Термогенератор на термопарах своими руками

Содержание

Термогенератор своими руками: инструкция по изготовлению преобразователя тепловой энергии в электрическую

13250879313192568

Количество цифровых гаджетов постоянно увеличивается. К сотовому телефону добавились мобильная радиостанция, GPS-навигатор и фотоаппарат.

Таскать с собой полный котелок запасных аккумуляторов для всей этой электронной братии тяжело, а в холодное время года еще и бессмысленно – их емкость и мощность при низких температурах сильно сокращаются.

Поэтому каждый путешественник хотел бы обзавестись устройством, преобразующим в электричество доступную в походе энергию.

Весьма практичными оказались термогенераторы – источники, для работы которых необходимо тепло. На чем основан принцип их работы и как можно сделать термогенераторы электричества своими руками – об этом пойдет речь в этой статье.

Как определить термоЭДС металла?

Термоэлектродвижущая сила возникает в замкнутом контуре при соблюдении двух условий:

В физике данное явление называют эффектом Зеебека.

Величина термоЭДС зависит от вида материалов и разности их температур.

Определяют ее по формуле:

Е = к (Т1 – Т2),

Наибольшей производительностью обладают контуры, состоящие из разнородных полупроводников (обладающих р- и n-проводимостью). В металлах эффект Зеебека проявляется незначительно, за исключением некоторых переходных металлов и их сплавов, например, палладия (Pd) и серебра (Ag).

teploobmennik svoimi rukamiТеплообменники широко применяются в быту. Довольно легко можно сделать теплообменник своими руками – инструкция по сборке представлена в статье.

Пошаговая инструкция по облицовке камина своими руками представлена тут.

Знаете ли вы, что напряжение всего в 12 Вольт может служить источником тепла? По ссылке https://microklimat.pro/otopitelnoe-oborudovanie/obogrevateli/12-volt-svoimi-rukami.html инструкция по изготовления обогревателя 12 Вольт своими руками.

Принцип работы

Решать задачу по производству электричества из тепловой энергии приходится, как принято говорить в науке, от обратного. Противоположным эффекту Зеебека является эффект Пельтье, который состоит в изменении температур двух объединенных в замкнутый контур разнородных полупроводников при пропускании через них постоянного тока: один из них нагревается, второй – остывает.

Если направление тока изменить, изменится и направление теплового потока: первый полупроводник будет остывать, а второй – нагреваться. В качестве полупроводников чаще всего применяют твердую смесь кремния с германием и теллурид висмута.

14 15 16 14

Эффект, открытый Жаном Пельтье, получил широкое применение в различных сферах человеческой жизнедеятельности, где требуются холодильные машины, но нет возможности применить компрессорный тепловой насос на фреоне. Поэтому именно его именем назвали выпускаемые для этой цели устройства – элементы Пельтье.

Конструкция термогенератора

Итак, идея термогенератора довольно проста: необходимо взять элемент Пельтье и сильно нагреть одну из его поверхностей. В генераторах заводского изготовления для этого применяются газовые горелки. Но создать такой прибор в домашних условиях довольно сложно – трудно обеспечить стабильное горение пламени в течение длительного времени.

Поэтому народные умельцы отдают предпочтение более простой версии термогенератора, о которой мы сейчас и расскажем.

Изготовление своими руками

Схематично устройство самодельной термоэлектростанции можно представить так:

preobr4

Через какое-то время снег растает, превратится в воду и закипит. Производительность генератора при этом понизится, но зато турист получит возможность выпить горячего чайку. После чаепития можно будет заправить генератор новой порцией снега.

Порядок работ

Теперь рассмотрим процесс создания самодельного термогенератора в деталях:

IMG 0750

Походный генератор электричества

Изготовление преобразователя

В ходе эксперимента установленный на электроплитку термогенератор при наличии снега во внутренней емкости обеспечил ЭДС в 3В и ток в 1,5А. После превращения снега в воду и ее закипания мощность генератора упала в три раза (напряжение составило 1,2В).

Чтобы использовать такой прибор в качестве зарядного устройства для телефона или другого гаджета, которому требуется стабильное напряжение в 5 В или 6,5 В, его необходимо оснастить преобразователем напряжения.

Рассмотрим два варианта.

Вариант 1

elementi termogeneratoraПроще всего применить в качестве преобразователя микросхему КР1446ПН1, снабженную DIP-корпусом.

Производится она в России и ее легко можно найти в магазине радиодеталей или на радиорынке.

Воспользоваться не возбраняется и более мощными аналогами, но все они выпускаются в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа, так что придется помучиться с распайкой.

На вход микросхемы подается напряжение с элемента Пельтье, а сама она включается в режиме «5 Вольт» (штатный). Параллельно с элементом Пельтье на вход преобразователя напряжения следует припаять достаточно мощный шунтирующий диод. Он предотвратит движение тока в обратном направлении, если на генератор будет оказано противоположное температурное воздействие.

К примеру, будучи заполненным горячей водой он может быть по неосторожности установлен на какую-нибудь холодную поверхность.

К выходу преобразователя нужно припаять кабель от старого зарядного устройства, подходящего для нашей модели телефона или фотоаппарата, а также светодиодный индикатор на 5 В.

Недостаток этого варианта: предложенная в качестве преобразователя микросхема ограничивает мощность генератора, поскольку ток на ее выходе не превышает 100 мА. Таким образом, элемент Пельтье используется приблизительно на 20%, чего будет достаточно только для телефонов устаревших моделей.

Вариант 2

Более мощный преобразователь можно собрать по двухкаскадной схеме с применением пары микросхем MAX 756. Чтобы при отключении потребителя генерируемый ток не пропадал зря, оснастим преобразователь встроенными аккумуляторами. Соединенные последовательно, они включены в нагрузку первого каскада через выключатель, диод и токоограничивающий резистор. Сам каскад настроен на режим выхода «3,3 Вольт».

К выходу каскада №1 подключаем каскад №2, настроенный на режим выхода «5 Вольт». Оба каскада реализованы согласно схеме, приведенной в документации на микросхему MAX 756 (опубликована в Сети). Единственное отличие – цепь обратной связи каскада №2 (между выходом каскада и ногой №6 его микросхемы) дополняется последовательностью из 3-х кремниевых диодов, расположенных анодом к выходу.

1468074327126177551

Простейший походный термогенератор

Такое усовершенствование позволит получать на холостом ходу напряжение величиной 6,5 В (требуется для зарядки некоторых электронных устройств).

Чтобы упростить схему, можно применить микросхему MAX 757, которая снабжена отдельным выходом обратной связи.

Интерфейс этого преобразователя соответствует типу USB Type A. Но если к нему предполагается подключать USB-устройство, то последовательность диодов из цепи обратной связи 2-го каскада лучше убрать, чтобы выходное напряжение вернулось на уровень 5 В.

Вариация на тему…

Чтобы создать достаточный температурный градиент, обе его поверхности нужно оснастить ребристыми радиаторами.

На поверхности со стороны пламени радиатор должен иметь увеличенную площадь, а его ребра устанавливаются горизонтально.

На противоположной стороне элемента установлен меньший радиатор, а его оребрение – вертикальное.

shema podklyucheniya radiatora otopleniyaБатареи отопления могут устанавливаться по-разному в зависимости от типа отопительной системы – однотрубной или двухтрубной. Схемы подключения радиаторов отопления и советы по месту их установке – читайте внимательно.

Как отремонтировать циркуляционный насос своими руками? Основные типы поломок и методы их устранения представлены в этой статье.

Видео на тему

Источник

Термогенератор своими руками

1521015599 6tlf7pzlbre

Привет всем любителям самоделок. Не для кого не секрет, что энергию можно получить не только посредством преобразования механической в электрическую, но и при помощи преобразования тепловой энергии. Зачем такие преобразования, спросите вы, тут все просто, данный способ хорошо подойдет для походов и других мест, где нет электричества и нет желания крутить ручку генератора. В этой статье я расскажу, как сделать термогенератор с наименьшими затратами и обеспечить себе зарядку телефона или любого другого маломощного гаджета в походных условиях вдали от розетки.

Перед прочтением подробной сборки данной самоделки, предлагаю посмотреть видео, где наглядно показан весь процесс и тестирование готового устройства.

Для того, чтобы сделать термогенератор своими руками, понадобится:
* Элемент Пельтье
* DC преобразователь, который повысит напряжение до 5 вольт
* Два алюминиевых радиатора, один поменьше, другой побольше
* Источник тепловой энергии, в данном случае спирт
* Термопроводящая паста КПТ-8 для лучшей теплопередачи
* Клей универсальный, типа «секунда»
* USB-Ваттметр
* Нагрузка для проверки работы, в данном случае смарт-часы
* Паяльник, припой

1521015655 dwm 2018 03 14 11 07 46 64
1521015657 dwm 2018 03 14 11 07 51 22
1521015608 dwm 2018 03 14 11 07 55 31
1521015685 dwm 2018 03 14 11 08 00 72
1521015646 dwm 2018 03 14 11 08 01 97
1521015596 dwm 2018 03 14 11 08 15 98
1521015618 dwm 2018 03 14 11 08 19 25
1521015601 dwm 2018 03 14 11 08 22 97
1521015668 dwm 2018 03 14 11 08 27 55
1521015629 dwm 2018 03 14 11 08 34 69

1521015621 dwm 2018 03 14 11 08 38 64
1521015604 dwm 2018 03 14 11 08 42 35
1521015606 dwm 2018 03 14 11 08 49 64

1521015679 dwm 2018 03 14 11 08 56 48
1521015689 dwm 2018 03 14 11 09 01 03
1521015675 dwm 2018 03 14 11 09 03 05

Оставляем клей сохнуть, это займет всего пару минут.

Шаг второй.
Так как весь принцип работы термогенератора основан на разности температур на элементе Пельтье, следовательно нужно приклеить еще один радиатор к его второй стороне. Наносим термопасту и клей и аналогично первому радиатору приклеиваем к элементу, слегка придавив радиатор.

Источник

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.

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.

shema raboty tesСхема 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.

Обозначения:

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.

sovremennyj element pelte s ukazaniem razmerovСовременный 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.

molekula vmesto termoparyМолекула 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:

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

indigirka tri v odnom Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

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:

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.

radioizotopnoe serdce kassiniРадиоизотопное «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.

riteg podnyatyj s 14 mitrovoj glubiny vozle sahalinaРИТЕГ 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.

turisticheskij tegТуристический 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.

Источник

Термоэлектрический генератор для дачи своими руками

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.

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.

lazy placeholder
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.

lazy placeholder
Термопара из опыта Зеебека
Обозначения:

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.

lazy placeholder
Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Походный термоэлектрический генератор на дровах и щепках

lazy placeholder
Есть в мире такая интересная вещь, как Элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь с обратимым эффектом. Его устройство очень просто — это пластинка с множеством соединенных пар разнородных полупроводников, закрытых в теплопроводящем корпусе. Если пустить по элементу ток — одна из сторон пластинки начнет греться, а другая — охлаждаться. Работает это и в обратную сторону — если охлаждать одну сторону, и нагревать другую — элемент начнет вырабатывать электричество, тем большее, чем больше разница температур между сторонами.
За свою универсальность, простоту и малые размеры, «пельтьешки» горячо полюбились любителями самодела, выживальщиками и оверлокерами, которые не перестают придумывать им применение как в качестве охладителя (например, для CPU), так и термоэлектрогенератора. Например — представленный Маркусом Райтом из Уфы — простой походный термогенератор на дровах и щепках, дающий на выходе напряжение 5V/500mA через преобразователь с USB-выходом — этого должно быть достаточно для зарядки телефона или фонарика на природе. А главное — собрать этот агрегат можно из компьютерного хлама и подручных средств, и ниже мы расскажем как!

lazy placeholder

Для сборки устройства понадобится: 1. Элемент Пельтье — хорошим выбором будет TEC1-12710 12V 40x40mm 2. Повышающий преобразователь напряжения с USB-выходом (входной ток 1-5V, выходной — 5V). 3. Радиатор для процессора с площадью соприкосновения не меньше 40x40mm (больше — лучше). 4. Блок питания компьютера, желательно нерабочий — из него понадобится только корпус. Вместо БП можно использовать щепочницу, и вообще модифицировать конструкцию по желанию. 5. Термопаста и инструменты.

В TEC1-12710 — 127 пар полупроводников, он рассчитан на 10A и оптимальное подаваемое напряжение — 12V (допустимо, но нежелательно превышение до 14-15V. При извлечении напряжения нагревом и охлаждением — элемент выдаст напряжение значительно ниже среднего — около 1V с пассивным охлаждением одной стороны. Поэтому нужно использовать повышающий преобразователь — когда на вход подается минимальное допустимое напряжение в 1V, он повышает и стабилизирует его, давая на выходе стабильные 5V. Большинство подобных устройств оснащены светодиодным индикатором — когда он загорится — значит на выходе есть 5V и можно работать.

Важно: Элементы Пелетье чувствительны к высоким температурам — нежелателен длительный нагрев элемента выше 160°C, иначе поплывут места спая полупроводников и он выйдет из строя. Также опасны короткие замыкания на поверхности элемента и между контактами.

1. Сперва нужно подготовить корпус БП. А именно — выпотрошить всю начинку и снять порты питания. Снизу на задней стенке, где будет крепиться радиатор, выпилите или пробейте 4 маленьких отверстия — они нужны для крепления радиатора на металлической проволоке. Также, при необходимости, пробейте отверстия для доступа кислорода снизу. Во всём остальном — корпус компьютерного БП идеально подходит для термогенератора.

lazy placeholder

2. Соблюдая полярность, припаяйте контакты ЭП к преобразователю, а сам преобразователь желательно заизолировать, для защиты от повреждений.

lazy placeholder

3. Теперь нужно реализовать охлаждение холодной стороны ЭП — активное, или пассивное. Пассивное — это просто радиатор, рассеивающий тепло. Активное — это когда тепло, переданное радиатору, рассеивается кулером, либо когда радиатор охлаждается холодной водой/снегом (зима — лучшее время для фанатов ЭП) — вариантов много. В любом случае, пассивное охлаждение допустимо в ветреной местности, но КПД устройства будет ниже.

lazy placeholder

«Холодная» сторона ЭП — это та, на которой набито название (протестировать можно, пустив на контакты ЭП ток). Для лучшего теплоотвода обильно смажьте холодную сторону ЭП термопастой — подойдет и легендарная КПТ-8, купленная на радиорынке, но лучше использоваться современные аналоги (спрашивайте в магазинах компьютерной техники). После — установите радиатор на холодную сторону ЭП, и готовое изделие плотно (используя металлическую проволоку) закрепите на стенке корпуса.

lazy placeholder
Термогенератор на Элементах Пелетье готов!

lazy placeholder
Работает сей агрегат очень просто: щепки или дрова, горящие внутри корпуса, нагреют одну из сторон ЭП, пока другую будет охлаждать радиатор. Разница температур начнет расти — а вместе с ней вырастет и вырабатываемое элементом напряжение. Когда на преобразователе загорится лампочка — к устройству можно подключать ваши девайсы, и те медленно, но верно будут заряжаться. А если иногда охлаждать водой радиатор — то заряжаться они будут ещё быстрее!

lazy placeholder

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

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.

lazy placeholder
Молекула вместо термопары

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

История

Динамо-машина Йедлика

В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1853 и 1856) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.

Диск Фарадея

lazy placeholder
В 1831 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.
Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярных генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких магнитов, распределённых по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.

Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.

Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.

Динамо-машина

lazy placeholder

Основная статья: Динамо-машина

Динамо-машина стала первым электрическим генератором, способным вырабатывать мощность для промышленности. Работа динамо-машины основана на законах электромагнетизма для преобразования механической энергии в пульсирующий постоянный ток. Постоянный ток вырабатывался благодаря использованию механического коммутатора. Первую динамо-машину построил Ипполит Пикси в 1832.

Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.

Динамо-машина состоит из статора, который создает постоянное магнитное поле, и набора обмоток, вращающихся в этом поле. На маленьких машинах постоянное магнитное поле могло создаваться с помощью постоянных магнитов, у крупных машин постоянное магнитное поле создается одним или несколькими электромагнитами, обмотки которых обычно называют обмотками возбуждения.

Большие мощные динамо-машины сейчас можно редко где увидеть, из-за большей универсальности использования переменного тока на сетях электропитания и электронных твердотельных преобразователей постоянного тока в переменный. Однако до того, как был открыт переменный ток, огромные динамо-машины, вырабатывающие постоянный ток, были единственной возможностью для выработки электроэнергии. Сейчас динамо-машины являются редкостью.

Обратимость электрических машин

Русский учёный Э. Х. Ленц ещё 1833 г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если её питать током, и может служить генератором электрического тока, если её ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838 г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжёлый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843 г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851 г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851—1867 гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863 г.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866—1867 гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.

В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретённый ещё в 1860 г. А. Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873 г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.

До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:

По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.

Другие электрические генераторы, использующие вращение

Без коммутатора динамо-машина является примером генератора переменного тока. С электромеханическим коммутатором динамо-машина — классический генератор постоянного тока. Генератор переменного тока должен всегда иметь постоянную частоту вращения ротора и быть синхронизирован с другими генераторами в сети распределения электропитания. Генератор постоянного тока может работать при любой частоте ротора в допустимых для него пределах, но вырабатывает постоянный ток.

МГД генератор

Магнитогидродинамический генератор напрямую вырабатывает электроэнергию из энергии движущейся через магнитное поле плазмы или другой подобной проводящей среды (например, жидкого электролита) без использования вращающихся частей. Разработка генераторов этого типа началась потому, что на его выходе получаются высокотемпературные продукты сгорания, которые можно использовать для нагрева пара в парогазовых электростанциях и таким образом повысить общий КПД. МГД генератор является обратимым устройством, то есть может быть использован и как двигатель.

lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder lazy placeholder

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

lazy placeholder
Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

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:

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.

lazy placeholder
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.

lazy placeholder
РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Термоэмиссионные генераторы

Современная научно-техническая революция сделала науку, слившуюся с производством, ведущим фактором прогресса. Поэтому будущий специалист еще в студенческой аудитории должен быть ориентирован на скорую встречу с совершенно новыми процессами, новой техникой, настроен на оригинальное поисковое решение научных и технических задач.

Еще до 1750 года было известно, что вблизи нагретых твердых тел воздух теряет свое свойство плохого проводника электричества. Однако причина этого явления оставалась неизвестной вплоть до 1880-х годов. В ряде экспериментов, проведенных в период 1882–1889, немецкие физики-экспериментаторы Юлиус Эльстер и Ганс Гейтель установили, что при пониженном давлении окружающего воздуха металлическая поверхность, раскаленная добела, приобретает положительный заряд. Об аналогичных наблюдениях упоминалось в патентной заявке Томаса Эдисона.

Процесс термоэлектронной эмиссии (см. рисунок 1) по принципу действия аналогичен процессу испарения жидкости, и его иногда называют «испарением электронов», чтобы поближе ознакомиться с ним и его применением в технике, для начала рассмотрим его физическую основу.

Микроструктура металла представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой расположены ионы, совершающие колебательное движение, и свободные электроны, движущиеся совершенно хаотично с различными по величине скоростями.

На перемещение электронов влияют как заряды ионов, так и заряды свободных электронов. Данное воздействие ближайших частиц заставляет электрон менять его направление и величину скорости. Таким образом, на поверхности металла электроны, выходящие из него, и ионы, расположенные на поверхности, образуют тонкий двойной слой положительных и отрицательных зарядов. Этот слой препятствует вылету электронов из металла. На электрон, попавший в двойной слой, действуют с одной стороны силы притяжения ионов, с другой — силы отталкивания электронов. Под действием равнодействующей данных сил электроны возвращаются в металл.

Работа, которую должен совершить электрон для преодоления сил притяжения к металлу, называется работой выхода электрона. При невысоких температурах число электронов, вылетающих из металла незначительно так, как большинство электронов обладает энергией недостаточной для совершения работы выхода. При повышении температуры металла увеличивается количество электронов, способных совершить работу выхода. Чем выше температура металла, тем большее количество электронов может вылететь из него. Следовательно, ток эмиссии возрастет с увеличением температуры.

lazy placeholder

Рис. 1. Термоэлектронная эмиссия

Математически данное явление сформулировал О.Ричардсон в 1902.

где k — постоянная Больцмана, А — постоянный множитель, а W — работа выхода, характерная для данного металла, но зависящая от состояния его поверхности; она равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла.

Рассмотрим применение данного процесса в технике.

lazy placeholder

Рис. 2. Схема термоэмиссионного генератора

Термоэмиссионный генератор (ТЭмГ) (см. рисунок 1) представляет собой два плоских электрода, разделенных небольшим промежутком d= 0,1 до 0,001 мм и включенных в цепь с нагрузочным резистором. Подогреваемый (до 1500–3000К) электрод называют катодом, а холодный анодом.

Термические циклы термоэмиссионного генератора осуществляются при наличии не менее двух источников теплоты разной температуры, замкнутой электрической цепи и при соблюдении условий поддержания интенсивной термоэлектронной эмиссии.

Подвод и отвод теплоты в циклах происходит в твердых телах, то есть практически с постоянной теплоемкостью и изотермически. На процессы перехода с одного температурного уровня на другой в реальных условиях влияет множество факторов, однако теоретически коэффициент полезного действия получившегося цикла будет приближаться к коэффициенту полезного действия цикла Карно.

Обсудим недостатки термоэмиссионных генераторов.

Также проблемой является подбор материалов по величине работы выхода, температуре плавления, антикоррозионности.

Следующим недостатком является внутренне магнитное поле, возникающее как результат движения электронов, которое накладывает ограничения на мощность, размер и коэффициент полезного действия термоэмиссионного генератора. Оно зависит от геометрии электронов и нейтрализуется наводимыми извне полями.

Однако помимо недостатков термоэмиссионные генераторы обладают и рядом преимуществ. Важнейшее из них — термоэмиссионный генератор, по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями, имеет меньшие габаритные показатели, высокую надёжность, отсутствие в них движущихся частей, возможность эксплуатации без систематического обслуживания.

Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе термоэмиссионных генераторов в космосе на спутниках.

В Советском Союзе параллельно с работами по созданию ЯЭУ (ядерная энергетическая установка) с термоэлектрическими генераторами проектировались ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить коэффициент полезного действия, повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. В 1970–1973 гг. были созданы три прототипа термоэмиссионной ядерной энергетической установки, которые прошли наземные испытания первые. Эти испытания непосредственно подтвердили возможность стабильного получения удовлетворительных выходных параметров реактора-преобразователя. Работы шли по ядерным энергетическим установкам двух типов: ТЭУ-5 «Тополь» (Топаз-1) и «Енисей» (Топаз-2). Летные испытания двух образцов ЯЭУ «Тополь» были проведены в 1987–1988 гг. на космическом аппарате (КА) «Плазма-А» разработки конструкторского бюро «Арсенал» («Космос-1818» и «Космос-1867»). ЯЭУ на КА «Космос-1818» проработала в течение 142 суток, а ЯЭУ на «Космос-1867» — в течение 342 суток. В обоих случаях окончание работы ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия, используемого при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя. [1]

Рассмотрим пример мощной установки, основанной на термоэмиссионном преобразовании. Реактор ТОПАЗ (см. рисунок 2) был первым в мире реактором, основанным на термоэмиссионном преобразовании, пущенным в СССР в 1970 году.

Его генерируемая мощность — от 5 до 10 кВт. Было сконструировано два таких реактора, которые проработали 1500 часов и 6000 часов, соответственно.

lazy placeholder

Рис. 2. Реактор ТОПАЗ

В данный момент мы можем наблюдать настоящий ренессанс космической ядерной энергетики — для решения энергоемких задач на околоземной орбите и в дальнем космосе требуется огромное количество энергии, выработать которую в настоящее время способны только ядерные энергетические установки. Я считаю, что при должном финансировании и внимании мирового ученого сообщества к этой технологии человечество уже в ближайшем будущем будет способно подойти к промышленному освоению космоса, пилотируемому полету на Марс и исследованию дальних планет.

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Здоровая спина
Adblock
detector