Główna bohaterka jednego z opowiadań Aleksandra Sołżenicyna trafia w międzywojennej Rosji do moskiewskiego mieszkania człowieka, którego można nazwać beneficjentem niedawnej zmiany władzy. Z cudów ówczesnej techniki największy jej podziw budzi jedno: takie, w którym jedzenie może przeleżeć kilka dni, a po wyjęciu wciąż będzie się nadawało do spożycia.
Dzisiaj oczywiście widok lodówki w domu nie dziwi nikogo. Urządzenia te muszą jednak spełniać zupełnie inne wymagania niż kiedyś. Podstawowym jest energooszczędność. Profesor Sergiy Filin z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego chciał wykazać, że w dostępnych komercyjnie produktach istnieje jeszcze możliwość uzyskania dalszych oszczędności w poborze mocy. – W tym celu kupiłem dwie jednakowe domowe lodówki o pojemności 40 l. Jedną poddałem modyfikacjom, a drugą pozostawiłem bez zmian celem porównania – tłumaczy naukowiec ze Szczecina.
Zmodyfikowana w ten sposób lodówka nie tylko z zewnątrz niczym się nie różni od oryginału (przeróbce została poddana tylko część odpowiedzialna za chłodzenie; cała reszta, czyli m.in. izolacja, są dokładnie takie same), ale też wykazuje się znacznie mniejszym poborem mocy. Oryginał uznanej marki pochodzący z Państwa Środka potrafi z poborem mocy zejść do 30 W. Zmodyfikowany w ZUT model schodzi do 16 W. W przypadku urządzeń podłączanych do sieci to nie jest wielka różnica, ale wszędzie tam, gdzie w grę wchodzą zastosowania transportowe, turystyczne i przenośne, oszczędność każdego wata może być na wagę złota.
Współczesne lodówki to najczęściej urządzenia sprężarkowe. Układy chłodnicze tego typu są wydajne, ale z racji objętości i wrażliwości na wibracje nie nadają się do zastosowania w rozwiązaniach przenośnych i mobilnych. Dlatego producenci lodówek turystycznych często sięgają po alternatywną metodę chłodzenia wykorzystującą tzw. ogniwa Peltiera. Są to płytki składające się z dwóch typów półprzewodnika, które po podłączeniu do prądu z jednej strony stają się cieplejsze, a z drugiej chłodniejsze. Ten efekt może być wykorzystany w urządzeniach chłodniczych w taki sposób, aby chłodniejsza strona pobierała ciepło z wnętrza komory chłodniczej, a cieplejsza oddawała je na zewnątrz lodówki.
Kluczem do zwiększenia energooszczędności okazała się właściwa konstrukcja obwodu elektrycznego łączącego ogniwa Peltiera. W jego zrozumieniu przydatne będzie odświeżenie kursu fizyki z VII klasy, gdzie omawiane były pojęcia obwodów szeregowych i równoległych. Otóż jeśli mamy obwód, do którego przykładamy napięcie 12 V, to jeśli ogniwa połączymy w nim równolegle, to pod takim napięciem będzie pracować każde z nich. W efekcie obwód zużyje więcej energii. Jeżeli jednak ogniwa Peltiera zostaną połączone szeregowo, to każde z nich będzie pracować pod napięciem 6 V. Dodatkowo do obwodu podłączymy mechaniczny termoregulator, który – w zależności od temperatury panującej w komorze lodówki – będzie zmieniał układ zasilania ogniw z równoległego na szeregowy i odwrotnie.
Reklama
W ten sposób ogniwa będą pracować z maksymalną wydajnością, kiedy zawartość lodówki potrzebuje schłodzenia (prof. Filin nazywa ten tryb pracy trybem roboczym), a kiedy temperatura spadnie do wymaganego poziomu, ogniwa są przełączane na pracę pod mniejszym napięciem (tryb energooszczędny).
– Oczywiście nie ma nic za darmo. Wewnątrz naszej chłodziarki temperatura może być o 1–1,5 stopnia wyższa niż w zwykłej chłodziarce. Ponieważ jednak nie jest ona przeznaczona do przechowywania długoterminowego, lecz jedynie krótkotrwałego, nie ma to aż takiego znaczenia. W zamian za to dostajemy urządzenie, które przechodzi w tryb energooszczędny nawet wtedy kiedy temperatura otoczenia wzrośnie do 25–27 stopni, czym nie mogą pochwalić się producenci współczesnych lodówek termoelektrycznych – tłumaczy prof. Filin.
Ponieważ rozwiązanie zakłada tylko lekką modyfikację układu elektrycznego doprowadzającego zasilanie do ogniw Peltiera, prace nad nim udało się sfinalizować w ciągu tygodnia. W efekcie powstało rozwiązanie, którego zaletą jest nie tylko energooszczędność, lecz też skalowalność. Lodówka o objętości 48 l potrzebuje do sprawnego działania dwóch ogniw, a do schłodzenia komory o objętości 100 l według opracowanego przez prof. Filina schematu wystarczy użyć czterech, dla 180-litrowej komory – tylko sześć ogniw.
Chłodziarki oparte na ogniwach Peltiera dotychczas charakteryzowały się niższymi klasami energetycznymi niż ich wyposażone w sprężarki odpowiedniki. Szkoda, że rozwiązanie to nie jest tak wydajne, ponieważ na papierze ogniwa mają same zalety. Chłodziarka nie posiada żadnych ruchomych części, w związku z czym znacznie mniejsza jest jej awaryjność. Nie ma również ryzyka wycieków, bowiem ogniwa nie potrzebują do poprawnego działania żadnej substancji chłodzącej oprócz powietrza (chociaż oczywiście cały układ można zmodyfikować w taki sposób, że jakiś płyn odbierałby ciepło z gorętszej strony ogniwa; takie konstrukcje spotyka się czasami w układach chłodniczych w komputerach stacjonarnych czy też w klimatyzatorach). Dodatkowo mogą przybierać różne kształty – co jest błogosławieństwem dla konstruktorów.
