Termogeneratoare: cum să „sudați” energia electrică pe o sobă cu gaz

Unul dintre forumurile electrice a pus următoarea întrebare: „Cum pot obține energie electrică folosind gaz obișnuit?” Acest lucru a fost motivat de faptul că gazul de la acest tovarăș și, într-adevăr, ca mulți, este plătit doar prin standarde fără contor.

Oricât de mult folosiți, oricum plătiți o sumă fixă ​​și de ce să nu transformați gazul deja plătit, dar neutilizat în electricitate independentă? Așa că pe forum a apărut un subiect nou, care a fost ales de restul participanților: o conversație intimă ajută nu numai la reducerea zilei de lucru, ci și la omorârea timpului liber.

S-au sugerat multe opțiuni. Cumpărați doar un generator de benzină și umpleți-l cu benzină obținută prin distilarea gazelor menajere sau refaceți generatorul să funcționeze imediat pe gaz, ca o mașină.

În locul unui motor cu combustie internă, a fost propus un motor Stirling, cunoscut și sub numele de motor cu ardere externă. Iată doar un starter de top (cel care a creat noua temă) a pretins o putere generatoare de cel puțin 1 kilowatt, dar a fost raționalizat, spunând că o astfel de vârtej nu se va potrivi nici măcar în bucătăria unei mici săli de mese. În plus, este important ca generatorul să tacă, altfel, bine, știi tu ce.

După multe sugestii, cineva și-a amintit că a văzut o poză dintr-o carte care arăta o lampă cu kerosen cu un dispozitiv cu stea cu raze multiple pentru alimentarea unui receptor tranzistor. Dar despre asta vom discuta puțin mai departe, dar deocamdată

Generatorul termoelectric. Istorie și Teorie

Pentru a primi energie electrică direct de la un arzător de gaz sau o altă sursă de căldură, sunt folosite generatoare de căldură. La fel ca un termopar, principiul lor de funcționare se bazează pe Efect de seebeckdeschis în 1821.

Efectul menționat este acela că într-un circuit închis cu doi conductori diferiți apare un emf dacă joncțiunile conductoarelor sunt la temperaturi diferite. De exemplu, o joncțiune fierbinte se află într-un vas cu apă clocotită, iar cealaltă într-o cană de gheață topită.

Efectul provine din faptul că energia electronilor liberi depinde de temperatură. În acest caz, electronii încep să se deplaseze de la conductor, unde au o energie mai mare în conductor, unde energia încărcărilor este mai mică. Dacă una dintre joncțiuni este încălzită mai mult decât cealaltă, atunci diferența de energie a încărcărilor de pe ea este mai mare decât cea rece. Prin urmare, dacă circuitul este închis, apare un curent în el, exact aceeași termopentru.

Aproximativ magnitudinea termopentru poate fi determinată printr-o formulă simplă:

E = α * (T1 - T2). Aici, α este coeficientul termoelectric, care depinde numai de metalele din care este compus termocupla sau termocupla. Valoarea sa este de obicei exprimată în microvolți pe grad.

Diferența de temperatură a joncțiunilor din această formulă (T1 - T2): T1 este temperatura joncțiunii fierbinți, respectiv T2 a frigului. Formula de mai sus este ilustrată clar în figura 1.

Figura 1. Principiul termocuplei

Acest desen este clasic, poate fi găsit în orice manual de fizică. Figura prezintă un inel format din doi conductori A și B. joncțiunea conductorilor se numește joncțiuni. Așa cum se arată în figură, într-o joncțiune fierbinte T1, termopomotorul are o direcție de la metalul B la metalul A. A într-o joncțiune rece T2 de la metalul A la metalul B. Direcția termopentru indicată în figură este valabilă pentru cazul în care termopowerul metalului A este pozitiv față de metalul B .

Cum se determină puterea termoelectrică a unui metal

Puterea termoelectrică a unui metal este determinată în raport cu platina. Pentru aceasta, un termocuplu, dintre care unul dintre electrozi este platina (Pt), iar celălalt este metalul testat, este încălzit la 100 grade centigrade. Valoarea obținută a milivolților pentru unele metale este prezentată mai jos.Mai mult, trebuie remarcat faptul că nu numai magnitudinea termopotezei se schimbă, ci și semnul său în ceea ce privește platina.

În acest caz, platina joacă același rol ca și 0 grade pe scala de temperatură, iar întreaga scară a valorilor termopentru este următoarea:

Antimoniu +4,7, fier +1,6, cadmiu +0,9, zinc +0,75, cupru + 0,74, aur +0,73, argint +0,71, stan + 0,41, aluminiu + 0,38, mercur 0, platină 0.

După platină sunt metale cu o putere termoelectrică negativă:

Cobalt -1.54, nichel -1.64, constantan (un aliaj de cupru și nichel) -3.4, bismut -6.5.

Folosind această scară, este foarte simplu să se determine valoarea puterii termoelectrice dezvoltată de un termocuplu compus din diverse metale. Pentru a face acest lucru, este suficient să calculăm diferența algebrică a valorilor metalelor din care sunt fabricate termoelectrozii.

De exemplu, pentru o pereche antimoniu-bismut, această valoare va fi de +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Dacă o pereche fier - aluminiu este utilizată ca electrozi, atunci această valoare va fi de numai +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, care este de aproape zece ori mai mică decât cea a primei perechi.

Dacă joncțiunea rece este menținută la o temperatură constantă, de exemplu, 0 grade, atunci termopotraful joncțiunii fierbinți va fi proporțional cu schimbarea de temperatură, care este folosită în termocuple.

Modul în care au fost create termogeneratoarele

Deja la mijlocul secolului al XIX-lea, s-au făcut numeroase încercări de creare generatoare de căldură - dispozitive pentru generarea de energie electrică, adică pentru alimentarea diverși consumatori. Ca atare surse, trebuia să folosească baterii din termocuple conectate în serie. Designul unei astfel de baterii este prezentat în figura 2.

Figura 2. Baterie termică, schematică

Primul baterie termoelectrică creat la mijlocul secolului al XIX-lea de fizicienii Oersted și Fourier. Bismutul și antimoniu au fost utilizate ca termoelectrode, exact aceeași pereche de metale pure cu cea mai mare putere termoelectrică. Joncțiunile fierbinți au fost încălzite de arzătoare cu gaz, în timp ce joncțiunile reci au fost plasate într-un vas cu gheață.

În experimentele cu termoelectricitate, au fost inventate ulterior termopile, potrivite pentru utilizarea în unele procese tehnologice și chiar pentru iluminat. Un exemplu este bateria Clamone, dezvoltată în 1874, a cărei putere a fost suficientă pentru scopuri practice: de exemplu pentru aurire galvanică, precum și pentru utilizarea în case de imprimare și ateliere de gravare solară. În același timp, savantul Noé a fost implicat și în studiul termopilelor, termopilele sale fiind de asemenea destul de răspândite la acea vreme.

Dar toate aceste experimente, deși au avut succes, au fost sortite eșecului, deoarece termopilele create pe baza de termocuple din metale pure au avut o eficiență foarte scăzută, ceea ce a împiedicat aplicarea lor practică. Fumii pur metalici au o eficiență de doar câteva zecimi la sută. Materialele semiconductoare au o eficiență mult mai mare: unii oxizi, sulfuri și compuși intermetalici.

Termocuple semiconductoare

O adevărată revoluție în crearea de termocuple a fost realizată de lucrările Academicianului A.I. Joffe. La începutul anilor 30 ai secolului XX, el a prezentat ideea că folosind semiconductori este posibilă transformarea energiei termice, inclusiv a energiei solare, în energie electrică. Datorită cercetării deja realizate în 1940, a fost creată o fotocelă cu semiconductor pentru a transforma energia solară în energie electrică.

Prima aplicare practică termocuple semiconductoare ar trebui să fie considerat, aparent, un „bowler partizan”, ceea ce a făcut posibilă furnizarea de energie unor posturi de radio partizan portabile.

Baza termogeneratorului a fost elemente din constantan și SbZn. Temperatura joncțiunilor reci a fost stabilizată prin apă clocotită, în timp ce joncțiunile fierbinți au fost încălzite de flacăra unui foc, în timp ce a fost asigurată o diferență de temperatură de cel puțin 250 ... 300 de grade. Eficiența unui astfel de dispozitiv nu a fost mai mare de 1,5 ... 2,0%, dar puterea de a alimenta stațiile radio a fost destul.Desigur, în acele vremuri de război, designul „bowler-ului” a fost un secret de stat și chiar acum, designul său este discutat pe multe forumuri de pe Internet.

Generatoare de căldură pentru gospodărie

Deja în anii cincizeci de după război, industria sovietică a început producția generatoare termice TGK - 3. Scopul său principal a fost să alimenteze radiouri cu baterii în zonele rurale neelectrificate. Puterea generatorului a fost de 3 W, ceea ce a făcut posibilă alimentarea receptoarelor de baterii, cum ar fi Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina-47, Rodina-52 și altele.

Aspectul termogeneratorului TGK-3 este prezentat în figura 3.

Figura 3. Generator termic TGK-3

Proiectare generator termic

După cum am menționat deja, generatorul de căldură a fost destinat utilizării în zonele rurale, unde s-a folosit iluminatul lămpi cu kerosen "fulger". O astfel de lampă, echipată cu un generator termic, a devenit nu numai o sursă de lumină, ci și electricitate.

În același timp, nu au fost necesare costuri suplimentare de combustibil, deoarece exact acea parte a kerosenului care a zburat pur și simplu în conductă s-a transformat în electricitate. Mai mult decât atât, un astfel de generator a fost întotdeauna gata de funcționare, designul său a fost astfel încât nu a fost pur și simplu nimic de rupt în el. Generatorul putea pur și simplu să funcționeze inactiv, să lucreze fără sarcină, nu se temea de scurtcircuite. Durata de viață a generatorului, în comparație cu bateriile galvanice, părea pur și simplu eternă.

Rolul țevii de evacuare a lămpii de kerosen „fulger” este jucat de partea cilindrică alungită a sticlei. Când se utilizează lampa împreună cu generatorul de căldură, sticla a fost scurtată și o unitate de transfer de căldură metalică 1 a fost introdusă în ea, așa cum se arată în figura 4.

Figura 4. Lampa cu kerosen cu generator termoelectric

Partea externă a transmițătorului de căldură este sub forma unei prisme cu mai multe fațete pe care sunt montate termopile. Pentru a crește eficiența transferului de căldură, transmițătorul de căldură din interior avea mai multe canale longitudinale. Trecând prin aceste canale, gazele fierbinți au intrat în conducta de evacuare 3, încălzind simultan termopilul, mai precis, joncțiunile sale fierbinți.

Un radiator răcit cu aer a fost utilizat pentru a răci joncțiunile reci. Este o coastă metalică fixată pe suprafețele exterioare ale blocurilor termopile.

Termogenerator - TGK3 era format din două secțiuni independente. Unul dintre ei a generat o tensiune de 2V la un curent de sarcină de până la 2A. Această secțiune a fost utilizată pentru a obține tensiunea de anod a lămpilor folosind un traductor de vibrații. O altă secțiune cu o tensiune de 1,2 V și un curent de încărcare de 0,5 A a fost utilizată pentru a alimenta filamentul lămpilor.

Este ușor de calculat că puterea acestui generator de căldură nu depășește 5 wați, dar a fost suficientă pentru receptor, ceea ce a făcut posibilă luminarea serilor lungi de iarnă. Acum, desigur, acest lucru pare ridicol, dar în acele zile, un astfel de dispozitiv a fost, fără îndoială, un miracol al tehnologiei.

În 1834, francezul Jean Charles Atanaz Peltier a descoperit efectul opus efectului Seebick. Înțelesul descoperirii este că în timpul trecerii curentului prin joncțiunea din materiale diferite (metale, aliaje, semiconductori) se degajează sau se absoarbe căldură, care depinde de direcția curentului și de tipurile de materiale. Acest lucru este descris în detaliu aici: Efectul Peltier: efectul magic al curentului electric