroch pohybu, vmikrovlnných detektor pohybu a pod.)

Meranie základných elektrických veličín Peltierovho článku

Pre zaujímavosť na záver uvedieme výsledky meraní Peltierových článkov typu TEC1-12708 (termoelektrický chladiaci článok), ktorý je na slovenskom trhu najdostupnejší. Cena tohto Peltierovho článku sa na slovenskom trhu pohybuje do 7 €. Jeho rozmery sú 40 x 40 x 3,5 mm a váži 23 g. Zaťažený môže byť maximálnym prúdom Imax 8,5 A a napätím Umax 15,4 V, pričom jeho maximálny výkon je Pmax 68,8 W.

Pri meraní bolo potrebné dbať na to, aby teplo privádzané na jednu stranu článku, neohrievalo druhú stranu článku. Tento problém bol vyriešený inštaláciou chladičov zoboch strán článku aumiestnením článku do vertikálnej polohy. Nákres je zobrazený na nasledujúcom obrázku:

Obrázok 5 Znázornenie rozloženia komponentov pri meraní elektrických veličín Peltierovho článku

Merania boli realizované autormi pri spracovaní podkladov do diplomovej práce snázvom „Využitie Peltierovho článku vzabezpečovacej technike“, pričom výsledky boli zaznamenané datalogerom ALMEMO 2690-8KL od firmy Ahlborn amultimetrom UT70A.

Vimprovizovaných podmienkach sa nám podarilo dosiahnuť teplotnú diferenciu medzi dvoma plochami článku približne 70° Celzia. Zaujímalo nás, aké napätie, prúd avýkon pri záťaži dokáže vyprodukovať Peltierov článok, ktorý sme mali dispozícii. 

Obrázok 6 Závislosť výstupného napätia od teplotnej diferencie (naprázdno [7]

Obrázok 7 Závislosť výstupného prúdu od teplotnej diferencie (naprázdno) [7]

Obrázok 8 Závislosť elektrického výkonu od teplotnej diferencie [7]

Zgrafov na Obrázkoch 6 a 7 je zrejmé, že pri raste teplotnej diferencie na plochách článku exponenciálne rastie napätie i prúd. Vprípade využitia Peltierovho článku vkryte kamery pri dodaní napätia približne 2,5 V vznikne teplotná diferencia blížiaca sa 70° Celzia, čo postačuje na vyhrievanie krytu kamery.

Záver

Návrh využitia Peltierovho článku v režime termoelektrického chladiča je inovatívnou snahou zlepšenia vlastností krytu bezpečnostných kamier. Návrh je finančne nenáročný a poskytuje viacero výhod oproti bežnému riešeniu. Tento návrh je principiálne možné aplikovať aj do iných prvkov zabezpečovacej techniky používanej vo vonkajšom prostredí.

Na základe výsledkov meraní je možné uvažovať operspektívnom využití Peltierových článkov na napájanie prvkov zabezpečovacej techniky vpriestoroch, kde vzniká odpadové teplo (automobily, domácnosti apod.), ako aj na ohrev, či chladenie komponentov zabezpečovacej techniky pri napájaní nízkym napätím. Vprípade, že by bol Peltierov článok používaný na výrobu elektrickej energie, odporúčame použitie TEG článkov (termoelektrické generátory – zdokonalený Peltierov článok).

Vsúčasnosti na chladenie avýrobu elektrickej energie existujú lacnejšie aúčinnejšie alternatívy, preto sa jedná o čistoteoretické využitie.

Literatúra

[1] GOLAB, F. - KAMENČÁK, F.: Termoelektrické jevy a jejich užití. Praha: SPNKL, 1975. 86 s. ISBN 14-655-75.

[2] NAVRÁTIL, J.: Termoelektrické materiály [on line]. Univerzita Pardubice, 2010. [cit. 16.2.2011]. Dostupné na: http://www.upce.cz/fcht/index.html.

[3] GROMOV, G.: Thermoelectric cooling modules [on line]. RMT, 2007. [cit. 16.2.2011]. Dostupné na: http://www.rmtltd.ru/articles/Thermoelectric%20Cooling%20Modules.pdf.

[4] Circuit Specialists. [cit. 17.2.2011] Dostupné na: http://www.circuitspecialists.com/prod.itml/icOid/8138

[5] VEĽAS, A.: Elektrické zabezpečovacie systémy. Žilina: EDIS – vydavateľstvo ŽU, 2010. ISBN 978-80-554-0224-6.

[6] PELTIER COOLERS. [cit. 13..2012] Dostupné na: http://ixbtlabs.com/articles/peltiercoolers/

[7] ŠTEFÁNKA, R.: Využitie Peltierovho článku vzabezpečovacej technike. Diplomová práca. Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU vŽiline, 2011.