0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как получить энергию из тепла

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите

На одном из электрических форумов был задан такой вопрос: «Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ?» Мотивировалось это тем, что газ у этого товарища, да собственно, как и у многих, оплачивается просто по нормативам без счетчика.

Сколько ни пользуйся, платить все равно фиксированную сумму, и почему же не превратить уже оплаченный, но не использованный газ в халявную электроэнергию? Так на форуме появилась новая тема, которая была подхвачена остальными участниками: задушевная беседа помогает не только сократить рабочий день, но еще и убить свободное время.

Было предложено множество вариантов. Просто купить бензиновый генератор, а заправлять его бензином, полученным перегонкой бытового газа, либо переделать генератор для работы сразу на газу, как автомобиль.

Вместо двигателя внутреннего сгорания предлагался двигатель Стирлинга, известный также как двигатель внешнего сгорания. Вот только топикстартер (тот, который создал новую тему) претендовал на мощность генератора не менее 1 киловатта, но его урезонили, мол, такой стирлинг не поместится даже в кухне небольшой столовой. Кроме того немаловажно, чтобы генератор был бесшумным, иначе, ну, сами знаете что.

После множества предложений кто-то вспомнил, как видел в какой-то книжке рисунок, где показана керосиновая лампа с приспособлением в виде многолучевой звезды для питания транзисторного приемника. Но об этом будет сказано чуть дальше, а пока…

Термогенераторы. История и теория

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяются термогенераторы. Так же, как и у термопары, их принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году.

Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется э.д.с., если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, горячий спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = α * (T1 – T2). Здесь α — коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус.

Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного. Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1. Принцип работы термопары

Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.

Как определить термоэдс металла

Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.

Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:

Сурьма +4,7, железо +1,6, кадмий +0,9, цинк +0,75, медь +0,74, золото +0,73, серебро +0,71, олово +0,41, алюминий +0,38, ртуть 0, платина 0.

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

Кобальт -1,54, никель -1,64, константан (сплав меди и никеля) -3,4, висмут -6,5.

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды.

Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – ( — 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом.

В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую.

Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250…300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5…2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция «котелка» была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.

Бытовые термогенераторы

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпуск термогенераторов ТГК – 3. Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в неэлектрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как «Тула», «Искра», «Таллин Б-2», «Родина – 47», «Родина – 52» и некоторые другие.

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.

Читать еще:  Как отштукатурить стены на балконе

Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества.

При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы «молния» играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи.

Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что мощность данного термогенератора не превышала 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

В 1834 году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл эффект, противоположный эффекту Зеебика. Смысл открытия в том, что при прохождении тока через спай из разнородных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) выделяется или поглощается тепло, что зависит от направления тока и типов материалов. Об этом подробно рассказано здесь: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Найден новый способ превращения тепла в электричество

Уже достаточно давно человечество умеет превращать один вид энергии в другой. Скажем, при сжигании угля образуется тепло, которым можно обогревать наши дома, а в двигателе внутреннего сгорания автомобиля углеводородное топливо в виде бензина преобразуется в энергию, позволяющую автомобилю ехать. Но прогресс не стоит на месте и ученые регулярно находятся в поисках новых способов получения энергии, о которых мы вам сообщаем на сайте и в нашем Телеграм-канале. Так, совсем недавно команда экспертов из США представила новый способ превращения тепла в электричество. И он, надо сказать, весьма экстравагантен.

Наука предоставляет массу способов получения энергии. Порой из таких источников, о которых мы даже не догадывались

Как превратить тепло в электричество

По сообщению редакции издание EurikAlert, которое ссылается на исследование опубликованное в журнале Science Advances, группа ученых из Университета штата Огайо придумала, как улавливать тепло и превращать его в электричество. Причем использовать для этого можно любой источник тепла: от рассеивающегося тепла от промышленных установок и до выхлопов автомобилей.

Благодаря нашему открытию мы потенциально сможем более эффективно использовать ресурсы и получать больше электрической энергии из тепла, — сказал соавтор работы Джозеф Хереманс, профессор механики и аэрокосмической техники, занимающийся также исследованиями в области нанотехнологий в Университете штата Огайо. До сих пор никто не думал, что что-то подобное в принципе возможно.

В основе открытия лежит явление электромагнетизма (которое известно достаточно давно). Простой пример: когда одна сторона магнита нагревается, другая сторона остается холодной и наращивает свой потенциал. Из-за нарастания потенциала появляется избыток энергии, который можно преобразовать в электричество. Но есть одна проблема. Магниты при нагревании «теряют магнитную силу» и размагничиваются поэтому грубо говоря, для создания электричества из тепла магнит можно использовать «лишь один раз».

Тут на помощь приходят парамагнетики. Парамагнетики — это вещества, которые намагничиваются под воздействием магнитного поля, но при этом не теряют после прекращения воздействия эту, грубо говоря, «магнитную силу». И, что важно, парамагнетики устойчивы к воздействию тепла. Но и тут есть проблема: парамагнетики по сравнению с обычными магнитами «очень слабые» и до сегодняшнего дня считалось, что они не способны вырабатывать энергию.

Мы обнаружили, что это не совсем так. Мы нашли новый способ создания термоэлектрических полупроводников на основе парамагнетиков. Традиционные термоэлектрические системы, которые появились около 20 лет назад, слишком неэффективны и дают нам слишком мало энергии.

Совместив парамагнетики с полупроводниками, ученые создали интересное устройство: с одной стороны парамагнетики могут, нагреваясь и охлаждаясь, генерировать энергию. С другой стороны — полупроводниковые материалы позволяют использовать полученную энергию. Как заверяют ученые, электричество можно как запасать в обычных аккумуляторных батареях, так и сразу же пускать на питание электронных устройств и компонентов.

Под направленным воздействием магнитного поля парамагнетики приобретают магнитные свойства

Исследователи уверены, что их разработка может пригодиться именно на промышленном производстве, где потери рассеивающегося тепла довольно высокие и в таких масштабах установка по преобразованию тепла в электричество покажет наибольшую эффективность. Например, при переплавке стали отходящее тепло можно использовать для питания различных установок завода, что снизит конечную стоимость продукции.

Как получить электричество из тепла — использование элемента Пельтье для выработки энергии, сборка термогенератора

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

  1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
  2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
  3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
  4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
  5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
  6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
  7. Резак для резки тонких металлов
  8. Ножницы по металлу
  9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
  10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
  11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
  12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
  13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
  14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
  15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
  16. Толстая медная проволока
  17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Читать еще:  Как разделить клубень цикламена

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

  1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
  2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
  3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
  4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
  5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
  6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
  7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
  8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.

Как получить энергию из тепла

Электричество из тепла

Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые в обычных условиях можно купить либо зарядить. В условиях удаленных от благ цивилизации, например в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергии источников питания. Выручить сможет термобатарея.

Термоэлектричество — явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения контакта разнородных проводников проходящим током.

ТермоЭДС — электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру (эффект Зеебека). Величина тер-моЭДС не зависит ни от площади контакта, ни от формы проводников, а зависит только от температур горячего Т1 и холодного Т2 контактов и от материалов проводников.

Эффект Пельтье обратный эффекту Зеебека. Если через контакт двух разнородных проводников пропускать электрический ток, то контакт будет нагреваться либо охлаждаться, в зависимости от направления тока. Степень нагрева или охлаждения зависит от силы тока и материалов проводников.

Эффект Томсона (Кельвина) состоит в том, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева, возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, — повышается.

Термопара — электрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, имеющих электрический контакт. ТермоЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100°С, — величина порядка 1 мВ. Чтобы ее повысить, можно соединить несколько термопар последовательно. Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре Т1, а другой — при температуре Т2. ТермоЭДС батареи равна сумме термоЭДС отдельных термопар. В любительских условиях можно изготовить неплохую термопару, если сварить угольным электродом (напряжение не выше 36 В) две проволоки, сочетая медь, константан, нихром, фехраль, никелин и серебро. Можно применить и проволочные стойки от электролампы.

ТермоЭДС полупроводников в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термоЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16. 17%. Для сравнения, у паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20. 40%. Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках Земли, например в Арктике, и в космосе, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая — охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать и как термоэлектрический холодильник.

Зарядное устройство для мобильного телефона

Наиболее доступны по цене термобатареи, изготовленные тайваньской промышленностью. Мне попалось одна из них «МОДУЛЬ ПЕЛЬТЬЕ ТЕС 1_127060.40».

Это обозначение расшифровывается:

ТЕС — термоэлемент (от англ. Thermoelectric cooler);

1 — размер стороны ветви термоэлемента в мм;

127 — количество термоэлементов;

060 — максимальный ток (6 А);

40 — размер (40×40 мм);

Рмах — максимальная паспортная тепловая мощность этого модуля — 53 Вт.

Основное назначение этого модуля — холодильник. Но его можно использовать и, наоборот, в качестве термоэлектрогенератора. В Интернете мне попалось описание термоэлектрогенератора, использующего подобный модуль. Одну из конструкций (кружку) я решил повторить и усовершенствовать.

Принцип получения электроэнергии состоит в нагревании одной стороны модуля с одновременным охлаждением второй. Причем необходим интенсивный отвод тепла, поскольку существует перенос тепла внутри модуля, за счет которого снижается разность температур «горячей» и «холодной» сторон, а следовательно, и напряжение на выходе модуля.

Основой устройства служат две металлические кружки из тонкой нержавейки, размеры которых позволяют вставить их одна в другую с зазором около 1 см. Воздух в зазоре служит теплоизолятором, который сокращает теплообмен между источником тепла и охладителем (водой, снегом), которым заполняется внутренняя кружка. Между донышками кружек располагается термоэлемент (рис.1). Он должен иметь хороший тепловой контакт с обеими кружками. Для этого кружки должны иметь максимально ровные поверхности дна и, кроме того, обе поверхности термоэлемента необходимо смазать любой теплопроводящей пастой. Соединяются кружки стяжками, изготовленными из велосипедных спиц.

Для защиты модуля от попадания в него влаги был использован автомобильный герметик -прокладка, выдерживающий температуру около 300°С. Количество герметика должно быть минимально необходимым, поскольку он увеличивает теплообмен между кружками. Изоляция проводов для соединения термоэлемента с внешним миром должны выдерживать нагрев. Лучше использовать провода во фторопластовой изоляции. Одним из проводников может быть корпус кружки. Разъем для подключения был использован от батарейки типа «Крона». Если он располагается на внешней кружке, то контакты лучше осуществлять не пайкой, а сваркой или винтиками, так как внешняя кружка сильно нагревается. Изолировать соединение можно тем же автомобильным герметиком — прокладкой. Внешний вид получившегося устройства показан на рис.2.

Испытания проводились на домашней газовой плите (рис.3) . Внутренняя кружка была наполнена водой из водопровода температурой приблизительно 20°С. На «холостом ходу» модуль давал на выходе чуть больше 3 В.

Без особых усилий из модуля удалось «выжать» 0,5 Вт, или 0,01 максимальной мощности устройства при сопротивлении нагрузки в пределах 5. 10 Ом. Это связано, в основном, с условиями теплообмена. Для снятия большей мощности необходимо интенсивнее отводить тепло с «холодной» стороны, например, использовать вместо воды снег. Этой мощности, однако, вполне хватает для зарядки мобильного телефона в походных условиях, используя тепло костра. Для этого достаточно собрать повышающий преобразователь напряжения, к примеру, на микросхемах IT34063, МАХ756, МАХ757 либо NCP1400. Напряжение на выходе устанавливается равным напряжению зарядки мобильного телефона.

Что такое термоэлектрический генератор?

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Читать еще:  Как организовать пространство в теплице

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector