Termogeneratorer: hur man "svetsar" el på en gasspis

Ett av de elektriska forumen ställde följande fråga: "Hur får jag el med vanlig hushållsgas?" Detta motiverades av det faktum att gasen från denna kamrat, och faktiskt, som många, betalas helt enkelt enligt standarderna utan meter.

Oavsett hur mycket du använder betalar du ändå ett fast belopp och varför inte förvandla redan betalad men oanvänd gas till fristående el? Så ett nytt ämne dök upp på forumet, som plockades upp av resten av deltagarna: en intim konversation hjälper inte bara att minska arbetsdagen, utan också att döda fritiden.

Många alternativ har föreslagits. Köp bara en bensingenerator och fyll den med bensin som erhålls genom destillation av inhemsk gas, eller omgenerera generatoren för att omedelbart fungera på bensin, som en bil.

I stället för en förbränningsmotor föreslogs en Stirling-motor, även känd som en förbränningsmotor. Här är bara en toppstarter (den som skapade det nya temat) som krävde en generatoreffekt på minst 1 kilowatt, men den var rationaliserad och sa att en sådan omrörning inte skulle passa även i köket i en liten matsal. Dessutom är det viktigt att generatorn är tyst, annars vet du själv vad.

Efter många förslag kom man ihåg att han såg en bild i en bok som visade en fotogenlampa med en fjärrstrålstjärnanordning för att driva en transistormottagare. Men detta kommer att diskuteras lite längre, men för tillfället ...

Termoelektrisk generator. Historia och teori

För att ta emot el direkt från en gasbrännare eller annan värmekälla används värmegeneratorer. Precis som ett termoelement baseras deras funktionsprincip Seebeck-effektöppnade 1821.

Den nämnda effekten är att i en sluten krets av två olika ledare uppträder en emk om lederna är övergången vid olika temperaturer. Till exempel är en varm korsning i ett kärl med kokande vatten, och den andra i en kopp smältande is.

Effekten beror på att energin från fria elektroner beror på temperaturen. I detta fall börjar elektronerna att röra sig från ledaren, där de har en högre energi i ledaren, där laddningens energi är mindre. Om en av korsningarna värms upp mer än den andra, är skillnaden i energierna på laddningarna på den större än på den kalla. Därför, om kretsen är stängd, uppstår en ström i den, exakt samma termokraft.

Ungefär storleken på termokraften kan bestämmas med en enkel formel:

E = a * (T1 - T2). Här är a den termoelektriska koefficienten, som endast beror på de metaller som termoelementet eller termoelementet består av. Dess värde uttrycks vanligtvis i mikrovolt per grad.

Temperaturdifferensen för förbindelserna i denna formel (T1 - T2): T1 är temperaturen på den varma korsningen respektive T2 för kylan. Ovanstående formel illustreras tydligt i figur 1.

Figur 1. Termoelementprincip

Denna ritning är klassisk, den kan hittas i valfri fysikbok. Figuren visar en ring som består av två ledare A och B. Ledningarnanas korsning kallas korsningar. Som visas i figuren, i en varm förbindning T1, har termokraften en riktning från metall B till metall A. A i en kall korsning T2 från metall A till metall B. Riktningen för termokraften som anges i figuren är giltig för fallet när termokraften i metall A är positiv med avseende på metall B .

Hur man bestämmer en termoelektrisk effekt hos en metall

Metallens termoelektriska effekt bestäms med avseende på platina. För detta upphettas ett termoelement, varav en av elektroderna är platina (Pt), och den andra testmetallen, till 100 grader Celsius. Det erhållna millivoltvärdet för vissa metaller visas nedan.Dessutom bör det noteras att inte bara termopraftens storlek ändras utan också dess tecken med avseende på platina.

I det här fallet spelar platina samma roll som 0 grader på temperaturskalan, och hela skalan för värmekraftvärden är som följer:

Antimon +4,7, järn +1,6, kadmium +0,9, zink +0,75, koppar +0,74, guld +0,73, silver +0,71, tenn +0,41, aluminium + 0,38, kvicksilver 0, platina 0.

Efter platina är metaller med en negativ termoelektrisk effekt:

Kobolt -1,54, nickel-1,64, konstantan (en legering av koppar och nickel) -3,4, vismut -6,5.

Med hjälp av denna skala är det mycket enkelt att bestämma värdet på den termoelektriska kraften utvecklad av ett termoelement bestående av olika metaller. För att göra detta räcker det att beräkna den algebraiska skillnaden i värdena på de metaller som termoelektroderna är gjorda av.

Till exempel för ett antimon-vismutpar är detta värde +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Om ett par av järn-aluminium används som elektroder är detta värde endast +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, vilket är nästan tio gånger mindre än det för det första paret.

Om den kalla korsningen hålls vid en konstant temperatur, till exempel 0 grader, kommer termokraften i den varma korsningen att stå i proportion till temperaturförändringen, som används i termoelement.

Hur termogeneratorer skapades

Redan i mitten av 1800-talet gjordes många försök att skapa värmegeneratorer - enheter för att generera elektrisk energi, det vill säga för att driva olika konsumenter. Som sådana källor skulle den använda batterier från seriekopplade termoelement. Utformningen av ett sådant batteri visas i figur 2.

Bild 2. Värmebatteri, schematisk

Den första termoelektriskt batteri skapades i mitten av 1800-talet av fysikerna Oersted och Fourier. Vismut och antimon användes som termoelektroder, precis samma par rena metaller med den högsta termoelektriska kraften. Varma korsningar värmdes av gasbrännare, medan kalla korsningar placerades i ett kärl med is.

I experiment med termoelektricitet uppfanns termopiler senare, lämpliga för användning i vissa tekniska processer och till och med för belysning. Ett exempel är Clamone-batteriet, utvecklat 1874, vars kraft var tillräckligt för praktiska ändamål: till exempel för galvanisk förgyllning, liksom för användning i tryckerier och heliograveringsverkstäder. Ungefär samtidigt var forskaren Noé också involverad i studiet av termopiler, hans termopiler var också ganska utbredda vid den tiden.

Men alla dessa experiment, även om de var framgångsrika, dömdes till misslyckande, eftersom termopiler skapade på basis av termoelement tillverkade av rena metaller hade en mycket låg effektivitet, vilket hindrade deras praktiska tillämpning. Rent metalliska ångor har en effektivitet på bara några tiondelar av en procent. Halvledarmaterial har mycket större effektivitet: vissa oxider, sulfider och intermetalliska föreningar.

Halvledare termoelement

En verklig revolution i skapandet av termoelement gjordes av verk av akademiker A.I. Joffe. I början av 30-talet av XX-talet framförde han idén att med halvledare är det möjligt att omvandla termisk energi, inklusive sol, till elektrisk energi. Tack vare forskningen redan 1940 skapades en halvledarfotocell för att konvertera solenergi till elektrisk energi.

Första praktisk tillämpning halvledare termoelement det bör tydligen betraktas som en "partisan bowler", som gjorde det möjligt att tillhandahålla ström till vissa bärbara partisanradiostationer.

Grunden för termogeneratorn var element från constantan och SbZn. Temperaturen på de kalla korsningarna stabiliserades av kokande vatten, medan de heta korsningarna värmdes av eldens låga, medan en temperaturskillnad på minst 250 ... 300 grader säkerställdes. Effektiviteten för en sådan enhet var högst 1,5 ... 2,0%, men kraften för att driva radiostationerna var tillräckligt.Naturligtvis, under dessa krigstider, var designen av "bowler" en statshemlighet, och till och med nu diskuteras dess design på många internetforum.

Hushållsgeneratorer

Redan under efterkrigs-femtiotalet började den sovjetiska industrin produktion termiska generatorer TGK - 3. Huvudsyftet var att driva batteridrivna radioapparater i icke-elektrifierade landsbygdsområden. Generatorkraften var 3 W, vilket gjorde det möjligt att driva batterimottagare, såsom Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina-47, Rodina-52 och några andra.

Utseendet på TGK-3 termogenerator visas i figur 3.

Bild 3. Termisk generator TGK-3

Termisk generator design

Som redan nämnts var värmegeneratorn avsedd att användas på landsbygden, där belysning användes fotogenlampor "blixt". En sådan lampa, utrustad med en termisk generator, blev inte bara en ljuskälla utan också el.

Samtidigt krävdes inte ytterligare bränslekostnader, för exakt den delen av fotogen som helt enkelt flög in i röret förvandlades till el. Dessutom var en sådan generator alltid redo för drift, dess utformning var sådan att det helt enkelt inte fanns något att bryta in i den. Generatorn kunde helt enkelt ligga ledig, arbeta utan last, var inte rädd för kortslutningar. Generatorens livstid, jämfört med galvaniska batterier, verkade helt enkelt evig.

Rollen som avgasröret för fotogenlampan "blixt" spelas av den långsträckta cylindriska delen av glaset. När man använde lampan tillsammans med värmegeneratorn förkortades glaset och en metallvärmeöverföringsenhet 1 infördes i den, såsom visas i figur 4.

Bild 4. Petrosallampa med termoelektrisk generator

Den yttre delen av värmesändaren är i form av ett mångfacetterat prisma på vilket termopiler är monterade. För att öka effektiviteten för värmeöverföring hade värmesändaren inuti flera längsgående kanaler. Genom att passera genom dessa kanaler gick de heta gaserna in i avgasröret 3 och värmde samtidigt termopilen, mer exakt, dess heta korsningar.

En luftkyld radiator användes för att kyla de kalla korsningarna. Det är en metallribbor som är fäst vid de yttre ytorna av termopilblock.

Termogenerator - TGK3 bestod av två oberoende avsnitt. En av dem genererade en spänning på 2V vid en belastningsström på upp till 2A. Detta avsnitt användes för att erhålla lampans anodspänning med hjälp av en vibrationsgivare. En annan sektion med en spänning på 1,2 V och en belastningsström på 0,5 A användes för att driva glödlamporna.

Det är lätt att beräkna att effekten i denna termogenerator inte översteg 5 watt, men det räckte för mottagaren, vilket gjorde det möjligt att lysa upp långa vinterkvällar. Nu verkar det naturligtvis löjligt, men i dessa dagar var en sådan enhet utan tvekan ett mirakel av teknik.

1834 upptäckte fransmannen Jean Charles Atanaz Peltier effekten motsatt Seebick-effekten. Betydelsen av upptäckten är att under passagen av ström genom korsningen från olika material (metaller, legeringar, halvledare) frigörs eller absorberas värme, vilket beror på strömriktningen och materialtyperna. Detta beskrivs i detalj här: Peltiereffekt: den magiska effekten av elektrisk ström