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4.4.4 Peltier-Elemente erkunden

Erstellt ab Januar 2008

Eines Tages saß ich so da und guckte aus dem Fenster. Da lugte die Sonne nach einiger Zeit durch die trüben Wolken und ich war schon drauf und dran, mal nach draußen zu gehen und mal "zu gucken, ob keiner guckt".

Aber schon gleich danach verschwand die Sonne auch wieder und es wurde ein trüber, regnerischer und matschiger Sommertag.

Da sinnierte ich so vor mich hin und überlegte einmal, wie man wohl eine thermische Solaranlage mit Hilfe von weiterer Technik zu einem höheren Ertrag bringen könnte. Naja, man könnte die thermischen Kollektoren mit photovoltaischen Solarzellen erweitern.

Hmmm... Dann hätte man zusätzlich Strom für irgend etwas zur Verfügung, wenn die Sonne scheint.

Da schoss es mir durch den Kopf, dass es ja auch Peltier-Elemente gibt.

(Gesprochen: "Pelltjeeh-Elemente")

Eigentlich eine interessante Sache. Ich versuchte also, als erste Aktion dieser Art, einmal etwas Anderes:

Ich schrieb zwei Firmen an, die Peltier-Elemente führen und bat diese Firmen, mich und meine Seiten "Strippenstrolch" zu unterstützen.

Ich schickte die zwei Emails ab und wartete. Die eine Firma meldete sich gar nicht und bei der anderen Firma bat man mich um Geduld,  weil die entsprechenden Ingenieure, die sich dieses Themas annahmen,  in den Sommerurlaub starten wollten.

Naja, also gut, wartete ich weiter und nach etlichen Wochen vergaß ich das Projekt und vergaß auch die Emails, die ich schrieb.

Aber eines Tages flatterte mir ein Briefcouvert in den Briefkasten:


"Nanu ?", dachte ich, "Ich habe doch gar nichts bestellt ?" und dann gleich eine fetter roter Umschlag mit der Rechnung dran ?".

Zunächst öffnete ich recht verdrießlich den Umschlag. Und schaute einmal hinein.

Im selben Moment erhellte sich meine Stimmung, denn in dem Umschlag lagen zwei Peltier-Elemente und Datenblätter dazu.

Sogar so, wie ich meinen Wunsch geäußert hatte:
-Für den Seebeck-Effekt geeignet.
-Für 200 Grad Celsius ausgelegt.


(Gesprochen: Ssiebeck-Effekt)

"Donnerwetter", dachte ich, "das ist ja toll". Und dann guckte ich, was der Spaß kosten sollte und war total überrascht, dass es wirklich eine Spende der Firma Eureca war, die ich angemailt hatte (siehe ganz unten...).

Toll ! Super ! Prima ! - Dankeschön - :-) :-)

So hatte ich nun zwei tolle Peltierelemente feinster Bauart, denn ich bemerkte sehr wohl, dass diese Elemente an den Kanten gegen Feuchtigkeit versiegelt waren, was man bei anderen Elementen oft vermisst:


Also würde ich mal sagen:

"Liebe Leser, lasst uns mal diese Elemente einfach untersuchen und später mal versuchen, ein Element als Wärmepumpe für eine kleine thermische Solarplatte zu verwenden."

Also los, frisch ans Werk !

Aus dem Elementen gucken zwei Kabel heraus, ein schwarzes und ein rotes. Da kann man eine Gleichspannung anschließen. Das Element wird dann auf der einen Seite warm (heiß) und auf der anderen Seite kalt (friert).

Das wäre dann der Peltier-Effekt.

Wenn man das Element allerdings von außen auf der einen Seite kühlt und auf der anderen Seite erwärmt, so gibt es einen elektrischen Strom ab, wenn der Stromkreis geschlossen wird.

Das wäre dann der Seebeck-Effekt.

Beides probieren wir dann auch gleich mal "trocken" aus, ich habe sogar einen Thermofühler für eines meiner Messgeräte, so dass wir das einmal schön betrachten können.

Weil es vom Versuchsaufbau einfacher ist, beginnen wir mal mit dem ein wenig bekannteren  Peltier-Effekt, der zum Beispiel auch in diesen KFZ-Kühltaschen aus dem Baumarkt angewendet wird.

In diesen Kühltaschen befindet sich ein Peltierelement für eine ungefähre Leistung von 50-60 Watt bei 12 Volt. Es wird also einfach 12 Volt aus dem KFZ angeklemmt und es beginnen so etwa "PI mal DAUMEN" 5 Ampere Gleichstrom zu fließen.

Daraufhin wird das Peltierelement an der Innenseite der Kühlbox kalt und im hohlen Deckel befindet sich ein großer Kühlkörper der von dem Peltierelement aufgewärmt wird. Dieser Külkörper wird dann meistens noch von einem Lüfter "angepustet", damit die Wärme schnell und gut abgeführt werden kann. Manchmal befindet sich im Inneren der Kühlbox ein zweiter Kühlkörper, der ebenfalls von einem Lüfter "bedient" wird, um die in der Kühlbox verbleibende Wärme besser auf das Peltierelement zu leiten.

Das Peltieremelent macht also nichts weiter, als die Wärme von der Innenseite der Kühlbox auf die Außenseite zu "pumpen". Also kann man ruhigen Gwissens von einer einfachen Art "Wärmepumpe" sprechen. Natürlich kann die Wärme nicht wieder zurück in die Kühlbox, denn diese ist ja gut isoliert. Also wird es in der Box immer kälter, so kalt, wie es eben die oben genannten 50 - 60 Watt hergeben.

Man kann auch beobachten, dass es in der Box tatsächlich friert, wenn man die Kühlbox in einer kühlen Spätsommernacht draußen stehen lässt und in Betrieb setzt. Das Peltierelement kann also immer nur eine "Delta-Temperatur" auf seinen Platten herstellen. Je heißer die Außenseite der Kühlbox ist, desto wärmer wird es auch innerhalb der Box bleiben.

Ist ja klar, das Element "pumpt" ja nur mit einer gewissen Leistung (Wattzahl)".

Aber ich sehe schon, es ist wieder mal Zeit für eine erklärende Grafik. Hier also einmal solche eine Kühlbox als Funktionsprinzip:



Man beachte hierbei, dass die beiden blau eingezeichenten Kühlkörper direkt wärmeleitend auf das Peltierelement gebaut sind, denn sonst kann ja die Wärme nicht transportiert werden. Zwischen Deckel und "Kühlraum" muss dann allerdings eine Isolierung sein, sonst "pufft" die Wärme ja wieder zurück. Diese Isolierung vernünftig zu gestalten machen viele Hersteller von billigen KFZ-Kühlboxen schlichtweg falsch und zu billig, weshalb man dann auch sehr leicht von der Wirkung der Kühlbox enttäuscht ist.

Aber leider kann man da als Käufer nicht viel dran sehen, denn man kann die Kühlbox ja nicht erstmal im Laden oder Baumarkt zerlegen und die Ausführung der Isolierung begutachten. Oft kauft man also "die Katze im Sack" und erfährt dann manchmal sehr schnell, warum die Kühlbox solch ein wahres Schnäppchen war ...

Aber weiter:

Der untere Kühlkörper erwärmt sich also durch die Restwärme (lila) des Kühlgutes in der Box. Das Peltierelement (rot) "pumpt" diese Wärme auf seine andere Platte (gelber Pfeil) und erwärmt somit den oberen Kühlkörper (blau), während die untere Platte des Elementes kalt wird. Der obere erwärmte Kühlkörper wird dann ganz simpel durch einen einfachen PC-Lüfter ( oder oft auch leider durch ein Plastik-billig-Luftrad minderer Leistung ) mit der Außenluft gekühlt,  so dass der Kühlkörper wieder neue  Wärme aus der oberen Platte des Peltierelements aufnehmen kann.

Je kälter die Außenluft (blauer Pfeil), desto kälter kann es auch in der Box werden. Also darf man bei solchen Boxen keine Wunder erwarten, wenn sie in einem Auto betrieben werden, das stundenlang mitten in der prallen Sonne steht  und eine "irrsinnige"  Innenraumtemperatur entwickelt hat.  Besser ist es also,  solche Boxen  während der Fahrt zu benutzen, wobei der Innenraum des Autos ja normale Temperaturen hat. Hinzu kommt noch, dass die Autobatterie die 50 Watt kaum sehr lange allein aufrecht erhalten könnte und die Batterie daher sehr schnell leer wäre, wenn der Motor des Autos nicht läuft.

Nun aber zu der Bastelei mit den Peltierelementen.

Zunächst legen wir uns mal die grundlegenden "Zutaten" zurecht, um einmal den einfachen  Peltier-Effekt "zu bewundern":

  • 1 Labornetzteil
  • 2 Peltierelement
  • 3 Messgerät mit RS 232 Schnittstelle
  • 4 Infrarotthremometer (Messadapter)
  • 5 Digiscope Software (Messwerterfassung)
  • 6 RS 232 Kabel
Dann brauchen wir natürlich noch einen PC, aber ratet mal, womit ich gerade die Seiten schreibe ;-) ...

Sehr schön wäre noch ein Stativ für das Infrarotthermometer und das Peltierelement, aber mal sehen, wie ich das gestalte...

...ach ja, ich habe ja diese kleinen Bastelschraubstöcke...


  • 1 Platinenhalter (eigentlich Löthilfe)
  • 2 Miniaturschraubstock
  • 3 Der Abstand zum Messobjekt muss 8 mal dem Objektdurchmesser sein. Obkektdurchmesser ca. 4cm ==> Abstand ~ 32 cm
Der Massvorsatz hat einen eingebauten Laserpointer, so dass man ihn genau auf das Messobjekt ausrichten kann:

Der ganze Messaufbau noch einmal im Schema:

Da der PC schon vorglüht, kann ich ja auch gleich mal sehen, ob die alte Diskette mit der Digiscope-Software auch noch funktioniert:

X: 2 Sekunden pro Teilstrich
Y: 2 Grad Celsius pro Teilstrich

  • 1 Peltierelement hat Raumtemperatur (ca. 25 Grad)
  • 2 Hand vorgehalten (ca. 36 Grad)
  • 3 Ellenbogen vorgehalten (ca. 31 Grad)
  • 4 Gegen das Peltierelement gekommen, hat sich erwärmt (ca. 27 Grad)
  • 5 Zwei Spritzer Kältespray (ca. 24 und 21 Grad)
Aha, Diskette, Software und der alte PC funktionieren also noch...

... prima prima ... :-)

So. Was nun ?

Erstmal Datenblatt des Peltierelementes begutachten:

In den Halter eingespannt habe ich das Element "TEG2-40-40-19/200" der spendablen Firma Eureca Messtechnik GmbH. Dieses Element wurde mir speziell als "Seebeck-Element" geliefert. Aber warum sollte es nicht auch einen Peltier-Effekt aufweisen, den wir hier als erstes einmal kurz untersuchen wollen ?

Also:

Das Element:

  • Größe 40 x 40 mm
  • thermische Kraft 0,53 V/K
  • Widerstand 1,5 Ohm
  • Wärmeleitung 0,8 W/K
  • Maximale Leerlaufspannung 10,6 Volt
  • Maximaler Kurzschlussstrom 7,0 A
  • Maximale Leistung 19 W
  • Maximale Arbeitstemperatur 200 Grad Celsius
Hmmm... 10,6 Volt bei 7 Ampere wäre ja schon schön, aber nun erstmal den Peltiereffekt ausprobieren. Ich habe ein Netzteil mit maximal 2,5 Ampere zur Verfügung, stelle aber mal 1 Ampere ein und schließe das Element daran an.

Es ergeben sich folgende Werte:

Spannung: ca. 4 Volt
Strom: ca. 1 Ampere
==> P = U * I
==> 4 Watt

So, was passiert jetzt bei einer Temperaturmessung an dem Element ?

Hier das Ergebnis:

X: 2 Sekunden pro Teilstrich
Y: 2 Grad Celsius pro Teilstrich

  • 1 Stromquelle wird eingeschaltet
  • 2 Temperatur der Elementoberfläche steigt an
  • 3 Stromquelle wird abgeschaltet
  • 4 Temperatur der Elementoberfläche fällt ab
"Jaja, das ist ja nix Besonderes !", höre ich schon so manchen raunen.

Interessant wird es jetzt erst, wenn wir die Stromzufuhr umpolen.

Achtung ! Mache das nie mit einem gerade betriebenen Element, das noch Restwärme hat ! Das Element pumpt die Wärme dermaßen schnell auf die andere Plattenseite, dass man sich gehörig die Finger verbrennen kann !  ==> Lasse das Element immer erst mit beiden Platten auf Raumtemperatur kommen.

X: 2 Sekunden pro Teilstrich
Y: 2 Grad Celsius pro Teilstrich


  • 1 Strom umgekehrt gepolt zugeschaltet
  • 2 Strom ganz abgeschaltet
Hier sehen wir, wie die Plattenoberfläche kälter wird, wenn man den Strom umpolt.  Wir sehen auch, dass sich die Wärme im ganzen Element gleichmäßig verteilt, wenn der Strom abgeschaltet wird. Dann werden beide Platten einfach gleichmäßig warm.

Wir halten also fest:

  • Wird ein Peltierelement von einem Strom durchflossen, so wird die eine Seite warm und die andere Seite kalt. Die Wärme wird von der einen Plattenseite auf die andere "herüber gepumpt".
  • Wird nicht genügend Wäme an der warmen Seite abgeführt, so heizt sich das ganze Element auf.

So, nun aber zum eigentlichen "Seebeck - Experiment":

Ich kramte also in meiner "Kramkiste" und fand folgenden alten Kühlkörper:



Und dann noch dieses schöne handgefertigte "Stöfchen":



Hmmm... dachte ich mir, daraus kannst du ja mal ein schönes Seebeck-Experiment basteln...

Also zunächst einmal muss man ja sagen, dass man aus dem Seebeck-Element Strom heraus bekommt, wenn die eine Seite des Elements wärmer als die andere ist.

Da stelle ich mir vor, dass ich  ein Teelicht  in das Stöfchen stelle und den Kühlkörper in zwei Hälften zersäge und daraus ein "Sandwich" baue, in dessen Mitte sich das Seebeck-Element befindet:



Nachdem das Teelicht drunter gestellt und angezündet wurde, sollte sich eigentlich ein Strom einstellen, wenn man den Stromkreis schließt, weil der untere Kühlkörper ja zumindest im ersten Moment wärmer als der obere ist. Der Obere Kühlkörper ist aber nur kälter als der untere, wenn er eine größere Oberfläche als der untere hat, also größer ist.


Also zersägen wir nun den Kühlkörper und bauen uns daraus ein "Sandwich" zusammen mit dem Peltierelement in der Mitte:

Zersägter Kühlkörper und das Peltier-Element



Sandwich aus Peltier-Element und Kühlkörper

Wenn diese Anordnung nun auf das Stöfchen stellen und von dem Teelich erwärmen lassen, können wir mit einer geeigneten Messanordnung feststellen, ob und wie eine Spannung an den Anschlüssen des Peltier-Elements entsteht.

Zunächst machen wir eine einfache Messung, wo Plus und Minus herauskommt und wie hoch die Spannung sein wird:


Wie wir sehen, habe ich das Sandwich verkehrt herum drauf gelegt, denn rot und schwarz sind zwar richtig angeschlossen, jedoch ist das Messergebnis negativ. Also müssen wir das Sandwich nun abkühlen lassen und einmal anders herum drauf legen.

Wir machen also jetzt einmal folgenden Versuch 1:

  • Sandwich auf Raumtemperatur kommen lassen
  • Messanordnung anklemmen und starten
  • Sandwich mit der Kerze an der Unterseite erwärmen
  • U-t Kurve aufzeichnen ( Spannungs-Zeit-Diagramm)
Die Versuchsanordnung sieht so aus wie auf dem Foto oben, nur dass wir die Spannungsrichtung inzwischen korrigiert haben.


Das Ergebnis der Aufzeichnung sieht so aus:



  1. Das Sandwich ist ohne Kerze
  2. Es wurde eine Kerze unter gestellt, die untere Hälfte erwärmt sih und die Spannung steigt an
  3. Es wurde eine zweite Kerze unter gestellt
  4. Die Spannung steigt steiler an
  5. Die obere Hälfte des Sandwichs erwärmt sich ebenfalls, weil es die Wärme nicht mehr abführen kann und die Spannung steigt weniger an.
Jetzt haben wir aber oben gelesen, dass in den KFZ-Kühltaschen Lüfter eingeabut sind, damit die Wirkung besser wird. Um dies einmal selber zu messen, benutzen wir ebenfalls einmal einen Lüfter.

Nun erweitern wir also unseren Versuch 1 zu Versuch 2:

  • Sandwich auf Raumtemperatur kommen lassen
  • Einen Lüfter oben auf das Sandwich auflegen
  • Messanordnung anklemmen
  • Lüfter einschalten und Kerze unter das Sandwich stellen
  • U-t-Kurve aufzeichnen
  • Ergebnis mit Versuch 1 vergleichen
Die Versuchsanordnung sieht nun folgendermaßen aus:



1 ==> Stöfchen mit Teelicht
2 ==> Sandwich aus Peltier-Element und Kühlkörpern
3 ==> PC-Lüfter
4 ==> Messgerät mit PC-Anschluss
5 ==> Blei-Gel-Akku zum Berieb des Lüfters

Die U-t-Messkurve zeigte nun aber einen ähnlichen Verlauf wie in der oberen Grafik. Anstatt 0,5 Volt warf die Messung dann 0,8 Volt aus. Wir untersuchten das und fanden heraus, dass auch 2 Teelichter nicht genügend Wärme abstrahlen, um den Lüfter selbsttätig von dem Peltier-Element betreiben lassen zu können.

Um dies einmal zu verifizieren, nahmen mein Sohn Jan (14) und ich eine Kochplatte und legten das halbe Sandwich darauf.

3. Versuch:
  • Halbes Sandwich auf eine Kochplatte legen
  • Messungen durchführen
Die Anordnung sieht nun so aus:


Dieser Versuch lieferte eine Spannung von etwa 2 Volt:



Wir sehen also, dass sich der elektrische Ertrag eines Seebeck-Elementes ( umgekehrt betriebenes Peltier-Element ) durch eine optimierte Anordnung des Elementes und seiner kalten und warmen Seite erheblich steigern lässt.

Ebenso sehen wir, dass die durch das Element  "gepumpte" Wärme unbedingt abgeführt werden muss, sonst sammelt sich die Wärme ebenfalls auf der kalten Seite des Elements und der Effekt und der Ertrag gehen verloren.

Natürlich hilft es auch immer gut, wenn die Kontaktflächen vor dem Zusammenbau mit Wärmeleitpaste versehen werden.

Viel Freude beim Heizen und Kühlen,


Dieser Artikel wurde durch die freundliche Sachspende dieser Firma ermöglicht:



Eureca Messtechnik GmbH


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