Thermogeneratoren: Wie man Elektrizität an einem Gasherd „schweißt“

In einem der Elektroforen wurde die folgende Frage gestellt: „Wie kann ich mit normalem Haushaltsgas Strom beziehen?“ Dies wurde durch die Tatsache motiviert, dass das Gas dieses Kameraden und tatsächlich, wie viele, einfach nach Maßstäben ohne Zähler bezahlt wird.

Egal wie viel Sie verbrauchen, Sie zahlen trotzdem einen festen Betrag und warum nicht bereits bezahltes, aber nicht verbrauchtes Gas in freistehenden Strom umwandeln? So erschien im Forum ein neues Thema, das von den übrigen Teilnehmern aufgegriffen wurde: Ein vertrauliches Gespräch hilft nicht nur, den Arbeitstag zu verkürzen, sondern auch die Freizeit zu töten.

Viele Optionen wurden vorgeschlagen. Kaufen Sie einfach einen Benzingenerator und füllen Sie ihn mit Benzin, das durch Destillation von Haushaltsgas gewonnen wurde, oder lassen Sie den Generator wie ein Auto sofort mit Gas arbeiten.

Anstelle eines Verbrennungsmotors wurde ein Stirlingmotor, auch als Verbrennungsmotor bekannt, vorgeschlagen. Das ist nur der Top-Starter (derjenige, der das neue Thema geschaffen hat), der eine Generatorleistung von mindestens 1 Kilowatt behauptete, aber es wurde rationalisiert, sagen sie, ein solches Stirling würde nicht einmal in die Küche eines kleinen Esszimmers passen. Außerdem ist es wichtig, dass der Generator leise ist, sonst wissen Sie selbst was.

Nach vielen Vorschlägen erinnerte sich jemand daran, ein Bild in einem Buch gesehen zu haben, das eine Petroleumlampe mit einem Mehrstrahl-Sterngerät zur Stromversorgung eines Transistorempfängers zeigt. Dies wird aber noch etwas weiter besprochen, aber vorerst ...

Thermogeneratoren. Geschichte und Theorie

Um Strom direkt von einem Gasbrenner oder einer anderen Wärmequelle zu erhalten, werden Wärmeerzeuger verwendet. Genau wie bei einem Thermoelement basiert ihr Funktionsprinzip auf Seebeck-Effekt1821 eröffnet.

Der erwähnte Effekt ist, dass in einem geschlossenen Stromkreis von zwei unterschiedlichen Leitern eine EMK auftritt, wenn die Übergänge der Leiter unterschiedliche Temperaturen haben. Zum Beispiel befindet sich eine heiße Verbindung in einem Gefäß mit kochendem Wasser und die andere in einer Tasse schmelzendem Eis.

Der Effekt ergibt sich aus der Tatsache, dass die Energie der freien Elektronen von der Temperatur abhängt. In diesem Fall beginnen sich die Elektronen vom Leiter zu bewegen, wo sie eine höhere Energie im Leiter haben, wo die Energie der Ladungen geringer ist. Wenn einer der Übergänge stärker erwärmt wird als der andere, ist der Unterschied in den Energien der Ladungen auf ihm größer als auf dem kalten. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, entsteht daher ein Strom, genau die gleiche Thermoleistung.

Die Größe der Thermoleistung kann ungefähr durch eine einfache Formel bestimmt werden:

E = α * (T1 - T2). Hier ist α der thermoelektrische Koeffizient, der nur von den Metallen abhängt, aus denen das Thermoelement oder Thermoelement besteht. Sein Wert wird üblicherweise in Mikrovolt pro Grad ausgedrückt.

Die Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen in dieser Formel (T1 - T2): T1 ist die Temperatur der heißen Verbindungsstelle bzw. T2 der kalten Verbindungsstelle. Die obige Formel ist in Abbildung 1 deutlich dargestellt.

Abbildung 1. Funktionsprinzip des Thermoelements

Diese Zeichnung ist klassisch und kann in jedem Physiklehrbuch gefunden werden. Die Abbildung zeigt einen Ring aus zwei Leitern A und B. Die Verbindungsstelle der Leiter wird als Verbindungsstelle bezeichnet. Wie in der Figur gezeigt, hat in einem heißen Übergang T1 die Thermopower eine Richtung von Metall B zu Metall A. A in einem kalten Übergang T2 von Metall A zu Metall B. Die in der Figur angegebene Richtung der Thermopower gilt für den Fall, dass die Thermopower von Metall A in Bezug auf Metall B positiv ist .

So bestimmen Sie die thermoelektrische Leistung eines Metalls

Die thermoelektrische Leistung eines Metalls wird in Bezug auf Platin bestimmt. Für dieses Thermoelement, von dem eine der Elektroden Platin (Pt) und die andere das Testmetall ist, wird es auf 100 ° C erhitzt Grad Celsius. Der erhaltene Millivolt-Wert für einige Metalle ist unten gezeigt.Darüber hinaus ist zu beachten, dass sich nicht nur die Größe der Thermoleistung ändert, sondern auch ihr Vorzeichen in Bezug auf Platin.

In diesem Fall spielt Platin auf der Temperaturskala die gleiche Rolle wie 0 Grad, und die gesamte Skala der Thermoleistungswerte lautet wie folgt:

Antimon +4,7, Eisen +1,6, Cadmium +0,9, Zink +0,75, Kupfer +0,74, Gold +0,73, Silber +0,71, Zinn +0,41, Aluminium + 0,38, Quecksilber 0, Platin 0.

Nach Platin sind Metalle mit negativer thermoelektrischer Leistung:

Kobalt -1,54, Nickel -1,64, Konstantan (eine Legierung aus Kupfer und Nickel) -3,4, Wismut -6,5.

Mit dieser Skala ist es sehr einfach, den Wert der thermoelektrischen Leistung zu bestimmen, die von einem Thermoelement aus verschiedenen Metallen entwickelt wird. Dazu reicht es aus, die algebraische Differenz der Werte der Metalle zu berechnen, aus denen die Thermoelektroden bestehen.

Für ein Antimon-Wismut-Paar beträgt dieser Wert beispielsweise +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Wenn ein Eisen-Aluminium-Paar als Elektroden verwendet wird, beträgt dieser Wert nur +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, was fast zehnmal weniger ist als der des ersten Paares.

Wenn die Vergleichsstelle auf einer konstanten Temperatur von beispielsweise 0 Grad gehalten wird, ist die Thermoleistung der heißen Verbindungsstelle proportional zur Temperaturänderung, die bei Thermoelementen verwendet wird.

Wie Thermogeneratoren entstanden sind

Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts wurden zahlreiche Versuche unternommen, etwas zu schaffen Wärmeerzeuger - Geräte zur Erzeugung elektrischer Energie, dh zur Stromversorgung verschiedener Verbraucher. Als solche Quellen sollten Batterien von in Reihe geschalteten Thermoelementen verwendet werden. Der Aufbau einer solchen Batterie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Thermobatterie, schematisch

Der erste thermoelektrische Batterie Mitte des 19. Jahrhunderts von den Physikern Oersted und Fourier geschaffen. Wismut und Antimon wurden als Thermoelektroden verwendet, genau das gleiche Paar reiner Metalle mit der höchsten thermoelektrischen Leistung. Heiße Verbindungen wurden durch Gasbrenner erhitzt, während kalte Verbindungen in ein Gefäß mit Eis gegeben wurden.

In Experimenten mit Thermoelektrizität wurden später Thermopiles erfunden, die zur Verwendung in einigen technologischen Prozessen und sogar zur Beleuchtung geeignet sind. Ein Beispiel ist die 1874 entwickelte Clamone-Batterie, deren Leistung für praktische Zwecke völlig ausreichte: zum Beispiel für die galvanische Vergoldung sowie für den Einsatz in Druckereien und Helio-Gravur-Werkstätten. Etwa zur gleichen Zeit war der Wissenschaftler Noé auch an der Untersuchung von Thermopiles beteiligt, seine Thermopiles waren zu dieser Zeit ebenfalls weit verbreitet.

Obwohl alle diese Experimente erfolgreich waren, waren sie zum Scheitern verurteilt, da Thermopiles auf Basis von Thermoelementen aus reinem Metall einen sehr geringen Wirkungsgrad hatten, was ihre praktische Anwendung behinderte. Rein metallische Dämpfe haben einen Wirkungsgrad von nur wenigen Zehntel Prozent. Halbleitermaterialien weisen eine viel größere Effizienz auf: einige Oxide, Sulfide und intermetallische Verbindungen.

Halbleiterthermoelemente

Eine wahre Revolution bei der Herstellung von Thermoelementen wurde durch die Arbeiten von Akademiker A.I. Joffe. Zu Beginn der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts vertrat er die Idee, dass es mit Hilfe von Halbleitern möglich ist, Wärmeenergie, einschließlich Sonnenenergie, in elektrische Energie umzuwandeln. Dank der bereits 1940 durchgeführten Forschung wurde eine Halbleiter-Fotozelle geschaffen, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Erste praktische Anwendung Halbleiter-Thermoelemente Es sollte anscheinend als „Partisanen-Bowler“ betrachtet werden, der es ermöglichte, einige tragbare Partisanen-Radiosender mit Strom zu versorgen.

Die Basis des Thermogenerators waren Elemente aus Konstantan und SbZn. Die Temperatur der kalten Verbindungen wurde durch kochendes Wasser stabilisiert, während die heißen Verbindungen durch die Flamme eines Feuers erwärmt wurden, während ein Temperaturunterschied von mindestens 250 ... 300 Grad sichergestellt wurde. Der Wirkungsgrad eines solchen Geräts betrug nicht mehr als 1,5 ... 2,0%, aber die Leistung zur Versorgung der Radiosender war völlig ausreichend.Natürlich war in jenen Kriegszeiten das Design des "Bowlers" ein Staatsgeheimnis, und selbst jetzt wird sein Design in vielen Internetforen diskutiert.

Haushaltswärmeerzeuger

Bereits in den fünfziger Jahren der Nachkriegszeit begann die sowjetische Industrie mit der Produktion Wärmegeneratoren TGK - 3. Sein Hauptzweck war es, batteriebetriebene Funkgeräte in nicht elektrifizierten ländlichen Gebieten mit Strom zu versorgen. Die Generatorleistung betrug 3 W, was es ermöglichte, Batterieempfänger wie Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 und einige andere mit Strom zu versorgen.

Das Aussehen des TGK-3-Thermogenerators ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Thermogenerator TGK-3

Thermogenerator Design

Wie bereits erwähnt, war der Wärmeerzeuger für den Einsatz in ländlichen Gebieten vorgesehen, in denen Beleuchtung verwendet wurde Petroleumlampen "Blitz". Eine solche Lampe, die mit einem thermischen Generator ausgestattet war, wurde nicht nur zu einer Lichtquelle, sondern auch zu Elektrizität.

Gleichzeitig waren keine zusätzlichen Kraftstoffkosten erforderlich, da genau der Teil des Kerosins, der einfach in das Rohr flog, in Strom umgewandelt wurde. Darüber hinaus war ein solcher Generator immer betriebsbereit, und sein Design war so, dass einfach nichts darin zu brechen war. Der Generator konnte einfach im Leerlauf liegen, ohne Last arbeiten, hatte keine Angst vor Kurzschlüssen. Die Lebensdauer des Generators im Vergleich zu galvanischen Batterien schien einfach ewig.

Die Rolle des Auspuffrohrs der Petroleumlampe „Blitz“ spielt der längliche zylindrische Teil des Glases. Bei Verwendung der Lampe zusammen mit dem Wärmeerzeuger wurde das Glas gekürzt und eine Metallwärmeübertragungseinheit 1 eingeführt, wie in 4 gezeigt.

Abbildung 4. Petroleumlampe mit thermoelektrischem Generator

Der äußere Teil des Wärmeübertragers hat die Form eines facettenreichen Prismas, auf dem Thermosäulen montiert sind. Um die Effizienz der Wärmeübertragung zu erhöhen, hatte der Wärmeübertrager im Inneren mehrere Längskanäle. Durch diese Kanäle gelangten die heißen Gase in das Auspuffrohr 3 und erwärmten gleichzeitig die Thermosäule, genauer gesagt ihre heißen Verbindungen.

Ein luftgekühlter Kühler wurde verwendet, um die kalten Verbindungen zu kühlen. Es ist eine Metallrippe, die an den Außenflächen von Thermopile-Blöcken angebracht ist.

Thermogenerator - TGK3 bestand aus zwei unabhängigen Abschnitten. Einer von ihnen erzeugte eine Spannung von 2 V bei einem Laststrom von bis zu 2 A. Dieser Abschnitt wurde verwendet, um die Anodenspannung der Lampen unter Verwendung eines Schwingungswandlers zu erhalten. Ein anderer Abschnitt mit einer Spannung von 1,2 V und einem Laststrom von 0,5 A wurde verwendet, um den Glühfaden der Lampen mit Strom zu versorgen.

Es ist leicht zu berechnen, dass die Leistung dieses Wärmeerzeugers 5 Watt nicht überschritt, aber es war genug für den Empfänger, was es ermöglichte, lange Winterabende aufzuhellen. Das scheint natürlich lächerlich, aber damals war ein solches Gerät zweifellos ein Wunder der Technologie.

1834 entdeckte der Franzose Jean Charles Atanaz Peltier den dem Seebick-Effekt entgegengesetzten Effekt. Die Bedeutung der Entdeckung besteht darin, dass beim Durchgang von Strom durch den Übergang von unterschiedlichen Materialien (Metallen, Legierungen, Halbleitern) Wärme freigesetzt oder absorbiert wird, was von der Richtung des Stroms und den Materialtypen abhängt. Dies wird hier ausführlich beschrieben: Peltier-Effekt: Der magische Effekt von elektrischem Strom