Zurück zum Menü 4 4.0.7 Peltierelemente erkunden Erstellt: Ab Januar 2008
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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.de" 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. "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":
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...
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:
Aha, Diskette,
Software und der
alte PC
funktionieren also
noch...X:
2
Sekunden
pro Teilstrich
Y: 2 Grad Celsius pro Teilstrich
... 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:
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
"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
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:
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.
Zersägter
Kühlkörper und
das
Peltier-ElementDa 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: 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:
Das Ergebnis der Aufzeichnung sieht so aus:
Nun
erweitern wir
also unseren
Versuch 1 zu Versuch
2:
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:
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 |