Het Peltier-element

Op de Noordpool is het soms wel 50⁰C onder nul, terwijl het in de Sahara op hetzelfde moment wel 50⁰C boven nul kan zijn. Wanneer je de oven aanzet om broodjes te bakken, wordt het zo warm dat je je handen er makkelijk in zou kunnen verbranden. Stop je daarentegen de ijsblokjes in de vriezer, en je vergeet je hand terug te trekken, dan kan deze na een poosje voelen alsof hij bevroren is! Wellicht kom je niet al de bovenstaande dingen iedere dag tegen, maar je zult ze vast wel herkennen... Iedere dag zijn we bezig met compensatie... Zou die compensatie niet in één keer kunnen? Met een en hetzelfde apparaatje? Natuurlijk kan dat! Het Peltier-element is hier bijzonder geschikt voor. In deze tekst wordt er nader op dit element ingegaan.

Het Peltier-element

Ook al is het Peltier-element tegenwoordig een vrij frequent toegepast technologisch snufje, voor de oorsprong van dit element moeten we even terug in de tijd. Ruim twee eeuwen geleden, werd Frankrijk verblijd met de geboorte van een toekomstige wetenschapper: Jean Peltier. In 1834 ontdekte Jean het volgende: wanneer je een gelijkstroom door twee verschillende metalen A en B stuurt, treedt er een warmte-effect op. Dit effect houdt in dat de warmte wordt getransporteerd van de overgang tussen de metalen A en B naar de overgang tussen de metalen B en A. De stroombron I stuurt een stroom door metaal B. Op de overgang T2 tussen metaal B en A wordt warmte uit de omgeving opgenomen en op de overgang T1 tussen metaal A en B wordt deze warmte weer afgegeven.

De werking

De werking van het Peltier-element berust op het bovenstaande Peltier-effect en is haast hetzelfde als de werking van een warmtepomp. Het Peltier-element bestaat uit twee keramische plaatjes waartussen staafjes halfgeleidend metaal zijn geplaatst. Wanneer er een stroombron wordt aangesloten, gaat er natuurlijk een stroom lopen. De elektronen kunnen maar in één richting door het halfgeleidend materiaal gaan en ze kunnen dus maar in één richting energie meenemen. De kant van het element waar de elektronen vandaan komen, wordt koud. De kant van het element waar de elektronen naar toen bewegen, wordt warm. Heel eenvoudig gezegd worden er dus joules van de ene kant van het element naar de andere kant gepompt. Dit werkt een temperatuurverschil, van maximaal zo’n 70 graden Celsius, in de hand. Welke kant van het element warm en welke kant koud is, is geen algemeen gegeven, dit hangt namelijk van de stroomrichting af.

Belangrijk: koelen

De kant waar alle energie naartoe wordt gebracht, kan dus tamelijk heet worden. Als de ontstane warmte niet kan worden afgevoerd, kan het element oververhit raken. Er is dan een grote kans op kortsluiting. Aangezien men dit wil voorkomen, is een goede koeling van de warme kant noodzakelijk. Het koelen van het element kan op een tweetal manieren: met lucht of met water. Koeling met water is in het geval van de Peltier-elementen efficiënter dan koeling met lucht. Door een waterkoeler op het element te plaatsen wordt oververhitting voorkomen, en kan het element zorgen voor een, indien gewenst, betere koeling. Andersom is het natuurlijk ook mogelijk. Wanneer bepaalde componenten te veel zijn afgekoeld, kan er condensatie optreden. Ook dat kan kortsluiting in de hand werken.

Stroom opwekken

Naast het beschreven feit dat je met een Peltier-element kunt koelen en verwarmen, is het opwekken van een stroom ook een mogelijkheid van dit element. In dit geval wordt er in plaats van van een Peltier-element, vaak van een Thermo-element gesproken. In wezen zijn deze twee precies hetzelfde. Deze keer sturen we er alleen geen stroom in, we willen een stroom hebben. Daarom doen we eigenlijk wat het element normaal doet: we verwarmen één kant van het element, de andere kant koelen we. Direct levert het element hierbij een spanning (V) en stroomsterkte (A) afhankelijk van het temperatuurverschil. Op deze manier wordt er zonder geluid en op een milieuvriendelijk manier een elektrische stroom opgewekt. Waarom is deze manier van stroomwinning helemaal niet bekend, en waarom wordt deze vrijwel nooit toegepast? Hiervoor zijn een aantal redenen te noemen. Een reden is dat het rendement, de opgewekte stroom naar gelang het temperatuurverschil, erg laag is. Een tweede reden is dat de onderdelen tot nu toe erg duur zijn. Maar, er lopen onderzoeken die redenen geven tot hoop. Verwacht wordt dat er binnen afzienbare tijd wezenlijk betere thermo-elementen op de markt komen. Wellicht dat deze dan economisch erg interessant worden.

De voordelen van het Peltier-element

Peltier-elementen hebben een aantal voordelen ten opzichte van andere koelsystemen of verwarmingselementen. Ten eerste: een Peltier-element bevat geen bewegende delen. Het gebeurt dus zelden dat het element onderhoud nodig heeft. Ten tweede: een Peltier-element heeft, mede door de afwezigheid van bewegende delen, geen slijtage. Vervanging is dus niet nodig, tenzij het element niet meer werkt vanwege oververhitting of iets dergelijks. En ten derde: een Peltier-element heeft een zeer eenvoudig constructie. Hierdoor is het makkelijk te verplaatsen of anderszins aan te sluiten.

De nadelen van het Peltier-element

Naast de voordelen heeft een Peltier-element natuurlijk ook zijn nadelen. Ten eerste: een Peltier-element gebruikt vrij veel elektriciteit en zorgt voor meer warmte dan het vervoert. Dit kan gemakkelijk leiden tot oververhitting als de extra warmte niet wordt gecompenseerd. Ten tweede: het rendement van veel Peltier-elementen is vrij laag. En ten derde: een Peltier-element heeft maar een beperkt koel- en verwarmingsvermogen.