Termogeneratoriai: kaip „suvirinti“ elektrą ant dujinės viryklės

Viename iš elektrinių forumų buvo užduotas šis klausimas: „Kaip aš galiu gauti elektrą naudojant įprastas buitines dujas?“ Tai motyvavo tuo, kad už šio bendražygio dujas ir, kaip ir daugeliui, mokama tiesiog pagal standartus be skaitiklio.

Nesvarbu, kiek sunaudosite, bet kokiu atveju mokate fiksuotą sumą, ir kodėl nepakeitus jau sumokėtų, bet nepanaudotų dujų į savarankiškai statomą elektrą? Taigi forume atsirado nauja tema, kurią pakėlė likę dalyviai: intymus pokalbis padeda ne tik sumažinti darbo dieną, bet ir užmušti laisvą laiką.

Buvo pasiūlyta daug variantų. Tiesiog nusipirkite benzino generatorių ir užpildykite jį benzinu, gautu distiliuojant buitines dujas, arba perdarykite generatorių, kad jis nedelsdamas dirbtų kaip kuras.

Vietoj vidaus degimo variklio buvo pasiūlytas Stirlingo variklis, dar žinomas kaip išorinio vidaus degimo variklis. Štai tik populiariausias starteris (tas, kuris sukūrė naują temą) teigė, kad generatoriaus galia ne mažesnė kaip 1 kilovatas, tačiau jis buvo racionalizuotas, sakydamas, kad toks maišymas netiks net mažos valgyklos virtuvėje. Be to, svarbu, kad generatorius tylėtų, kitaip, gerai, jūs pats žinote, ką.

Po daugelio pasiūlymų kažkas prisiminė knygoje pamatęs paveikslėlį, kuriame matyti žibalo lempa su kelių spindulių žvaigždės įtaisu, skirtu tranzistoriaus imtuvui maitinti. Bet tai bus aptarta šiek tiek toliau, tačiau kol kas ...

Termogeneratoriai. Istorija ir teorija

Norint gauti elektrą tiesiai iš dujų degiklio ar kito šilumos šaltinio, naudojami šilumos generatoriai. Kaip ir termopora, pagrįstas jų veikimo principas Seebecko efektasatidarytas 1821 m.

Minėtas poveikis yra tas, kad uždaroje dviejų skirtingų laidininkų grandinėje atsiranda emf, jei laidininkų jungtys yra skirtingose ​​temperatūrose. Pavyzdžiui, karšta sankryža yra verdančio vandens inde, o kita - tirpstančio ledo puodelyje.

Poveikis atsiranda dėl to, kad laisvųjų elektronų energija priklauso nuo temperatūros. Tokiu atveju elektronai pradeda judėti iš laidininko, kur laidininko energija didesnė, kur krūvių energija yra mažesnė. Jei viena iš sankryžų yra šildoma labiau nei kita, tada joje esančių krūvių energijų skirtumas yra didesnis nei šaltojoje. Todėl, jei grandinė uždaryta, joje atsiranda srovė, lygiai tokia pati termoelektrinė.

Apytiksliai šiluminės galios dydį galima nustatyti pagal paprastą formulę:

E = α * (T1 - T2). Čia α yra termoelektrinis koeficientas, kuris priklauso tik nuo metalų, iš kurių sudaryta termoelementas arba termoelementas. Jos vertė paprastai išreiškiama mikrovoltais viename laipsnyje.

Šioje formulėje esančių sankryžų temperatūrų skirtumas (T1 - T2): T1 yra karštos sankryžos, o atitinkamai T2 - šalčio, temperatūra. Aukščiau pateikta formulė aiškiai parodyta 1 paveiksle.

1 pav. Termoporos principas

Šis piešinys yra klasikinis, jį galima rasti bet kuriame fizikos vadovėlyje. Paveikslėlyje pavaizduotas žiedas, sudarytas iš dviejų laidininkų A ir B. Laidininkų jungtis vadinama sankryžomis. Kaip parodyta paveiksle, karštoje sankryžoje T1 šiluminė galia turi kryptį nuo metalo B iki metalo A. Šaltoje sankryžoje T2 nuo metalo A iki metalo B. Paveikslėlyje nurodyta šiluminės galios kryptis galioja tuo atveju, kai metalo A šiluminė galia yra teigiama metalo B atžvilgiu. .

Kaip nustatyti metalo termoelektrinę galią

Termoelektrinė metalo galia nustatoma platinos atžvilgiu. Tam termoelementas, kurio vienas elektrodų yra platina (Pt), o kitas - bandymo metalo, įkaitinamas iki 100 laipsnių Celsijaus. Gauta kai kurių metalų milivoltų vertė parodyta žemiau.Be to, reikia pažymėti, kad keičiasi ne tik termofikacijos jėga, bet ir jos ženklas platinos atžvilgiu.

Šiuo atveju platina vaidina tą patį vaidmenį kaip 0 laipsnių temperatūros skalėje, o visa šiluminės galios verčių skalė yra tokia:

Stibis +4,7, geležis +1,6, kadmis +0,9, cinkas +0,75, varis +0,74, auksas +0,73, sidabras +0,71, alavas +0,41, aliuminis + 0,38, gyvsidabris 0, platina 0.

Po platinos yra metalai, turintys neigiamą termoelektrinę galią:

Kobaltas -1,54, nikelis -1,64, konstantas (vario ir nikelio lydinys) -3,4, bismutas -6,5.

Naudojant šią skalę, labai paprasta nustatyti termoelektrinės galios, kurią sukuria termoelementas, sudarytas iš įvairių metalų, vertę. Norėdami tai padaryti, pakanka apskaičiuoti algebrinį metalų, iš kurių gaminami termoelektrodai, verčių skirtumus.

Pavyzdžiui, stibio-bismuto porai ši vertė bus +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Jei kaip elektrodai naudojama geležies ir aliuminio pora, ši vertė bus tik +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, tai yra beveik dešimt kartų mažiau nei pirmosios poros.

Jei šalta sankryža palaikoma pastovioje temperatūroje, pavyzdžiui, 0 laipsnių, tada karštos sankryžos šiluminė galia bus proporcinga temperatūros pokyčiui, kuris naudojamas termoporose.

Kaip buvo sukurti termogeneratoriai

Jau XIX amžiaus viduryje buvo bandoma kurti šilumos generatoriai - prietaisai elektros energijai gaminti, tai yra, skirti energijai tiekti įvairius vartotojus. Kaip tokius šaltinius reikėjo naudoti baterijas iš serijiniu būdu sujungtų termoporų. Tokios baterijos dizainas parodytas 2 paveiksle.

2 pav. Šiluminė baterija, schema

Pirmasis termoelektrinė baterija sukūrė XIX amžiaus viduryje fizikų Oerstedo ir Furjė. Bismutas ir stibis buvo naudojami kaip termoelektrodai, lygiai taip pat grynų metalų pora su didžiausia termoelektrine galia. Karštos sankryžos buvo šildomos dujiniais degikliais, o šaltos sankryžos buvo dedamos į indą su ledu.

Eksperimentuojant su termoelektriškumu, vėliau buvo išrasti termopiliai, tinkami naudoti kai kuriuose technologiniuose procesuose ir net apšvietimui. Kaip pavyzdį galima paminėti „Clamone“ akumuliatorių, sukurtą 1874 m., Kurio galia buvo pakankamai pakankama praktiniams tikslams: pavyzdžiui, galvaniniam auksavimui, taip pat naudoti spaustuvėse ir helio graviravimo dirbtuvėse. Maždaug tuo pačiu metu mokslininkas Noé taip pat dalyvavo tyrinėjant termopilus, jo termopiliai tuo metu taip pat buvo gana paplitę.

Bet visi šie eksperimentai, nors ir buvo sėkmingi, buvo pasmerkti nesėkmei, nes termopiliai, kurių pagrindą sudaro gryno metalo termoporos, turėjo labai mažą efektyvumą, o tai trukdė juos praktiškai pritaikyti. Grynai metalinių garų efektyvumas yra tik kelios dešimtosios procento. Puslaidininkinės medžiagos yra daug efektyvesnės: kai kurie oksidai, sulfidai ir tarpmetaliniai junginiai.

Puslaidininkiniai termoelementai

Tikra revoliucija kuriant termoelementus buvo padaryta akademiko A.I. Joffe. XX amžiaus 30-ųjų pradžioje jis iškėlė mintį, kad naudojant puslaidininkius šiluminę energiją, įskaitant saulės energiją, galima paversti elektros energija. Jau 1940 m. Atlikto tyrimo dėka buvo sukurtas puslaidininkinis fotoelementas saulės šviesos energiją paversti elektros energija.

Pirmasis praktinis pritaikymas puslaidininkiniai termoelementai tai turėtų būti laikoma „partizanų šaukliu“, kuris leido aprūpinti energiją kai kurioms nešiojamosioms partizanų radijo stotims.

Termogeneratoriaus pagrindą sudarė elementai iš konstanto ir SbZn. Šaltų sankryžų temperatūra buvo stabilizuota verdančiu vandeniu, o karštos sankryžos buvo kaitinamos ugnies liepsna, užtikrinant mažiausiai 250 ... 300 laipsnių temperatūrų skirtumą. Tokio prietaiso efektyvumas buvo ne didesnis kaip 1,5 ... 2,0%, tačiau jėgos radijo stotims maitinti pakako.Žinoma, tais karo laikais „boulingo“ dizainas buvo valstybės paslaptis, ir net dabar jo dizainas svarstomas daugelyje interneto forumų.

Buitiniai šilumos generatoriai

Jau pokario šeštajame dešimtmetyje sovietinė pramonė pradėjo gaminti šiluminiai generatoriai TGK-3. Pagrindinis jos tikslas buvo maitinti radijo bangomis maitinamus radijo imtuvus neelektrifikuotose kaimo vietose. Generatoriaus galia buvo 3 W, o tai leido maitinti akumuliatorių imtuvus, tokius kaip Tula, Iskra, Talinas B-2, Rodina 47, Rodina 52 ir kai kurie kiti.

Termogeneratoriaus TGK-3 išvaizda parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Šiluminis generatorius TGK-3

Šiluminio generatoriaus dizainas

Kaip jau minėta, šilumos generatorius buvo skirtas naudoti kaimo vietovėse, kur buvo naudojamas apšvietimas žibalinės lempos "žaibas". Tokia lempa su įmontuotu šilumos generatoriumi tapo ne tik šviesos, bet ir elektros šaltiniu.

Tuo pačiu metu nereikėjo papildomų degalų sąnaudų, nes būtent ta žibalo dalis, kuri tiesiog atskrido į vamzdį, virto elektra. Be to, toks generatorius visada buvo paruoštas darbui, jo konstrukcija buvo tokia, kad į jį tiesiog nebuvo ko įsilaužti. Generatorius galėjo tiesiog gulėti nenaudojamas, dirbti be apkrovos, nebijojo trumpųjų jungimų. Generatoriaus gyvenimas, palyginti su galvaninėmis baterijomis, atrodė tiesiog amžinas.

Žibalo žibinto išmetimo vamzdžio „žaibas“ vaidmenį vaidina pailga cilindrinė stiklo dalis. Naudojant lempą kartu su šilumos generatoriumi, stiklas buvo sutrumpintas ir į jį įdėtas metalinis šilumos perdavimo blokas 1, kaip parodyta 4 paveiksle.

4 paveikslas. Žibalo lempa su termoelektriniu generatoriumi

Išorinė šilumos daviklio dalis yra daugialypė prizmė, ant kurios tvirtinamos termopilės. Šilumos perdavimo efektyvumui padidinti šilumos siųstuvas viduje turėjo kelis išilginius kanalus. Praeidami pro šiuos kanalus, karštos dujos pateko į išmetimo vamzdį 3, kartu kaitindamos termopilį, tiksliau, jo karštas sankryžas.

Šaltuoju sankryžų aušinimui buvo naudojamas oru aušinamas radiatorius. Tai metalinis šonkaulis, pritvirtintas prie termopilų blokų išorinių paviršių.

Termogeneratorius - TGK3 sudarė du nepriklausomi skyriai. Vienas iš jų sukūrė 2V įtampą esant 2A apkrovos srovei. Ši sekcija buvo naudojama lempų anodo įtampai gauti naudojant virpesių keitiklį. Lemputų kaitinimo siūlei buvo naudojamas kitas skyrius, kurio įtampa buvo 1,2 V, o apkrovos srovė - 0,5 A.

Nesunku apskaičiuoti, kad šio šilumos generatoriaus galia neviršijo 5 vatų, tačiau to užteko imtuvui, kuris leido praskaidrinti ilgus žiemos vakarus. Dabar, žinoma, tai atrodo juokinga, tačiau tais laikais toks įrenginys neabejotinai buvo technologijos stebuklas.

1834 m. Prancūzas Jeanas Charlesas Atanazas Peltier atrado efektą, priešingą Seebicko efektui. Atradimo prasmė yra ta, kad praeinant srovei per sankryžą iš skirtingų medžiagų (metalų, lydinių, puslaidininkių) išsiskiria arba absorbuojama šiluma, kuri priklauso nuo srovės krypties ir medžiagų rūšių. Tai išsamiai aprašyta čia: Peltier efektas: stebuklingas elektros srovės poveikis