Peltierelement Funktionsweise

In Anlehnung zu dem „Klimaanlage“ Projekt auf dieser Website, werden wir Ihnen vorstellen, wie ein Peltier-Element im Einzeln funktioniert. Dabei gehen wir nicht nur auf die Funktionsweise, sondern auch auf die Geschichte, die physikalischen Phänomene und die Anwendungszwecke eines Peltier-Elements ein.

Peltier-Element – Die Geschichte:

Wie wurde das Peltier-Element erfunden? Welche physikalischen Phänomene musste entdeckt werden, um solch ein thermoelektrisches Bauteil zu erfinden?
Um diese Fragen zu klären, müssen wir erst einmal klarstellen, was ein Peltier-Element eigentlich macht. Ein Peltier-Element kann durch seine Eigenschaft als thermoelekrischer Energiewandler einen Stromfluss in Wärme und einen Wärmefluss in Strom umwandeln. Ersteres beruht dabei auf dem Peltiereffekt, letzteres auf dem Seebeckeffekt.
Jean Peltier und Thomas Johann Seebeck sind demnach die Personen, die die Grundlagen für das Peltierelement gesetzt haben. Dabei war der Fund Seebecks zufällig. 1821 bemerkte er, dass in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen Metallen eine Spannung entsteht, sobald an den Übergängen von den Metallen unterschiedliche Temperaturen vorhanden waren. Den entstehenden Stromfluss konnte er durch eine Kompassnadel nachweisen.
Und wie das? Dafür müssen wir kurz einen Abstecher in den Elektromagnetismus machen. Ein stromdurchflossener Leiter hat nämlich die Eigenschaft, dass ein Magnetfeld um Ihn herum entsteht. Da die Kompassnadel sich nach dem Magnetfeld der Erde ausrichtet und deshalb auch magnetische Eigenschaften besitzen muss, richtete sie sich nach dem stärkeren Magnetfeld, was entfernungsbedingt das des stromdurchflossenen Leiters war, aus.
Jean Peltier untersuchte das Peltier-Element genauer und hielt beide Effekte in seiner Arbeit 1836 fest.

Das physikalische Prinzip:

Die Physik dahinter basiert auf den zwei unterschiedlichen Metallen, die miteinander verbunden sind. Man kann sich das anhand der frei beweglichen Elektronen in den Metallen sehr gut vorstellen. Diese Elektronen haben je nach Metall ein unterschiedliches Energieniveau. Verbindet man nun zwei unterschiedliche Metalle miteinander, so nehmen die Elekronen einen für sie ausgeglichenen Zustand ein. Dadurch müssen Elektronen vom einen Metall zum anderen „rüberwandern“. Dies erzeugt einen Stromfluss. Führt man nun an einer Stelle kontinuierlich Wärme zu, wird diese Differenz des Energieniveaus aufrecht erhalten. Dadurch ist ein dauerhafter Stromfluss gewährleistet.
Viel Theorie, die hinter dem Peltier-Element steckt. Leichter lässt sich das durch eine Abbildung erklären:

 

Diese Abbildung stellt gezielt dar, wie sich ein Peltier-Element beim Anlegen einer Spannung verhält. Die Grundlage für eine warme und eine kalte Seite liegt an den Metallen A und B. Diese beiden Metalle sind Halbleiter, eines p-dotiert, eines n-dotiert. Dadurch besitzen sie ein unterschiedlich hohes Energieniveau der Leitungsbänder. Will nun ein Elektron von Metall A zu dem Metall B, welches ein energetisch höheres Leitungsband besitzt, rüberwandern, muss es Energie aufnehmen. Dies geschieht in Form von Wärme. Andersherum gibt das Elektron Energie ab, sobald es wieder in Material A eintritt. Punkt B wird also kalt und Punkt A warm.
Diese einzelnen Metalle werden dann immer weiter in Reihe geschaltet, sodass die Leitungsaufnahme vervielfacht wird. Abgedeckt wird das Peltier-Element durch eine nicht leitende Keramikplatte auf der Ober- und Unterseite.

 

Die Bezeichnung eines Peltier-Elements:

TEC1-12706 oder TES1-12704. So sehen die Bezeichnungen von Peltier-Elementen aus. Aber was heißen diese Buchstaben- und Zahlenkombinationen überhaupt?
Zunächst mal, die meisten Peltier-Elemente auf dem Markt sind TEC Modelle. TEC steht für thermoelectric cooler, was soviel heißt wie „thermoelektrischer Kühler“. Das C in TEC steht für eine Dicke von 3,4mm oder höher. ein TES Peltier-Element ist dementsprechend 3,3mm dick oder dünner. Die 1  vor dem Bindestrich steht für die Zahl der Stufen, also wie viele Peltier-Elemente übereinander gelegt sind. 127 steht für die Anzahl der P/N-Übergänge und die 09 ,03, 13, … steht für den maximalen Strom (Ampere).

Die Benutzung eines Peltier-Elements:

Wie Sie nun schon wissen, wird eine Seite des Peltier-Elements heiß und die andere Seite kalt, sofern eine elektrische Spannung angelegt wird. Wird die heiße Seite jedoch nicht ausreichend gekühlt, erwärmt sich die kalte Seite binnen Sekunden und nach einigen weiteren Sekunden brennen die Kontaktstellen durch. Um also mit einem Peltier-Element zu kühlen, müssen Sie die warme Seite ausreichend kühlen. Dies liegt daran, dass die Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Dadurch kann das Peltier-Element die Wärme nicht schnell genug abgeben und erhitzt sich. Durch eine optimale Kühlung, zum Beispiel durch Wasser, kann je nach Peltier-Element eine Temperaturdifferenz von 70K (K = Kelvin / 1K entspricht 1°C –> 70°C) erreicht werden.
Umgekehrt können Sie durch eine ausreichende Temperaturdifferenz der beiden Keramikplatten einen Stromfluss erzeugen.
Sofern Sie auf die Richtige Polung der Kontakte achten, wird in der Regel die Seite mit dem Aufdruck des Modellnamens kühl. Bei mehrstöckigen Peltier-Elementen wird immer die kleinere Seite kalt.
Ein Peltier-Element ist mit Gleichspannung zu speisen.

Vor-und Nachteile:

Ein großer Vorteil an einem Peltier-Element ist sicherlich, dass es sehr klein ist und keine Beweglichen Bauteile besitzt. Dadurch verursacht es auch keinen Lärm. Eine richtige Klimaanlage oder ein Kühlschrank benötigen zudem ein Kältemittel, was zur Größe der Geräte beiträgt. Außerdem kann man durch ein Peltier-Element auch sehr genau die Temperatur regeln kann. Durch Umkehrung der Stromrichtung kann man bei Bedarf heizen.
Nachteile sind die geringe Energieeffizienz und der geringe Leistungsgrad, also die Temperaturdifferenz, die das Peltier-Element erreicht. Außerdem sind größere Peltier-Elemente als 60x60mm kaum auf dem Markt zu kaufen.

Anwendungsgebiete:

Ein Peltier-Element findet man meistens versteckt wieder. Es wird dort eingesetzt, wo Effizienz eine untergeordnete Rolle spielt und wo mit geringen Aufwand (anders als bei komplexen Systemen oder großen Kühlanlagen) gekühlt werden soll.
Letztlich wird das Peltier-Element zum Kühlen von Lasern oder Sensoren in Digitalkameras verwendet. Ein eher alltäglicheres Beispiel sind elektrische Kühlboxen.
Wir verwenden für unsere Klimaanlage auch ein Peltier-Element, da wir ein möglichst einfaches, für jeden nachbaubares System bauen wollen.

Darauf ist zu achten:

– Ein Peltier-Element arbeitet beim Anlegen einer Spannung wie eine Wärmepumpe
– Führt man Wärme der einen Seite zu und kühlt die andere, so liegt an den Kabelenden Spannung an
– die Energieeffizienz ist gering
– es sind keine beweglichen Bauteile vorhanden
– es ist sehr klein
– die Kühlleistung steigt, umso besser man die warme Seite kühlt
– durch mehrstöckige Peltier-Elemente lassen sich sehr niedrige Temperaturen erzeugen (circa -100°C)

 

 

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