Θερμογεννήτριες: πώς να "συγκολλήσετε" ηλεκτρική ενέργεια σε μια σόμπα αερίου

Ένα από τα ηλεκτρικά φόρουμ έθεσε την ακόλουθη ερώτηση: "Πώς μπορώ να πάρω ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας συνηθισμένο οικιακό αέριο;" Αυτό οφειλόταν στο γεγονός ότι το αέριο από αυτόν τον σύντροφο, και μάλιστα, όπως πολλοί, πληρώνεται απλά με πρότυπα χωρίς μετρητή.

Ανεξάρτητα από το πόσο χρησιμοποιείτε, πληρώνετε ένα σταθερό ποσό ούτως ή άλλως, και γιατί να μην μετατρέψετε το ήδη καταβεβλημένο αλλά αχρησιμοποίητο φυσικό αέριο σε ελεύθερη ηλεκτρική ενέργεια; Έτσι, στο φόρουμ εμφανίστηκε ένα νέο θέμα, το οποίο τραβήχτηκε από τους υπόλοιπους συμμετέχοντες: μια οικεία συζήτηση βοηθά όχι μόνο να μειώσει την εργάσιμη ημέρα αλλά και να σκοτώσει τον ελεύθερο χρόνο.

Έχουν προταθεί πολλές επιλογές. Απλά αγοράστε μια γεννήτρια βενζίνης και γεμίστε την με βενζίνη που λαμβάνεται με απόσταξη οικιακού αερίου ή επανατοποθετήστε τη γεννήτρια για να λειτουργήσει αμέσως με αέριο, όπως ένα αυτοκίνητο.

Αντί για μια μηχανή εσωτερικής καύσης, προτάθηκε ένας κινητήρας Stirling, γνωστός και ως κινητήρας εξωτερικής καύσης. Αυτός είναι ακριβώς ο κορυφαίος εκκινητής (αυτός που δημιούργησε το νέο θέμα) ισχυρίστηκε ότι η ισχύς της γεννήτριας ήταν τουλάχιστον 1 κιλοβάτ, αλλά ήταν ορθολογική, λένε, μια τέτοια ανάδευση δεν θα ταιριάζει ούτε στην κουζίνα μιας μικρής τραπεζαρίας. Επιπλέον, είναι σημαντικό ότι η γεννήτρια είναι σιωπηλή, αλλιώς, καλά, εσείς οι ίδιοι ξέρετε τι.

Μετά από πολλές προτάσεις, κάποιος θυμήθηκε να βλέπει μια εικόνα σε ένα βιβλίο που δείχνει μια λάμπα κηροζίνης με μια συσκευή αστέρα πολλαπλών σκελών για την τροφοδοσία ενός δέκτη τρανζίστορ. Αλλά αυτό θα συζητηθεί λίγο περισσότερο, αλλά για τώρα ...

Θερμογεννήτριες. Ιστορία και Θεωρία

Προκειμένου να λαμβάνεται ηλεκτρική ενέργεια απευθείας από καυστήρα αερίου ή από άλλη πηγή θερμότητας, χρησιμοποιούνται γεννήτριες θερμότητας. Ακριβώς όπως ένα θερμοστοιχείο, βασίζεται η αρχή λειτουργίας τους Effect Seebeckάνοιξε το 1821.

Το αναφερθέν αποτέλεσμα είναι ότι σε ένα κλειστό κύκλωμα δύο ανόμονων αγωγών εμφανίζεται ένα φορτίο εάν οι συνδέσεις των αγωγών είναι σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, μια ζεστή σύνδεση είναι σε ένα δοχείο βραστό νερό, και το άλλο σε ένα φλιτζάνι πάγου που τήκεται.

Η επίδραση προκύπτει από το γεγονός ότι η ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Στην περίπτωση αυτή, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται από τον αγωγό, όπου έχουν μεγαλύτερη ενέργεια στον αγωγό, όπου η ενέργεια των φορτίων είναι μικρότερη. Εάν μια από τις διασταυρώσεις θερμαίνεται περισσότερο από την άλλη, τότε η διαφορά στις ενέργειες των φορτίων σε αυτήν είναι μεγαλύτερη από την ψυχρή. Επομένως, αν το κύκλωμα είναι κλειστό, ένα ρεύμα ανακύπτει σε αυτό, ακριβώς την ίδια θερμοδυναμική ισχύ.

Περίπου το μέγεθος της θερμοδυναμικής δύναμης μπορεί να προσδιοριστεί με έναν απλό τύπο:

Ε = α * (Τ1 - Τ2). Εδώ, α είναι ο θερμοηλεκτρικός συντελεστής, ο οποίος εξαρτάται μόνο από τα μέταλλα από τα οποία αποτελείται ο θερμοστοιχείο ή ο θερμοστοιχείο. Η αξία του εκφράζεται συνήθως σε μοιροβάτες ανά βαθμό.

Η διαφορά θερμοκρασίας των συνδέσεων σε αυτόν τον τύπο (Τ1 - Τ2): Τ1 είναι η θερμοκρασία της θερμής σύνδεσης και Τ2, αντίστοιχα, του κρύου. Ο ανωτέρω τύπος απεικονίζεται σαφώς στο σχήμα 1.

Σχήμα 1. Αρχή θερμοστοιχείου

Αυτό το σχέδιο είναι κλασικό, μπορεί να βρεθεί σε οποιοδήποτε βιβλίο φυσικής. Το σχήμα δείχνει ένα δακτύλιο που αποτελείται από δύο αγωγούς Α και Β. Η ένωση των αγωγών ονομάζεται κόμβους. Όπως δείχνεται στο σχήμα, σε μια θερμή ένωση ΤΙ, η θερμοδυναμική δύναμη έχει διεύθυνση από το μέταλλο Β στο μέταλλο Α. Α σε μια ψυχρή ένωση Τ2 από το μέταλλο Α στο μέταλλο Β. Η κατεύθυνση της θερμότητας που υποδεικνύεται στο σχήμα ισχύει για την περίπτωση όταν η θερμοδυναμική ισχύς του μετάλλου Α είναι θετική σε σχέση με το μέταλλο Β .

Πώς να προσδιορίσετε τη θερμοηλεκτρική ισχύ ενός μετάλλου

Η θερμοηλεκτρική ισχύς ενός μετάλλου καθορίζεται σε σχέση με την πλατίνα. Για αυτό το θερμοστοιχείο, ένα από τα ηλεκτρόδια των οποίων είναι πλατίνα (Pt), και το άλλο είναι το δοκιμαστικό μέταλλο, θερμαίνεται στους 100 βαθμούς Κελσίου. Η ληφθείσα τιμή millivolts για μερικά μέταλλα φαίνεται παρακάτω.Επιπλέον, πρέπει να σημειωθεί ότι δεν αλλάζει μόνο το μέγεθος της θερμοηλεκτρικής ισχύος, αλλά και το σήμα της σε σχέση με την πλατίνα.

Σε αυτή την περίπτωση, η πλατίνα παίζει τον ίδιο ρόλο με τους 0 βαθμούς στην κλίμακα θερμοκρασίας και η όλη κλίμακα των τιμών θερμικής ισχύος είναι η εξής:

Αντιομόνιο +4.7, σίδηρος +1.6, κάδμιο +0.9, ψευδάργυρος +0.75, χαλκός +0.74, χρυσός +0.73, άργυρος +0.71, κασσίτερος +0.41, αλουμίνιο + 0,38, υδράργυρο 0, λευκόχρυσος 0.

Μετά την πλατίνα είναι μέταλλα με αρνητική θερμοηλεκτρική ισχύ:

Κοβάλτιο -1.54, νικέλιο -1.64, σταθερά (κράμα χαλκού και νικελίου) -3.4, βισμούθιο -6.5.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την κλίμακα, είναι πολύ απλό να προσδιοριστεί η τιμή της θερμοηλεκτρικής ισχύος που αναπτύσσεται από ένα θερμοστοιχείο που αποτελείται από διάφορα μέταλλα. Για να γίνει αυτό, αρκεί ο υπολογισμός της αλγεβρικής διαφοράς στις τιμές των μετάλλων από τα οποία κατασκευάζονται τα θερμοηλεκτροειδή.

Για παράδειγμα, για ζεύγος αντιμονίου-βισμούθιου, αυτή η τιμή θα είναι +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Αν ένα ζεύγος σιδήρου-αργιλίου χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδια, τότε αυτή η τιμή θα είναι μόνο +1,6 - (+ 0,38) = 1,22 mV, η οποία είναι σχεδόν δέκα φορές μικρότερη από εκείνη του πρώτου ζεύγους.

Εάν η ψυχρή σύνδεση διατηρηθεί σε σταθερή θερμοκρασία, για παράδειγμα 0 μοίρες, τότε η θερμοδυναμική ισχύς της θερμής σύνδεσης θα είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας, η οποία χρησιμοποιείται σε θερμοστοιχεία.

Πώς δημιουργήθηκαν θερμογεννήτριες

Ήδη στα μέσα του 19ου αιώνα έγιναν πολλές προσπάθειες να δημιουργηθούν γεννήτριες θερμότητας - συσκευές για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή για τροφοδοσία διαφόρων καταναλωτών. Ως τέτοιες πηγές, έπρεπε να χρησιμοποιούν μπαταρίες από σειριακά συνδεδεμένα θερμοστοιχεία. Ο σχεδιασμός μιας τέτοιας μπαταρίας φαίνεται στο σχήμα 2.

Σχήμα 2. Θερμική μπαταρία, σχηματική

Το πρώτο θερμοηλεκτρική μπαταρία που δημιουργήθηκε στα μέσα του 19ου αιώνα από τους φυσικούς Oersted και Fourier. Το βισμούθιο και το αντιμόνιο χρησιμοποιήθηκαν ως θερμοηλεκτροειδή, ακριβώς το ίδιο ζεύγος καθαρών μετάλλων με την υψηλότερη θερμοηλεκτρική ισχύ. Οι θερμές διασταυρώσεις θερμάνθηκαν με καυστήρες αερίου, ενώ ψυχρές συνδέσεις τοποθετήθηκαν σε ένα δοχείο με πάγο.

Σε πειράματα με τη θερμοηλεκτρική ενέργεια, τα θερμοπύλαια εφευρέθηκαν αργότερα, κατάλληλα για χρήση σε μερικές τεχνολογικές διαδικασίες και ακόμη και για φωτισμό. Ένα παράδειγμα είναι η μπαταρία Clamone, που αναπτύχθηκε το 1874, της οποίας η ισχύς ήταν αρκετή για πρακτικούς σκοπούς: για παράδειγμα, για γαλβανική επιχρύσωση, καθώς και για χρήση σε τυπογραφεία και εργαστήρια ηλιακής χάραξης. Περίπου την ίδια εποχή, ο επιστήμονας Noé συμμετείχε επίσης στη μελέτη των θερμοηλεκτρικών κυκλωμάτων, ενώ τα θερμοπύλαια του ήταν επίσης αρκετά διαδεδομένα εκείνη τη στιγμή.

Αλλά όλα αυτά τα πειράματα, μολονότι ήταν επιτυχημένα, καταδικάστηκαν σε αποτυχία, καθώς τα θερμοπύλες που βασίζονταν σε καθαρά μεταλλικά θερμοστοιχεία είχαν πολύ χαμηλή απόδοση, γεγονός που παρεμπόδισε την πρακτική τους εφαρμογή. Οι καθαρά μεταλλικοί καπνοί έχουν απόδοση μόνο μερικά δέκατα του ενός τοις εκατό. Τα υλικά των ημιαγωγών έχουν πολύ μεγαλύτερη απόδοση: μερικά οξείδια, σουλφίδια και διαμεταλλικές ενώσεις.

Θερμοστοιχεία ημιαγωγών

Μια πραγματική επανάσταση στη δημιουργία θερμοστοιχείων έγινε από τα έργα του Ακαδημαϊκού Α.Ι. Joffe. Στις αρχές της δεκαετίας του '30 του XX αιώνα, πρότεινε την ιδέα ότι η χρήση ημιαγωγών είναι δυνατή η μετατροπή της θερμικής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής, σε ηλεκτρική ενέργεια. Χάρη στην έρευνα ήδη από το 1940, δημιουργήθηκε φωτοκύτταρο ημιαγωγού για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.

Πρώτη πρακτική εφαρμογή θερμοηλεκτρικά ημιαγωγών θα έπρεπε να θεωρηθεί, προφανώς, «παρτιζάνιος σφαιριστής», που κατέστησε δυνατή την παροχή ισχύος σε ορισμένους φορητούς παρτιζάνους ραδιοφωνικούς σταθμούς.

Η βάση του θερμογεννήτη ήταν στοιχεία από σταθερά και SbZn. Η θερμοκρασία των ψυχρών συνδέσμων σταθεροποιήθηκε με βραστό νερό, ενώ οι θερμές διασταυρώσεις θερμάνθηκαν από τη φλόγα μιας φωτιάς, ενώ διαφορά θερμοκρασίας τουλάχιστον 250-300 μοιρών εξασφαλίστηκε. Η αποτελεσματικότητα μιας τέτοιας συσκευής δεν ήταν μεγαλύτερη από 1,5 ... 2,0%, αλλά η ισχύς για την τροφοδοσία των ραδιοφωνικών σταθμών ήταν αρκετά αρκετή.Φυσικά, σε εκείνες τις εποχές του πολέμου, ο σχεδιασμός του "bowler" ήταν κρατικό μυστικό, και ακόμα και τώρα, το σχέδιό του συζητείται σε πολλά φόρουμ στο Διαδίκτυο.

Γεννήτριες θερμότητας οικιακής χρήσης

Ήδη στις μεταπολεμικές πενήντα, η σοβιετική βιομηχανία άρχισε την παραγωγή θερμικές γεννήτριες TGK - 3. Ο κύριος σκοπός του ήταν να τροφοδοτήσει ραδιόφωνα που τροφοδοτούνται με μπαταρίες σε μη ηλεκτροκίνητες αγροτικές περιοχές. Η ισχύς της γεννήτριας ήταν 3 W, πράγμα που επέτρεψε την ενεργοποίηση των δεκτών μπαταριών, όπως οι Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 και κάποιοι άλλοι.

Η εμφάνιση του θερμο-γεννήτρου TGK-3 φαίνεται στο σχήμα 3.

Σχήμα 3. Θερμική γεννήτρια TGK-3

Σχεδιασμός θερμικής γεννήτριας

Όπως αναφέρθηκε ήδη, η γεννήτρια θερμότητας προοριζόταν για χρήση σε αγροτικές περιοχές όπου χρησιμοποιείται φωτισμός λαμπτήρες κηροζίνης "κεραυνοί". Ένας τέτοιος λαμπτήρας, εξοπλισμένος με μια θερμική γεννήτρια, έγινε όχι μόνο πηγή φωτός αλλά και ηλεκτρισμού.

Ταυτόχρονα, δεν χρειάστηκε πρόσθετο κόστος καυσίμων, επειδή ακριβώς εκείνο το μέρος της κηροζίνης που απλώς πέταξε στον αγωγό μετατράπηκε σε ηλεκτρισμό. Επιπλέον, μια τέτοια γεννήτρια ήταν πάντα έτοιμη για λειτουργία, ο σχεδιασμός της ήταν τέτοιος που δεν υπήρχε τίποτα να σπάσει σε αυτό. Η γεννήτρια θα μπορούσε απλώς να βρίσκεται σε αδράνεια, να λειτουργεί χωρίς φορτίο, δεν φοβόταν βραχυκύκλωμα. Η ζωή της γεννήτριας, σε σύγκριση με τις γαλβανικές μπαταρίες, φάνηκε απλώς αιώνια.

Ο ρόλος του σωλήνα εξαγωγής του λαμπτήρα κηροζίνης "κεραυνός" παίζεται από το επιμηκυμένο κυλινδρικό τμήμα του γυαλιού. Όταν χρησιμοποιήθηκε ο λαμπτήρας μαζί με τη γεννήτρια θερμότητας, το γυαλί συντομεύθηκε και μια μονάδα μεταβίβασης θερμότητας μετάλλων 1 εισήχθη εντός αυτού, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4. Λαμπτήρας κεροζίνης με θερμοηλεκτρική γεννήτρια

Το εξωτερικό τμήμα του πομπού θερμότητας έχει τη μορφή ενός πολύπλευρου πρίσματος επί του οποίου τοποθετούνται θερμοστοιχεία. Για να αυξηθεί η απόδοση της μεταφοράς θερμότητας, ο εσωτερικός πομπός θερμότητας είχε αρκετούς διαμήκεις δίαυλους. Περνώντας μέσα από αυτά τα κανάλια, τα καυτά αέρια μπήκαν μέσα στο σωλήνα εξάτμισης 3, ενώ ταυτόχρονα θερμαίνονταν το θερμοπύλη, πιο συγκεκριμένα, οι θερμές του κόμβοι.

Ένα κλιματιζόμενο ψυγείο χρησιμοποιήθηκε για να ψύξει τις κρύες διασταυρώσεις. Είναι μια μεταλλική νεύρωση προσαρτημένη στις εξωτερικές επιφάνειες των θερμοπυριδινών.

Θερμογεννήτρια - TGK3 αποτελείται από δύο ανεξάρτητα τμήματα. Ένας από αυτούς δημιούργησε τάση 2V με ρεύμα φορτίου μέχρι 2Α. Αυτή η ενότητα χρησιμοποιήθηκε για να ληφθεί η τάση ανόδου των λαμπτήρων χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα δονήσεων. Ένα άλλο τμήμα με τάση 1,2 V και ρεύμα φορτίου 0,5 Α χρησιμοποιήθηκε για την τροφοδοσία του νήματος των λαμπτήρων.

Είναι εύκολο να υπολογίσετε ότι η ισχύς αυτής της γεννήτριας θερμότητας δεν ξεπέρασε τα 5 watts, αλλά ήταν αρκετή για τον δέκτη, που έδωσε τη δυνατότητα να φωτίσει μακρά χειμωνιάτικες βραδιές. Τώρα, βέβαια, αυτό φαίνεται γελοίο, αλλά εκείνες τις ημέρες, μια τέτοια συσκευή ήταν αναμφισβήτητα ένα θαύμα της τεχνολογίας.

Το 1834, ο Γάλλος Jean Charles Atanaz Peltier ανακάλυψε το αποτέλεσμα απέναντι από το φαινόμενο του Seebick. Η έννοια της ανακάλυψης είναι ότι όταν το ρεύμα ρέει μέσω της διασταύρωσης από ανόμοια υλικά (μέταλλα, κράματα, ημιαγωγοί), η θερμότητα απελευθερώνεται ή απορροφάται, πράγμα που εξαρτάται από την κατεύθυνση του ρεύματος και τους τύπους των υλικών. Αυτό περιγράφεται λεπτομερώς εδώ: Εφέ του Peltier: το μαγικό αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος