Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов GMZ Energy


СОДЕРЖАНИЕ:

Термоэмиссионный генератор с КПД более 80 процентов

Вы используете Internet Explorer устаревшей и не поддерживаемой более версии. Чтобы не было проблем с отображением сайтов или форумов обновите его до версии 7.0 или более новой. Ещё лучше — поставьте браузер Opera или Mozilla Firefox.

dimir

втянувшийся

Л.Н. Смирнов, В.Г. Сухоруков, ГУП «НИИЭнергоцветмет»
Перспективы термоэмиссионной энергетики

В энергетике основная доля выработки тепловой, механической и электрической видов энергии производится путем сжигания углеводородного топлива. Растущая стоимость добываемого топлива приводит к необходимости поиска путей его экономного расходования. Особенно остро стоит проблема эффективного преобразования тепла сжигания топлива в электрическую энергию.

Выработка электроэнергии паросиловыми агрегатами, составляющими основу современной электроэнергетики, из тепловой энергии осуществляется с малым коэффициентом полезного действия, значение которого не превосходит 28-31%. Проблема более эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую не решается и с помощью тепловых машин внутреннего сгорания -дизельных газотурбинных. КПД машин внутреннего сгорания лишь незначительно превосходит КПД паросиловых агрегатов, при этом используются дорогие виды топлива.

При решении задачи эффективного использования тепловой энергии в электрическую особую актуальность приобретает проблема использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в металлургии. Металлургия является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства Российской федерации. В 2002 году потребление энергоресурсов в целом по отрасли составило 152,2 млн. тонн условного топлива, из них на долю электроэнергии приходится 48,6%. По причине низкого значения КПД преобразования паросиловых агрегатов стоимость электрической энергии превосходит стоимость тепловой энергии в 3-4 раза. Доля тепла сжигаемого топлива, полезно используемого при выплавке металлов, не превосходит 25%. Остальное тепло плавки уходит с дымом в атмосферу. Применяемые в металлургии для полезного использования «бросового» тепла котлы-утилизаторы и элементы испарительного охлаждения вырабатывают пар и горячую воду, большая доля тепловой энергии которых в летний период времени не находит применения.

Существующее положение вызывает незатухающий интерес к разработкам преобразователей химической, солнечной, термоядерной и других видов энергии непосредственно в электрическую. Наиболее эффективными по производству электроэнергии с единицы объема являются батареи термоэмиссионных статических преобразователей, нашедшие применение в аэрокосмической технике. В качестве источника тепла применен ядерный источник. Так, базовую систему космической ядерной энергии США составляют элементы термоэсмиссионного преобразователя. Система имеет следующие характеристики: энергетическая мощность 2 МВт, КПД 9,3%, масса 24 тонны, расчетный ресурс 7 лет. В разработке преобразующих элементов принимала участие и Россия. Контактный способ передачи тепла от источника к термоэмиссионным элементам, примененный в космическом преобразователе, обеспечивает компактность устройства, но не позволяет осуществлять эффективно преобразование тепла источника в электрическую энергию, и поэтому значение КПД космического термоэмиссионного преобразователя невелико. При способе передачи тепла посредством подвижного теплоносителя (горячих газов от сжигания углеводородного топлива или бросовых горячих газов металлургических печей) обеспечивается резкое увеличение эффективности преобразования тепла в электрическую энергию. Способ легко реализуется в наземном варианте термоэмиссионного генератора (патент № 2144241).

В 1992 году при содействии действительного члена АИН РФ, доктора технических наук, профессора Ф.М. Черномурова в «НИИЭнергоцветмет» была поставлена задача создания опытно-промышленного образца термоэмиссионного преобразователя высокой эффективности и формой напряжения в потребительских вариантах.

Термоэмиссионный генератор является устройством внешнего сгорания и может работать на всех видах топлива — газообразном, жидком, твердом, а также на тепле отходящих газов металлургических печей. Он бесшумен, обладает пониженным уровнем вредных выбросов, что характерно для машин с внешним подводом тепла. Плоские термоэмиссионные элементы располагаются в виде ширм в канале для прохода топочных горячих газов. Горячие газы, омывая поверхности термоэмиссионных элементов, отдают тепло через них. Оно расходуется на испарение электронов в элементах и образование электрического тока термоэмиссии. Термоэмиссионные элементы объединены в единую электрическую сеть. Генератор имеет КПД преобразования свыше 80%, его работа поддается полной автоматизации. Устройство управления генератором позволяет обеспечивать его работу в одном из трех режимов — постоянный ток, трехфазный переменный и однофазный переменный. Предусмотрено частотное регулирование в диапазоне изменения частоты 0-2000 гц.

Технология изготовления термоэмиссионных элементов известна. Генераторы могут быть созданы на неограниченную мощность. При этом не требуется применение сложных и дорогих паровых турбин, электрогенераторов и других комплектующих, характерных для электростанций, оснащаемых паросиловыми агрегатами. Термоэмиссионные генераторы могут использовать в качестве автономных электростанций и как альтернатива котельным ЖКХ. В этом случае удобно применять электрическую энергию, и это будет недорого, т.к. КПД преобразования тепла в электроэнергию термоэмиссионных генераторов близок к КПД нагрева воды в котлах ЖКХ, достигающем 92%.

В комплекте с электродвигателем термоэмиссионный генератор может использоваться в качестве электропривода универсального назначения. Энергоустановка -термоэмиссионный малогабаритный асинхронный двигатель -достаточно компактна и может быть легко размещена в моторно-транспортных отделениях транспортных средств.

При установке термоэмиссионных элементов в виде ширм в газоходах отходящих газов металлургических печей для выработки электроэнергии металлургическая отрасль могла бы перейти на самообеспечение электроэнергией до уровня, составляющего 60% от требуемого потребления.

Прямое преобразование тепловой энергии непосредственно в электрическую посредством термоэмиссии в условиях развитой добычи углеводородного топлива может послужить существенной перестройке как на рынке генерации энергии, так и на рынке распределяющих сетей.

Физики в тысячи раз улучшили процесс превращения тепла в электричество

МОСКВА, 11 июл — РИА Новости. Американские физики нашли способ превращать тепло в электрический ток с очень высокой эффективностью при температурах, близких к абсолютному нулю, теперь можно будет создавать «вечные» электрогенераторы, в тысячи раз производительнее существующих сегодня устройств, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

В начале 19 века немецкий физик Томас Зеебек открыл так называемый термоэлектрический эффект. В своих опытах Зеебек случайно обнаружил, что пластинки из двух разных металлов способны вырабатывать ток в том случае, если их температуры отличаются и они соединены проводником. Данный феномен — эффект Зеебека — в настоящее время используется при конструкции термодатчиков. Кроме того, данный эффект пытаются приспособить для превращения остаточного тепла на промышленных предприятиях в электрический ток.

Группа ученых под руководством Джозефа Хэрэманса (Joseph Heremans) из университета штата Огайо в городе Коламбус (США) изучала так называемый спиновый эффект Зеебека, особую разновидность термоэлектрического эффекта, возникающую в ферромагнетиках — металлах и сплавах, обладающих магнитными свойствами.

Как объясняют физики, ферромагнетики содержат в себе две группы электронов, обладающих разным спином — квантовой характеристикой электрона. Скорость движения и другие физические свойства частиц зависят от спина. Из-за этого при появлении разницы в температуре внутри ферромагнетика возникает любопытный эффект — в нем появляются два «канала», по каждому из которых двигаются электроны с разным спином. Разная скорость движения частиц позволяет превращать поток электронов с разным спином в электрический ток.

Хэрэманс и его коллеги обнаружили, что данный эффект возможен не только в ферромагнетиках, но и в других типах проводников, изучая свойства полупроводникового сплава индия и олова.

В ходе своих экспериментов авторы статьи выяснили, что внешнее магнитное поле превращает фрагменты полупроводника в преобразователь тепла в электричество, если температура окружающей среды близка к абсолютному нулю. По расчетам физиков, напряжение тока увеличивается на восемь милливольт при повышении разницы в температуре полюсов устройства на один градус Кельвина. Это примерно в тысячу раз больше, чем удавалось достичь на самых эффективных преобразователях тепла на основе ферромагнетиков.

«На самом деле, это новое поколение теплового двигателя. В 18 веке у нас были паровые двигатели, в 19 веке — двигатели внутреннего сгорания, а в 20 веке появились первые термоэлектрические материалы. Теперь мы пытаемся приспособить для этих целей и магнитное поле», — пояснил Хэрэманс.

Физики полагают, что их открытие будет в конечном итоге использовано для создания генераторов, преобразующих тепло в электричество. Такие устройства не будут иметь движущихся и ломающихся частей, благодаря чему они будут работать практически вечно. Тем не менее, до их появления физикам и инженерам предстоит решить массу проблем — пока такие устройства работают только при низкой температуре и в присутствии сильного магнитного поля.

Термоэлектрический генератор для автомобиля: потери энергии будут снижены

Половина энергетики работает в холостую. Причина – несовершенство технологий: часть вырабатываемой энергии уходит на нагревание окружающего воздуха. Из-за этого КПД автомобильных двигателей не превышает 60%. Сложившуюся ситуацию пытается изменить Ганг Чен – американский ученый, работающий над проблемой в Массачусетском технологическом институте.

Он пытается использовать способность термоэлектрических материалов преобразовывать в электрическую энергию разницу температур. Ранее Карл Содерберг и Ганг Чен с помощью нанотехнологий увеличили эффективность одного из термоэлектрических материалов, что позволяет создавать принципиально новые термоэлектрические преобразователи. В 2008 году ученые на 40% увеличили эффективность термоэлектрического устройства, состоящего большей частью из висмута теллурида сурьмы.
Воплощать в жизнь идеи ученых взялась компания GMZ Energy. Ее специалисты уже создали ТЭГ – термоэлектрический генератор, который представляет собой модуль, преобразующий тепловую энергию в электрическую. Размеры модуля – 25×25 мм при толщине около 6 мм. Устройство предназначено для возвращения части вырабатываемой двигателями энергии в бортовую электросеть, что снижает потери энергии в целом и повышает КПД агрегата.

Генерация электроэнергии начинается при поступлении тепла в верхнюю часть ТЭГ. Возбужденные в полупроводнике электроны начинают двигаться в сторону холодного основания от горячей вершины. Отличие нового метода от использовавшихся ранее в снижении вибрации электронов, что уменьшает потери и увеличивает КПД термоэлектрического генератора. Компания GMZ Energy добилась таким образом увеличения эффективности ТЭГ в среднем на 50% в сравнении с аналогами.
Верхняя часть ТЭГ от GMZ способна выдержать температуру 600°С, в то время как температура нижней будет не более 100°С. При такой разнице модуль площадью 25×25 мм способен произвести около 7,5 Вт электроэнергии. Если такой ТЭГ установить поблизости с выхлопной трубой, можно в значительной степени уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов, снизив нагрузку на бортовой электрогенератор.
Последним детищем GMZ является большой ТЭГ мощностью 200 Вт. В его разработке участие принимало Минэнергетики США. Правительство заинтересовано в оснащении такими ТЭГ техники армии. Другое направление применения ТЭГ, которому содействует правительство, является повышением экономичности легковых авто. Теплоэлектрогенераторы от GMZ способны повысить эффективность их двигателей на 5%.

Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Семенов В.С., Бейльман А.В., Трифанов И.В.

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Семенов В.С., Бейльман А.В., Трифанов И.В.

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Текст научной работы на тему «Способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую»

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В. С. Семенов, А. В. Бейльман Научный руководитель — И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V. S. Semenov, A. V. Beylman Scientific supervisor — I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию — превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами. Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2]. ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг. при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

Каждый электрик должен знать:  Герконовые датчики

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

1. Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. «Морская техника и технология». 2011. № 1. С. 84-91.

2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А. Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В. В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131-142.

К ЗЕМЛЕ С ЛЮБОВЬЮ И ЗНАНИЕМ

В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.

Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.

Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах — от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности — от десятых долей до сотен ватт.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

Лабораторная работа.

Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.

50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось

Подключаем воду к охладителю и питание к Пельтье, проверяем работу элемента. Через десять минут брусок охладился до -10 градусов, а через 30 ещё больше. В помещении 22 градуса.

Чтож, всё хорошо работает, я в этом и не сомневался. Теперь отключаем блок питания и вместо него припаиваем 10Вт 6 вольтовою лампочку и ставим наш агрегат на конфорку.

Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.
Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.

Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…

Отключаем подачу воды, и ставим на охладитель большой радиатор.

Результат предсказуем, напряжение снизилось до трёх вольт, ток до 0.5А. За пятнадцать минут радиатор нагрелся до 45 градусов.

После того, как я снял прибор с конфорки, лампочка продолжала светить ещё минут десять, даже при разнице температур брусков всего в двадцать градусов, можно было различить накал спирали.

Выводы этой лабораторной просты. При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.

источник: Опыты с элементами Пельтье

а вот и заводская модель
Отопительная печь «Индигирка»

Электрогенерирующая дровяная отопительно-варочная печь

All-Audio.pro

Статьи, Схемы, Справочники

Термогенераторы электричества

Добавить в корзину. Сообщить другу. Вы никогда не задумывались над процессом выработки солнечной энергии от солнечных батарей? Такая чистая, дешевая, и в какой то степени не ограниченная энергия! А никогда вас не настигало чувство несправедливости?

Поиск данных по Вашему запросу:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Перейти к результатам поиска >>>

Термоэлектрические генераторы — Тепловые электрогенераторы

Log in No account? Create an account. Remember me. Facebook Twitter Google. Термогенератор Пельтье своими руками tutankanara 18 августа, В продолжение темы о самодельных девайсах. Элементы Пельтье это такие небольшие обычно 4х4 см. Или наоборот, подавая ток, нагреваем одну сторону и охлаждаем другую. Данное свойство элементов Пельтье используют при изготовлении переносных холодильников, но меня в первую очередь больше интересует генераторная способность этих устройств.

Действительно, очень удобно. Нагреваешь одну сторону элемента, охлаждаешь другую — и получаешь достаточный ток и напряжение для зарядки, например, сотового или прочих электронных девайсов.

А у меня вообще с электричеством напряг, часто не бывает, так что такая штука мне жизненно необходима. Нет, конечно, частично, проблему нехватки электричества могут решить солнечные батареи. Это, на данном этапе, я вообще считаю один из лучших источников альтернативной энергетики. Поэтому у меня есть и солнечная батарея о которой расскажу позже , небольшой, но достаточной для меня мощности. Выдаёт она где-то 1 — 1,5 ампера при напряжении от 5 до 15 вольт.

Но солнце есть не всегда, поэтому термогенератор оказался нужнее. Да и вне цивилизации он необходим, а также выживальщики, я думаю, такими вещами интересуются.

Для создания термогенератора подойдут не всякие элементы Пельтье, а лишь те, которые держат температуру градусов. Конечно, можно изготовить генератор и из обычных элементов, тех, что применяют в холодильниках, но лишь в порядке эксперимента. Ибо, чуть только перегреете — и элемент выйдет из строя. Приобрести высокотемпературные элементы можно у американцев или у китайцев.

Небольшое отступление про китайцев: читая мой блог, может сложиться неверное представлениея, что я плохо отношусь к Китаю или китайцам. Совсем наоборот, Китаем я восхищаюсь, что не мешает мне считать, что это самый вероятный наш противник. Опять же, немцы тоже когда-то были нашим врагом, да и французы, да и кто только не был.

И что с того? Будет война — будем ненавидеть, но пока мир — мы друзья. Тем более, что всё в конце концов закончится, как ранее в случае с другими нациями. И таки станут, после всех войн, русские и китайцы — братьями навек. Можно приобрести элементы и у соотечественников, но уж совсем по баснословной цене, а это не наш путь.

Итак мой термогенератор нагревается масляной на обычном, самом дешевом, подсолнечном масле горелкой. Которая помещена вот в такой разборный корпус, состоящий из консервной банки, регулятора высоты горелки и самого элемента Пельтье.

Сама горелка тоже состоит из банки и угольного фитиля. Изготовить такой фитиль можно по этой видеоинструкции. Подобная горелка и сама по себе хороша, можно использовать как источник освещения, вместо свечек. Масло на её работу уходит мало, особо не чадит, может гореть сутками. Вот это элемент Пельтье, сверху на него помещен радиатор от охлаждения компьютерного процессора, с вентилятором. Это регулятор уровня огня горелки. Его можно изготовить из чего угодно, лишь бы фантазия работала.

Элемент Пельтье в данном варианте два-три элемента, друг на друге, всё смазано термопастой у меня зажат между охлаждающим радиатором и нагревающим радиатором. Пространство вокруг элемента я заполнил резиной от каблуков ненужной обуви и склеил всё это автомобильным термогерметиком. В результате получился вентилятор охлаждения, который начинает работать от полутора вольт и жрёт совсем небольшой ток.

Для радиатора нагревания взял радиатор от кулера старого процессора. Напряжение, порядка вольт, у меня выходит на преобразователь, где уменьшается до нужных для девайсов пяти вольт.

Про этот преобразователь я уже писал. Кат только в пределах минуты-две вырабатываемое напряжение достигает полутора вольт, начинает крутиться вентилятор охлаждения, и холодная сторона элемента начинает охлаждаться.

В рабочий режим генерации термогенератор выходит через несколько минут. От него можно питать светодиодные гирлянды и заряжать электронные девайсы. Мой генератор даёт порядка миллиампер тока при 5 вольтах напряжения. Сила тока зависит от применяемого элемента. Если будет возможность, поставлю элементы получше. Также данное устройство, если снять генераторную часть, можно использовать в качестве обычной горелки, для кипячения воды. Обычно я заполняю наполовину банку и она закипает через минут.

Метки: Самодельные девайсы. Если вместо кулера поставить водяное охлаждение, то и воду нагревать можно :. Ответить Ветвь дискуссии. Существуют термогенераторы с водяным охлаждением, но это уже довольно солидные конструкции, с много большей мощностью. Ответить Уровень выше Ветвь дискуссии. Термогенератор Пельтье своими руками livejournal. А какова стоимость элементов Пельтье? А какова долговечность элементов Пельтье?

У американцев можно купить за 18 баксов плюс доставка Если брать несколько элементов, доставка не увеличивается. У них же имеется возможность купить элементы и за 10 долл. У них также можно купить и вольтовые элементы, которые, разумеется, много дороже.

У китайцев всё это можно приобрести чуть дешевле, но как-то доверия к их заявленным характеристикам тоже чуть меньше. Обычные же, холодильные элементы градусов Цельсия стоят немногим больше ста рублей штука.

Наверное вечность :. Наверное вечность : Я же в тырнете поискал, пишут, что висмутовые недолговечны. Наверное от перегрева дохнут. Там, собственно, висмут и клей только слабые элементы. Висмут легкоплавкий, клей китайский.

Не, нормальные элементы живут долго, очень долго. В принципе, можно вообще пойти по пути керосиновой лампы генератора из времён сталинского СССР. Я досконально изучил её работу, из чего состоит и тд. Точно повторить, конечно, не смогу, но общий принцип повторял. Делал из сгоревших держателей нити накала лампочек на вольт и спирали от электроплит элементы генерации. Генерирует от нагревания, но немного конечно, надо много таких элементов. Потом как-нибудь займусь вопросом.

Также во времена ВОВ партизаны вовсю использовали котелки-генераторы, рации подзаряжали. Немцы были в шоке, не понимая, как русские могут в лесу заряжать батареи.

Вот такой котелок я не смогу повторить, нужен особый биметалл. На месте нашего правительства я бы подобные девайсы производил в массовом количестве, ибо времена нынче наступают неспокойные, МЧС-ные.

Интересно, не слышал об этом. Хотя газогенератор надёжнее, но дороже и громоздкее. Edited at UTC. Не, Стирлингом я тоже занимался. И паровыми движками тоже. Я вообще если занимаюсь чем-то, то изучаю всё по теме. Просто увидел у китайцев готовые модели двигателей Стирлинга и не стал его конструировать, потом чуть денег будет просто куплю и поэкспериментирую.

Нагрев газом это совсем другой случай. Надо же где-то газ брать, а меня интересуют темы выживания, да и я сам тоже сейчас выживаю. Поэтому делаю всё из подручных средств.

Свечки отмёл сразу, неудобно плавятся, нужный жар не дают. Газ, спирт и тд тоже отмёл ибо. Хотя к спирту позже вернусь, ибо его как раз можно производить самому. Самогон, то есть, гнать. Вот масляная горелка оказалась идеальным вариантом на данный момент. Растительное масло можно самому производить, можно использовать животный жир, даже от рыб. Жар даёт ровный и достаточный.

Термогенератор нового поколения превращает тепло в электричество

Содержание 1 Делаем бесплатное электричество — простой самодельный генератор 1. Очень часто, к примеру, при выезде на природу, катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примером! Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает.

Термогенераторы из «Сколково» будут в 3 раза эффективнее

В году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов. В году Жан-Шарль Пельтье обнаружил обратный эффект , при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик тысячи сплавов и соединений , но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент.

Изготовление термогенератора электричества своими руками

Солнечные элементы. Солнечные батареи Cолнечные батареи с аккумулятором. Cолнечные батареи мобильные, ударопрочные, водонепроницаемые. Аксессуары для солнечных батарей. Контроллеры заряда для солнечных батарей.

Термогенератор TEP1-142T300

В современном мире большое количество бытовой техники и других устройств работает от электроэнергии. При этом, находясь в путешествии, приходится возить с собой химические источники тока, способные вырабатывать электроэнергию. Но также можно изготовить термогенератор своими руками. Для этого потребуются некоторые материалы, приспособления и определенные знания. В цепи разнородных проводников при переменной температуре может возникать термо-ЭДС в местах контакта.

Как сделать термопару в домашних условиях?

В материале рассказывается о принципах работы термоэлектрических генераторов и сферах их применения. Львиная доля электроэнергии сейчас вырабатывается тепловыми электростанциями. Сжигая органическое топливо, на станциях через промежуточный теплоноситель перегретый пар приводятся в движение турбины электрогенераторов. Цепочка производства энергии сложная, опасная и дорогая. Но она позволяет создавать мощные блоки генерации электрической энергии с высоким КПД коэффициентом полезного действия.

Центр Изучения Адаптивных Навыков

Канал ЭлектроХобби на YouTube. Термоэлектрический генератор термогенератор — это электрическое устройство, что способно на прямое преобразование тепловой энергии в электрический ток по средствам использования в своей конструкции термоэлементов различных комбинаций материалов образующих термопары. Принцип действия термогенератора основан на эффекте термо-ЭДС Зеебека, суть которого заключается в преобразовании энергии за счёт разности температур на разных частях устройства, результатом чего становится появление электродвижущей силы на клеммах.

Термоэлектрогенератор

Исследователи Массачусетского технологического института, США, создали термоэлектрический генератор, который может превращать тепловую энергию, вырабатываемую различными механизмами, в электрическую. Термоэлектрический генератор GMZ Energy генерирует электроэнергию, когда тепло поступает в верхнюю часть модуля, а затем проходит через полупроводниковый материал к более холодной стороне. Таким образом, движение электронов в полупроводнике под этой разностью температур создаёт напряжение. Такая разница температур позволяет модулю размером в 4 кв.

К неоспоримым достоинствам термоэлектрического прямого преобразования тепловой энергии в электрическую следует отнести отсутствие промежуточного звена, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Также термоэлектрические генераторы ТЭГ обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе. Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур.

Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений. Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники.

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

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.

Каждый электрик должен знать:  Распределение мощности дизельного генератора на 30 кВт

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:

  1. Если он состоит хотя бы из двух проводников, изготовленных из различных материалов.
  2. Если все входящие в состав контура разнородные участки имеют различную температуру (хотя бы в области соединения).

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),

  • Где Т1 и Т2 – температура проводников;
  • К – коэффициент Зеебека.

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).

Теплообменники 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.

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:

  1. Элемент Пельтье положим на дно глубокой посудины – миски или кружки.
  2. Далее в эту посудину вставим еще одну: если используются миски, то понадобится такая же; если ваш выбор пал на кружки, то вторая должна быть чуть меньше первой.
  3. К выведенным от элемента Пельтье проводам присоединим преобразователь напряжения.
  4. Внутреннюю посудину заполним снегом или холодной водой, после чего всю конструкцию поставим на огонь.


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:

  1. Поверхность каждой посудины в месте контакта с элементом Пельтье следует выровнять и зачистить, что обеспечит максимальный теплообмен. Для идеального прилегания можно отполировать донышки смазанным пастой ГОИ куском войлока, закрепленным в шпинделе электродрели.
  2. Присоединяем к контактам элемента Пельтье провода от электроплиты, снабженные термостойкой изоляцией. За неимением таковых можно применить, к примеру, провод МГТФЭ-0,35, обернув его термостойкой тканью.
  3. Смазав дно одной из посудин термопроводящей пастой, например, КПТ-8, укладываем на него элемент Пельтье. Подсоединенные к нему провода следует расположить так, чтобы их концы оказались вне емкости.
  4. Сверху элемент Пельтье снова смазываем термопастой и вставляем в нашу кружку или миску вторую емкость подходящего размера (у кружки нужно будет отрезать ручку).
  5. Пространство между емкостями необходимо заполнить термоустойчивым герметиком (можно купить в автомагазине состав для ремонта выхлопных труб). Он послужит теплоизоляцией между горячей и холодной сторонами генератора и дополнительной защитой для проводов.

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

Проще 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.

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.

Батареи 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.

Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов GMZ Energy

Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей.

Я сам не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла.

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление. Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации.

Анализ литературы позволил выяснить, что термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, когда 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался. Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека», состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещённая вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала [4].

В замкнутой цепи, составленной из разных материалов (термопаре), места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, обуславливающая разделение зарядов, получившая название электродвижущей силы (термо-э.д.с.). При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, то есть затрачивать работу (А). Отношение работы по перемещению заряда к величине этого заряда (q) называется напряжением (разностью потенциалов) (U). U= (В). Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором [1].

Проводник – материал, отлично пропускающий электрический ток. Большинство металлов относятся к проводникам. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов [3]. В цепи, составленной из произвольного количества металлов, э.д.с. равна нулю (правило Вольта). Однако положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения. В этом случае в цепи будет протекать электрический ток до тех пор, пока будет существовать разность температур между спаями. Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, то есть прибор, в котором часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдаётся холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов поток тепла, переходящего путём теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем доля тепла, превращаемая в электрическую энергию. Кроме того, сопротивление в металлах зависит от геометрических размеров проводника, т. е. от его длины и сечения, равно как от его состава и строения, определяющих частоту столкновений носителей зарядов с окружающими частицами. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Сопротивление у металлов также увеличивается с повышением температуры, следовательно, электропроводность (способность тела проводить электрический ток) уменьшается. Обусловленные этими причинами КПД термоэлементов из металлических проволок не превышает 0,5%. Потому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока [1].

Полупроводник – это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Исследование практического значения полупроводников принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики [2].

В полупроводнике существует два электрических тока. Электронный ток в полупроводнике обусловлен движением свободных отрицательно заряженных электронов, которые слабо связаны с ядрами «своих» атомов и легко отрываются с внешней электронной оболочки. Это – электронная проводимость. Место, откуда оторвался электрон, называют «дыркой». Дырку немедленно занимает электрон от соседнего атома. Так электроны, не освободившиеся совсем, перескакивают с атома на атом, перемещаясь туда, куда их влечёт электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад. Вместе с дыркой передаётся положительный заряд. Это – дырочная проводимость. Таким образом, в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек – свободных электронов, — носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Однако, свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает – он немного сильнее дырочного. Однако такая электропроводность характерна только для чистых полупроводников [2]. При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, то есть создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные проводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. Примесные полупроводники p-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны [3].

С появлением полупроводниковых материалов и технологий учёные вспомнили о возможности превращать тепло в электричество. Если из электронного и дырочного полупроводника сделать термопару и спаянные концы нагреть, а свободные охладить, то в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец – туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но электроны – отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд. В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд. Проводимость полупроводников при повышении температуры растёт и при наличии разности температур между такими спаями возникают электродвижущие силы, которые в десятки раз превышают э.д.с. чисто металлических термоэлементов [2].

Так как величина термо — э.д.с., развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала, то для получения более значительных э.д.с. отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Э.д.с. батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента [1].

В России с 1992 года налажено промышленное производство термоэлектрических модулей (ТЭМ). Санкт-Петербургская компания “Криотерм” в настоящее время выпускает более 250 типов ТЭМ, которые благодаря своим техническим характеристикам и высокой надёжности полностью соответствуют мировым стандартам. Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена. ТЭМ представляет собой совокупность термопар, электрически соединённых, как правило, последовательно. В стандартном элементе термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой мощности [5].

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. ТЭГ незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств. С помощью ТЭГ возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, ТЭГ легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии – электрическую. ТЭГ обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота [4].

В практической части работы были изготовлены термопары из проводниковых (медь, железо) и полупроводниковых (хромель, копель, алюмель, константан) материалов. Далее спаянные концы термопар нагревались в верхней части пламени лабораторной спиртовки при температуре около 900˚С, в то время как другие концы находились при комнатной температуре 23˚С. Цифровым мультиметром MD 838 P были сняты показания напряжения с данных термопар.

Опытным путём было установлено, что термопара из проводников имеет низкий КПД (напряжение составило всего 2 мВ), кроме того из-за высокой теплопроводности часть тепла отдаётся в окружающую среду, а также напряжение зависит от длины и сечения проволоки и уменьшается с повышением температуры. Результаты напряжения, снятые с полупроводниковых термопар, оказались в 20-40 раз выше, чем у термопары из проводников (гистограмма1).

Гистограмма 1. Напряжение, полученное с различных вариантов термопар

В ходе работы была выявлена термопара (хромель-копелевая), с помощью которой было получено напряжение 77 мВ. Следовательно, из всех протестированных термопар она оказалась наиболее оптимальной для преобразования тепла в электричество и создания термоэлектрогенератора. Кроме того практическим путём было установлено, что напряжение, которое можно получить с полупроводниковой термопары, не зависит от длины и сечения проволоки и с повышением температуры увеличивается. На следующем этапе путём последовательного подсоединения 19 полупроводниковых термопар была изготовлена термобатарея. После каждого подсоединения термопар снимались и вносились в таблицу показания напряжения (таблица1).

Каждый электрик должен знать:  Нужно ли менять электросчетчик на новый, если срок службы не вышел

Зависимость напряжения от количества хромель-алюмелевых термопар

Количество термопар, шт.

Термоэлектрический генератор

Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.

Вид термоэлектрического генератора

Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.

Модули «Пельтье» разных размеров

Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

Эффект «Пельтье» заключается в выделении тепла в месте контакта разнородных проводников при протекании по ним электрического тока.

Принцип действия модулей

На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.

Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).

Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.

Модуль «Пельтье»

Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.

Схема принципа работы модуля

В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.

Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.

Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.

На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.

Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.

Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.

На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.

Как выглядит структура модуля

Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.

В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.

Достоинства и недостатки ТЭМ

К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:

  • малые размеры;
  • возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
  • обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
  • отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.

Недостатки модулей:

  • малый КПД (2-3%);
  • необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
  • значительное потребление электроэнергии;
  • высокая стоимость.

Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:

  • охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
  • использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
  • создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
  • термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.

Термоэлектрический генератор

При малой производительности ТЭГ целесообразно применять в походных условиях, где требуется получить электричество для зарядки сотового телефона или светодиодной лампочки. Простота конструкции позволяет изготовить электрогенератор своими руками.

Альтернативными источниками также являются солнечные батареи или ветрогенератор. Для первых требуются особые условия – наличие солнечного освещения, которое может быть не всегда. Другой источник имеет большие габариты и для него необходим ветер. Ещё одним недостатком у них является наличие подвижных частей, снижающих надёжность и имеющих большой вес.

Термогенераторы промышленного изготовления

Компания BioLite разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного ТЭГ.

Компактная переносная печка на дровах

Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит.

При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. Красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

Схема работы ТЭГ компании BioLite на дровах

Печь-генератор «Индигирка», разработанная петербургским предприятием Криотерм, имеет характеристики:

  • тепловая мощность – 6 кВт;
  • вес – 56 кг;
  • габариты – 500х530х650 мм;
  • эл. мощность при напряжении 5В – 60 Вт.

Печь является обычной отопительно-варочной, где с двух сторон закреплены термоэлектрогенераторы.

Как выглядит печь-термоэлектрогенератор «Индигирка»

Устройство довольно удобное, но впечатляет цена – 50 тыс. руб. Хоть печь, и предназначена для походных условий, но рядовым охотникам и рыболовам она будет явно не по карману. Как отопительная, она ничем не лучше обычных и более дешёвых моделей.

Если пристроить ТЭГ к простой печи, устройство, изготовленное своими руками, будет работать отлично.

ТЭГ своими руками

Чтобы термоэлектрический генератор собрать своими руками, необходимы следующие элементы:

  1. Модуль. Для генерирования электрического тока можно применять не все модули, а только те, которые способны выдержать нагрев до 300-400 0 С. Наличие запаса по нагреву необходимо, поскольку даже при незначительном перегреве элемент выходит из строя. Наиболее распространены модели типа ТЕС1-12712 в виде квадратных пластин с размером стороны 40, 50 или 60 мм.

Если взять максимальный размер, достаточно в конструкции, сделанной своими руками, применить один элемент. Первые 3 цифры маркировки – 127 означают, сколько элементов содержится в 1 пластине. Последние цифры показывают величину максимально допустимого тока, который составляет 12 А.

  1. Повышающий преобразователь. Он необходим для получения постоянного напряжения 5В. Генератор может выдавать меньшее напряжение, которое необходимо увеличить. Устройства выпускают зарубежные (типы 5V NCP1402 и MAX 756) и отечественные (3.3В/5В ЕК-1674). Для зарядки мобильника следует подобрать устройство с USB разъёмом.
  2. Нагреватель. Простейшими вариантами являются костёр, свеча, самодельная лампа или миниатюрная печка.
  3. Охладитель. Проще всего применять воду или в зимнее время – снег.
  4. Соединительные элементы. Необходимо оборудование для создания максимально возможного температурного перепада между двумя сторонами пластины. Здесь выбор за умельцами, они чаще всего применяют 2 кружки или кастрюли разных размеров, у которых отпиливаются ручки и где одна вставляется внутрь другой. Между ними помещается модуль и крепится на термопасту. К нему припаиваются 2 провода и подключаются к преобразователю напряжения.

Для повышения КПД генератора, днища металлических поверхностей кружек или кастрюль, контактирующие с пластиной генератора, следует отполировать. Кроме того, на места между донышками меньшей и большой кружек наносится термостойкий герметик. Тогда тепло от нагрева будет локализовано в месте нахождения модуля.

Провода между модулем и преобразователем защищаются термостойкой изоляцией и герметиком.

Во внутреннюю кружку наливается вода, и вся конструкция ставится на огонь. Через несколько минут можно проверить выходное напряжение мультиметром.

Для того чтобы собрать термоэлектрический генератор самостоятельно, понадобятся материалы:

  1. элемент «Пельтье»;
  2. корпус от старого блока питания компьютера для изготовления мини-топки;
  3. преобразователь напряжения с USB выходом на 5В при входном 1-5 В;
  4. радиатор с кулером от процессора;
  5. термопаста.

Затраты здесь небольшие и устройство вполне способно зарядить мобильный телефон. Генератор, собранный своими руками, является аналогом зарубежной модели фирмы BioLite. Если его собрать аккуратно, устройство будет надёжно работать долгое время, поскольку ломаться здесь нечему. Важно только не перегреть элемент «Пельтье», отчего он может выйти из строя.

При использовании куллера для охлаждения радиатора его следует подключить к генератору, после чего часть вырабатываемой энергии будет расходоваться на охлаждение.

Несмотря на дополнительные энергозатраты, КПД установки возрастёт. Если радиатор будет сильно нагреваться в процессе работы, необходимо принять меры по его охлаждению. Иначе эффективность работы генератора будет низкой.

Характеристики генератора следующие:

  • выходное напряжение – 5В;
  • мощность нагрузки – 0,5А;
  • тип выхода – USB;
  • топливо – любое.

Устройство изготавливается следующим образом:

  • разобрать блок питания, оставив корпус;
  • приклеить термопастой модуль «Пельтье» к радиатору. Клеить надо холодной стороной, где нанесена маркировка;
  • зачистить и отполировать наружную боковую поверхность корпуса блока питания и приклеить к ней элемент другой стороной (вместе с радиатором);
  • припаять провода от входа преобразователя напряжения к выводам пластины.

Проверить ТЭГ можно, если наложить внутрь топки тонких веточек и поджечь их. Через несколько минут можно подключать телефон, для подзарядки которого требуется разница температуры сторон модуля 100 0 С. На рисунке ниже изображён генератор в сборке.

Термоэлектрогенератор в сборке, изготовленный своими руками

При использовании ТЭГ необходимо соблюдать полярность подключения модулей.

Видео. Термоэлектрический генератор

Эффект «Пельтье» позволяет создать небольшие генераторы и холодильники, работающие без подвижных частей. Повышение качества модулей и снижение энергопотребления мобильных устройств позволяет создать своими руками термоэлектрогенератор для зарядки аккумуляторов и снабжения небольшим количеством энергией различные устройства, где КПД не имеет особого значения.

Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение

Тепловая энергия и электрическая энергия – разные виды энергии, и мысль о преобразовании одного вида в другой напрашивается само собой (Термогенераторы). Электрическую энергию превратить в тепловую легко – это делает любая электроплитка, а иногда подобное преобразование является побочным и невыгодным для нас, как, например, в электролампочке накаливания.

Но существует и возможность получения электрической энергии непосредственно от источника тепла посредством устройств, называемых термогенераторы или термоэлектрогенераторы (ТЭГ), составляются из отдельных термоэлементов.

Устройство и принцип действия термоэлементов

Принцип действия термоэлементов основан на эффекте, открытом немецким физиком Зеебеком в 1821 году. Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи из двух соединенных разнородных проводников возникает электродвижущая сила (ЭДС) постоянного тока, если место спая проводников и свободные (неспаянные) концы проводников поддерживаются при разных температурах.

Разнородными проводниками могут служить разные металлы либо полупроводники с разными типами проводимости (n-типа и p-типа). Суть эффекта в том, что энергия свободных электронов (как и энергия молекул любого газа), зависит от температуры – чем выше температура, тем выше энергия. При контакте двух проводников электроны перемещаются от проводника с электронами более высокой энергии к проводнику с электронами менее высокой энергии. Если такое устройство из двух проводников замкнуть на внешнюю нагрузку, в ней возникнет электрический ток, стремящийся выровнять энергию электронов в проводниках, чему можно воспрепятствовать постоянным подводом тепла к нагретому спаю и удержанием низкой температуры холодных свободных концов.

Особенности термоэлементов

Величина ЭДС термоэлемента (термоэдс) определяется по формуле E = a (T1 — T2), где а – коэффициент термоэдс (называемый еще коэффициентом Зеебека, удельной термоэдс или термосилой), зависящий от материала проводников, составляющих термоэлемент. А T1 и T2 соответственно температура горячего и холодного концов термоэлемента. Поскольку a – это значение ЭДС термоэлемента при разнице температур в 1 °С (или 1 кельвин, обозначаемый К, и равный одному градусу Цельсия), то и выражается a в микровольтах на градус или кельвин (мкВ/К).

Сложность в том, что коэффициент термоэдс зависит от материала проводников термоэлемента, и, если мы имеем 10 материалов, из которых составляются термоэлементы в любых сочетаниях, они попарно дадут 90 значений a. Но ситуация облегчается тем, что значения коэффициентов термоэдс аддитивны, их можно складывать – если известны термоэдс двух материалом в паре с опорным материалом, то термоэдс пары материалов будет равна сумме термоэдс каждого из материалов в паре с опорным материалом.

Если взять один из металлов, например платину, за основу (опорный материал), и определять коэффициенты интересующих нас металлов относительно платины. То коэффициенты для всех прочих пар металлов определяются алгебраическим сложением (со знаком) коэффициентов составляющих пару металлов относительно платины (при этом сама платина в составе термоэлемента может отсутствовать).

Значение a несколько зависит от температурного диапазона и даже может менять знак в разных температурных диапазонах, оно также чувствительно к микроскопическим количествам примесей и к ориентации кристаллов в проводнике.

Поскольку разница температур в термобатареях обычно составляет сотни градусов, проще определить термоэдс относительно платины при нагреве одного конца термоэлемента до 100 °С, при поддержании нулевой температуры другого конца.

Подсчитаем термоэдс для пары с наибольшей термоэдс сурьма-висмут: 4,7-(-6,5) = 11,2 (мВ). Для пары железо-алюминий термоэдс составит всего 1,6 — 0,4 = 1,2 (мВ), почти в 10 раз меньше. Не следует забывать, что эту ЭДС термоэлемент развивает при разности температур в 100 °С с пропорциональным изменением при иной разности температур.

ЭДС термоэлементов из металлических проводников лежит в пределах 5-60 мкВ/К. Наибольшую термоэдс дает контакт двух полупроводников, при нагреве горячих спаев до 300-400 °С можно получить термоэдс до 0,3В на один термоэлемент.

История создания

Первоначально термоэлементы использовались в измерительных приборах и датчиках температуры (термопарах), в последующем из них стали создавать термогенераторы, собирая термобатареи из термоэлементов. В термобатареях термоэлементы для повышения вырабатываемых напряжения и мощности соединяются параллельно-последовательно.

Первую термоэлектрическую батарею создали в 1823 году века датские физики Эрстед и Фурье с термоэлементами из сурьмы и висмута, разница температур создавалась газовой горелкой. Термобатареи создавались и в последующие годы, но практического применения не находили, поскольку имели низкий коэффициент полезного действия (КПД), составлявший при электродах из чистых металлов менее процента. Для поднятия КПД следовало применять в качестве электродов полупроводниковые материалы – окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Советский академик А.И. Иоффе в начале 1930-х годов предложил превращать световую и тепловую энергию в электричество посредством полупроводников. В годы войны «партизанский котелок» на основе термобатареи из константана и сурьмянистого цинка позволял вырабатывать электроэнергию, мощности которой хватало для питания портативной радиостанции. Горячие спаи термобатареи нагревались пламенем костра, холодные находились в котелке с водой, что поддерживало разницу температур до 300 °С, при этом КПД доходил до 2%.

В 50-е годы в СССР выпускались термогенераторы для питания радиоприемников в неэлектрофицированных местностях. Горячие спаи термобатареи нагревались обычной керосиновой лампой, применявшейся для освещения, холодные спаи охлаждались воздушным радиатором с металлическими ребрами.

Одна секция подобной батареи вырабатывала напряжение 1,2 В для питания цепей накала электронных ламп радиоприемников, другая – напряжение 2 В для питания вибропреобразователя, вырабатывающего анодное напряжение. Общая мощность термобатареи составляла 4,6 Вт, вырабатываемой энергии хватало для питания распространенных в то время бытовых радиоприемников. Подобный генератор работал практически бесплатно, не боялся работы вхолостую и короткого замыкания, срок службы не ограничивался.

Применение термоэлементов и термогенераторов

Термоэлемент, используемый для измерения температуры, принято называть термопарой. Термоэлектрические термометры состоят из термопары в качестве датчика и электроизмерительного прибора (милливольтметра), градуированного в °С. Точность определения температуры термопарами доходит до 0,01 °С. Работают они в диапазонах от нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273 °С) до 2500 °С.

Термогенераторы вырабатывают электроэнергию посредством:
  • Сжиганием топлива и пиротехнических составов.
  • Радиоактивным распадом изотопов.
  • Работой атомного реактора.
  • Концентрацией солнечного света солнечным коллектором (зеркалом, линзой, тепловой трубой).
  • Съемом с выхлопных и печных труб.

Термоэлектрогенераторы собираются из термобатарей, набранных из полупроводниковых термоэлементов. Термогенераторы различаются низко-, средне- и высокотемпературные с работой соответственно в диапазоне температур 20-300, 300-600 и 600-1000 °С.

В ТЭГ осуществляется прямое преобразование энергии с исходной тепловой энергией, и их КПД. При выработке электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно с работой в том же интервале температур. Из этого следует, что высокотемпературные термогенераторы потенциально обладают более высоким КПД.

К полупроводниковому материалу, пригодному для создания термогенераторов, предъявляются требования по высокому КПД, технологичности, низкой стоимости, высокому коэффициенту термоэдс, нетоксичности, возможности работы в широком температурном диапазоне. Материал термоэлементов – это обычно твердые растворы германий-кремний. КПД лучших ТЭГ составляет 15%, при мощности до нескольких сотен кВт. Иногда КПД самых совершенных термоэлектрогенераторов доходит до десятков процентов.

Термоэлектрогенераторы широко применяются в качестве бортовых источников питания на космических аппаратах, предназначенных для исследования дальнего космоса, где солнечные батареи неэффективны. Такие генераторы обычно используют тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде плутония.

Используются термоэлектрогенераторы на автомобилях для полезного использования тепла выхлопной системы, на автоматических маяках, навигационных буях, метеостанциях, активных ретрансляторах.

Преимущества и недостатки термогенераторов
Преимущества ТЭГ:
  • Отсутствие движущихся частей.
  • Высокая надежность.
  • Большой (до 25 лет) срок службы.
  • Работа в широком диапазоне температур.
  • Автономность.
Недостатки ТЭГ:
  • Низкий КПД.
  • Сравнительно высокая стоимость.

Недостатки термоэлектрогенераторов преодолеваются по мере совершенствования технологий. Применения материалов с более совершенными характеристиками и их удешевления.

Добавить комментарий