Способ осуществляется использованием в качестве нагревательного элемента одного или более замкнутых витков проводника электрического тока, образующих вторичную обмотку электрического трансформатора, и введением теплоносителя в контакт с поверхностями проводника. Изобретение позволяет повысить надежность преобразования электрической энергии при теплообмене. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технологии преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкости в системах предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания, отопления и горячего водоснабжения промышленных предприятий и жилых зданий, для нагрева плазмы и других веществ. Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, основанный на прямом пропускании электрического тока через теплоноситель, создаваемого за счет подачи напряжения питающей сети через токоподводы к электродам (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Он используется для нагрева жидкости, бетона, для оттаивания грунтов, руды, песка и других веществ. Основными недостатками этого способа являются повышенная электроопасность из-за относительно высоких напряжений (380 В или 220 В), а также зависимость электронагрева и теплообмена от электрического сопротивления теплоносителя. В частности, в нагреваемую воду вносят специальные добавки, чтобы обеспечить заданное значение электрического сопротивления. Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, включающий подводку электропитания к нагревательному элементу, представляющему собой металлическую трубку, внутри которой находится нагревательная спираль, запрессованная в специальном наполнителе, пропускание электрического тока через нагревательную спираль (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Такой способ получил широкое распространение в различных областях народного хозяйства. Трубчатый электрический нагреватель (ТЭН) можно помещать в воду, соли, жидкий металл, пресс-форму, картер двигателя внутреннего сгорания и т.д. Однако к нагреваемой спирали подводится электрическое напряжение непосредственно от питающей сети, а снизить подаваемое напряжение не позволяет относительно высокое электрическое сопротивление спирали, что влечет необходимость электроизоляции спирали для обеспечения электробезопасности и что в свою очередь снижает теплопроводность между спиралью и металлической трубкой, а следовательно, ухудшает теплообмен между ТЭН (ом) и теплоносителем в целом. Электроизоляция спирали не исключает вероятность ее электрического пробоя и попадания на металлическую трубку ТЭН(а) высокого электрического потенциала, что приводит к необходимости ее заземления. Кроме того, ТЭН (ы) имеют ограниченный срок службы из-за перегорания спирали. Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, получивший название "Контактная сварка" (см. Н.С. Кабанов, "Сварка на контактных машинах", Москва, изд. "Высшая школа", 1985; Ю.Н. Бобринский и Н.П. Сергеев, "Устройство и наладка контактных сварочных машин", Москва, изд. "Машиностроение", 1967; В.Г. Геворкян, "Основы сварочного дела", Москва, изд. "Высшая школа", 1991). В данном способе нагревательным элементом и теплоносителем является свариваемый металл, который замыкает вторичную обмотку сварочного трансформатора, в результате чего по замкнутой цепи протекает электрический ток, достаточный для нагрева и сварки металла. При этом каждый виток вторичной обмотки трансформатора является отдельным источником электроэнергии, так как он охватывает один и тот же магнитный поток, создаваемый в магнитопроводе первичной обмоткой трансформатора. Этот способ является прототипом. Недостаток способа заключается в том, что он применим только лишь для теплоносителей с относительно низким электрическим сопротивлением. В случае применения жидкости, например воды, пришлось бы отказаться от понижения напряжения с помощью трансформатора, и способ превратился бы в рассмотренный первый со всеми его недостатками. Безопасность и надежность преобразования электрической энергии в тепловую, эффективность теплообмена в предлагаемом способе достигаются путем использования в качестве нагревательного элемента замкнутого витка проводника электрического тока или нескольких витков, образующих вторичную обмотку трансформатора, и введения теплоносителя в контакт с поверхностями проводника. При замыкании витка проводника, охватывающего магнитопровод трансформатора, в нем наводится ЭДС меньше от подводимой к первичной обмотке в число ее витков, что обеспечивает электробезопасность, а протекающий по замкнутому витку ток резко возрастает из-за малого электрического сопротивления витка и осуществляет его нагрев независимо от электрического сопротивления теплоносителя. В то же время непосредственный контакт теплоносителя с поверхностями замкнутого витка проводника повышает эффективность теплообмена за счет резкого снижения тепловых потерь. Могут быть созданы условия, исключающие возможность перегорания витка, что обеспечивает надежность преобразования. На чертеже приведен пример оборудования, реализующего предлагаемый способ. Способ осуществляется следующим образом. С помощью переключателя K первичную обмотку трансформатора с числом витков W 1 подключают к сети переменного тока. В магнитопроводе 1 возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС в замкнутых витках проводников 2 и 3 и вызывает в них электрический ток, нагревающий их. Проводник 2 выполнен в виде трубы, проводник 3 - из замкнутого пучка медных проводов. На вход A вводят холодный теплоноситель, например воду, которая попадает внутрь проводника 2 и омывает снаружи проводник 3. Через поверхности раздела проводников 2 и 3 и теплоносителя происходит теплообмен, теплоноситель нагревается и за счет конвекции поступает на выход Б. В одном частном случае проводник 3 может отсутствовать (он нужен тогда, когда электрическое сопротивление проводника 2 не согласуется с мощностью трансформатора). В другом частном случае, чтобы не допускать рассеяние тепла с наружной поверхности проводника 2, вместо проводника 2 может быть использована электроизоляционная труба, и тогда тепло в теплоноситель будет поступать только из проводника 3. В третьем случае проводником может являться сам теплоноситель, помещенный внутрь изоляционной трубы или в объем другой формы, охватывающей магнитопровод. Пример конкретного выполнения способа. Был взят радиатор стальной штампованный марки 2М3-500 (см. стр. 189, Справочник по специальным работам под редакцией Н.А. Коханенко, Москва, изд. литературы по строительству, 1964) с эквивалентной поверхностью нагрева 3,53 экм (эквивалент 11 - секционного чугунного радиатора М-140 по ГОСТ 8690-58) с емкостью 13,3 л. Из стальной трубы диаметром 3/4"" был изготовлен замкнутый виток, охватывающий магнитопровод трансформатора питания мощностью 1,5 кВт. Вход витка А был соединен с выходом (патрубок в нижней части радиатора, установленного вертикально), а выход витка Б - с входом радиатора (патрубок в верхней части) с помощью резиновых шлангов. В верхней части радиатора был установлен расширительный бачок емкостью 0,25 л. Затем система (радиатор - виток) была заполнена водой и первичная обмотка трансформатора включена в сеть с напряжением 220 В. Температура, окружающая радиатор до включения трансформатора, была 4,5 o C в объеме помещения 300 м 3 . После включения трансформатора были измерены электрическое напряжение на витке 0,8 В и электрический ток, проходящий по витку, который составил 1875 А. Через 20 мин температура воды в радиаторе возросла до 96 o C (первоначальная температура воды составляла 12 o C), после чего с помощью тиристорной системы управления потребляемая из сети мощность была уменьшена вначале до 800 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 82 o C, а затем через 2 часа до 500 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 60 o C. В результате 4-часового испытания температура в помещении достигла 18 o C. На следующий день система была включена на потребляемую мощность 1,5 кВт. Через 4 часа температура в помещении достигла 23 o C, после чего система была переведена на потребление 500 Вт и эксплуатируется в течение 1 месяца как обогревательное устройство. Были проведены испытания по нагреву системы отопления с емкостью 150 л по предлагаемому способу с потреблением мощности 800 Вт. В процессе испытаний был установлен нагрев воды от 16 o C до 58,5 o C за 7 часов, после чего система была переведена в режим, поддерживающий температуру на уровне 58 o C при потреблении мощности 500 Вт. Были проведены испытания по введению внутрь замкнутого витка из стальной трубы пучка из медных проводов, замкнутых с помощью пайки (проводник 3). В результате испытаний установлена возможность с помощью проводника 3 уменьшать эквивалентное электрическое сопротивление замкнутых витков практически в любых пределах и увеличивать потребляемую мощность до полной загрузки трансформатора. Испытания показали возможность снижения потребляемой электроэнергии в 1,5 -2 раза при использовании предлагаемого способа в сравнении с традиционными.

Формула изобретения

1. Способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, использующий в качестве нагревательного элемента вторичную обмотку электрического трансформатора, выполненную в виде замкнутого витка проводника в виде трубы со входом и выходом теплоносителя, отличающийся тем, что обеспечивают конвенцию теплоносителя через нагревательный элемент соединением его входа с выходом теплоносителя из радиатора, а выхода теплоносителя из нагревательного элемента - со входом радиатора, соединения выполняют шлангами, радиатор устанавливают вертикально таким образом, чтобы выход теплоносителя из радиатора находился в его нижней части, в верхней части радиатора устанавливают расширительный бачок и всю систему заполняют теплоносителем и подключают трансформатор в сеть. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замкнутый виток в виде трубы выполняют из электроизоляционного материала, а внутрь его устанавливают один или более замкнутых витков проводника.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Среди множества приборов, которые позволяют получать электроэнергию особое место занимают устройства, позволяющие выполнять преобразование тепловой энергии в электрическую. Их основной задачей является прямое преобразование одного вида энергии в другой с минимальным количеством различных промежуточных звеньев. Одновременно, решается задача по увеличению коэффициента полезного действия данного процесса.

Устройство преобразователя

Устройство-преобразователь состоит из нагреваемых элементов и электрической энергии. Для изготовления нагреваемых элементов используется мягкий магнитный материал, точка Кюри у которого понижена. Он теряет свои магнитные качества при нагреве и обладает фазовым переходом.

Эти элементы входят в магнитную цепь в форме буквы Ф. В ней имеется один средний и два боковых стержня. Боковые стержни состоят из двух элементов, между которыми находятся воздушные промежутки. Они примыкают к среднему стержню и относительно него располагаются симметрично по обеим сторонам.

Соединение нагреваемых элементов осуществляется с помощью жесткой планки. Она устанавливается на шарнире, расположенном с краю среднего стержня по оси симметрии. Когда планка изменяет свое положение, нагреваемые элементы по очереди перемыкают воздушные промежутки боковых стержней. В воздушных промежутках располагается теплопровод, с помощью которого подводится тепло от нагревателя. При отсутствии перемыкания воздушных промежутков, происходит соприкосновение нагреваемых элементов с охладителем. В среднем стержне имеется обмотка возбуждения, питающаяся от постоянного тока, генерирующие обмотки генератора располагаются на боковых стрежнях.

Практическая работа преобразователя

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется по определенной схеме. Когда питание подается к обмотке, происходит возникновение магнитного потока, расходящегося по боковым стержням. Подвижный элемент притягивается к боковому стержню и замыкает необходимый воздушный зазор. Происходит возрастание магнитного потока, при этом, нагреваемый элемент попадает под влияние теплопровода. Он нагревается до определенной температуры, при которой происходит потеря магнитных свойств.

Подвижный элемент притягивается к зазору и магнитная цепь бокового стержня замыкается.Таким образом, в одном из боковых стержней магнитное поле растет, а в другом оно падает. Этот процесс неоднократно повторяется. Конечным результатом всех этих действий является . Ее количество и мощность полностью зависят от того, с какой скоростью подается тепло и охлаждение. От этого же зависти и КПД всей системы.

Физические источники тока

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.

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.

Добавить сайт в закладки

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электриче­скую можно осуществить, используя явления в контакте двух метал­лов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой темпера­туре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой

U k = (A 1 – A 2) : e 0

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные сто­роны по цепи:

U k 1 - U k 2 = (A 1 – A 2) + (A 2 - A 1) : e 0 = 0

Если один из контактов, например 1, нагреть (t 1 > t 2), то равнове­сие нарушится - в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае U k1 > U K2 . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

E т = U Kl - U K2 = E 0 (t 1 - t 2),

где Е 0 - величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.

Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из раз­ных металлов, при разной температуре мест соединения.

Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначитель­ной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа - 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. - милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор - приемником.

Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 - 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.

При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.

Рисунок 2. n,p- полупроводники.

В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.

Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.

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

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

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

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

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

Термогенераторы. История и теория

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

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

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

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

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

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

Рисунок 1. Принцип работы термопары

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

Как определить термоэдс металла

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

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

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

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

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

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

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

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

Как создавались термогенераторы

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

Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство

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

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

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

Полупроводниковые термоэлементы

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

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

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

Бытовые термогенераторы

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

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

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

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

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

Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

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

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

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

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