Termogenerátory: jak „svařovat“ elektřinu na plynovém sporáku

Jedno z elektrických fór položilo následující otázku: „Jak mohu získat elektřinu pomocí běžného plynu pro domácnost?“ Toto bylo motivováno skutečností, že plyn z tohoto soudruhu, a stejně jako mnozí, je placen jednoduše standardy bez metru.

Nezáleží na tom, kolik používáte, přesto platíte pevnou částku a proč nezměnit již zaplacený, ale nevyužitý plyn na volně stojící elektřinu? Na fóru se tedy objevilo nové téma, které vyzvedli ostatní účastníci: intimní rozhovor pomáhá nejen zkrátit pracovní den, ale také zabít volný čas.

Bylo navrženo mnoho možností. Stačí si koupit benzínový generátor a naplnit jej benzínem získaným destilací domácího plynu nebo předělat generátor tak, aby okamžitě pracoval na benzínu, jako je auto.

Místo motoru s vnitřním spalováním byl navržen Stirlingův motor, známý také jako motor s vnějším spalováním. To je jen nejlepší předkrm (ten, který vytvořil nové téma) tvrdil, že generátor má výkon alespoň 1 kilowatt, ale bylo to racionalizováno, říkají, že takový stirling se nevejde ani do kuchyně malé jídelny. Kromě toho je důležité, aby generátor mlčel, jinak dobře víte sami co.

Po mnoha návrzích si někdo vzpomněl, když viděl obrázek v knize ukazující petrolejovou lampu s hvězdicovým zařízením s více paprsky pro napájení tranzistorového přijímače. Ale o tom se bude mluvit trochu dále, ale prozatím ...

Termogenerátory. Historie a teorie

Pro příjem elektřiny přímo z plynového hořáku nebo jiného zdroje tepla se používají generátory tepla. Stejně jako termočlánek je jejich princip fungování založen na Seebeckův efektotevřeno v roce 1821.

Zmíněným účinkem je, že v uzavřeném obvodu dvou odlišných vodičů se objeví emf, pokud jsou spoje vodičů při různých teplotách. Například horká křižovatka je v nádobě s vroucí vodou a druhá v šálku tajícího ledu.

Účinek vyplývá ze skutečnosti, že energie volných elektronů závisí na teplotě. V tomto případě se elektrony začnou pohybovat od vodiče, kde mají ve vodiči vyšší energii, kde je energie nábojů menší. Pokud je jeden z křižovatek zahříván více než druhý, pak je rozdíl v energiích nábojů na něm větší než na chladném. Proto, pokud je obvod uzavřen, v něm vzniká proud, přesně stejná tepelná energie.

Přibližně velikost tepelné energie může být určena jednoduchým vzorcem:

E = a * (T1 - T2). Zde je α termoelektrický koeficient, který závisí pouze na kovech, z nichž je složen termočlánek nebo termočlánek. Jeho hodnota je obvykle vyjádřena v mikrovoltech na stupeň.

Teplotní rozdíl spojů v tomto vzorci (T1 - T2): T1 je teplota horkého spoje, respektive T2, chladu. Výše uvedený vzorec je jasně znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Princip termočlánku

Tento výkres je klasický, lze jej nalézt v jakékoli učebnici fyziky. Obrázek ukazuje prstenec složený ze dvou vodičů A a B. Spojení vodičů se nazývá spoje. Jak je znázorněno na obrázku, v horké křižovatce T1 má tepelná energie směr z kovu B na kov A. A v studené křižovatce T2 z kovu A na kov B. Směr tepelné energie uvedené na obrázku platí pro případ, kdy je tepelná energie kovu A kladná s ohledem na kov B .

Jak určit termoelektrickou sílu kovu

Termoelektrická síla kovu je stanovena s ohledem na platinu. U tohoto termočlánku, jehož jedna z elektrod je platina (Pt) a druhá je testovaný kov, se zahřeje na 100 stupňů Celsia. Získaná hodnota milivoltů pro některé kovy je uvedena níže.Kromě toho je třeba poznamenat, že se mění nejen velikost tepelné energie, ale také její znamení s ohledem na platinu.

V tomto případě hraje platina stejnou roli jako 0 stupňů na stupnici teploty a celá škála hodnot tepelné energie je následující:

Antimon +4.7, železo +1,6, kadmium +0,9, zinek +0,75, měď +0,74, zlato +0,73, stříbro +0,71, cín +0,41, hliník + 0,38, rtuť 0, platina 0.

Po platině jsou kovy se zápornou termoelektrickou energií:

Kobalt -1,54, nikl -1,64, konstantan (slitina mědi a niklu) -3,4, bizmut -6,5.

Pomocí této stupnice je velmi snadné určit hodnotu termoelektrické energie vyvinuté termočlánkem složeným z různých kovů. K tomu stačí vypočítat algebraický rozdíl v hodnotách kovů, z nichž jsou termoelektrody vyráběny.

Například pro pár antimonu a bizmutu bude tato hodnota +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Pokud se jako elektrody použije pár železo - hliník, bude tato hodnota pouze +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, což je téměř desetkrát méně než u prvního páru.

Pokud je studená křivka udržována na konstantní teplotě, například 0 stupňů, pak bude tepelná energie horké křivky úměrná změně teploty, která se používá v termočláncích.

Jak byly vytvořeny termogenerátory

Již v polovině 19. století bylo učiněno mnoho pokusů o vytvoření generátory tepla - zařízení pro výrobu elektrické energie, tj. pro napájení různých spotřebitelů. Jako takové zdroje měly používat baterie ze sériově zapojených termočlánků. Konstrukce takové baterie je znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 2. Tepelná baterie, schéma

První termoelektrická baterie vytvořil v polovině 19. století fyzici Oersted a Fourier. Jako termoelektrody byly použity bizmut a antimon, jen stejný pár čistých kovů s nejvyšší termoelektrickou energií. Horké křižovatky byly zahřívány plynovými hořáky, zatímco studené křižovatky byly umístěny do nádoby s ledem.

Při pokusech s termoelektrickou energií byly později vynalezeny termopily, vhodné pro použití v některých technologických procesech a dokonce i pro osvětlení. Příkladem je baterie Clamone, vyvinutá v roce 1874, jejíž síla stačila pro praktické účely: například pro galvanické zlacení, stejně jako pro použití v tiskárnách a dílnách pro gravírování helio. Přibližně ve stejné době se vědec Noé také podílel na studiu termopilů, v té době byly jeho termopily také velmi rozšířené.

Ale všechny tyto experimenty, i když úspěšné, byly odsouzeny k selhání, protože termopily založené na čistých kovových termočláncích měly velmi nízkou účinnost, což bránilo jejich praktické aplikaci. Čistě kovové výpary mají účinnost jen několik desetin procenta. Polovodičové materiály mají mnohem větší účinnost: některé oxidy, sulfidy a intermetalické sloučeniny.

Polovodičové termočlánky

Skutečnou revoluci ve vytváření termočlánků dosáhly práce akademika A.I. Joffe. Na počátku 30. let 20. století navrhl myšlenku, že pomocí polovodičů je možné přeměnit tepelnou energii, včetně sluneční, na elektrickou energii. Díky výzkumu již v roce 1940 byla vytvořena polovodičová fotobuňka pro přeměnu sluneční energie na elektrickou energii.

První praktická aplikace polovodičové termočlánky mělo by se to zřejmě považovat za „partyzánský nadhazovač“, který umožnil dodávat energii některým přenosným partyzánským rozhlasovým stanicím.

Základem termogenerátoru byly prvky z konstantanu a SbZn. Teplota studených spojů byla stabilizována vroucí vodou, zatímco horké spoje byly zahřívány plamenem ohně, přičemž byl zajištěn teplotní rozdíl nejméně 250 ... 300 stupňů. Účinnost takového zařízení byla ne více než 1,5 ... 2,0%, ale energie pro napájení rozhlasových stanic byla docela dost.V tehdejších válečných časech byl samozřejmě design „nadhazovače“ státním tajemstvím, a dokonce i nyní se o jeho návrhu diskutuje na mnoha internetových fórech.

Generátory tepla pro domácnost

Již v poválečných padesátých letech začal sovětský průmysl výrobu tepelné generátory TGK - 3. Jeho hlavním účelem bylo pohánět bateriově napájená rádia v neelektrifikovaných venkovských oblastech. Výkon generátoru byl 3 W, což umožnilo napájení přijímačů baterií, jako jsou Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina-47, Rodina-52 a některé další.

Vzhled tepelného generátoru TGK-3 je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3. Tepelný generátor TGK-3

Návrh tepelného generátoru

Jak již bylo zmíněno, tepelný generátor byl určen pro použití ve venkovských oblastech, kde bylo použito osvětlení petrolejové lampy "blesk". Taková lampa, vybavená tepelným generátorem, se stala nejen zdrojem světla, ale také elektřinou.

Současně nebyly vyžadovány dodatečné náklady na palivo, protože přesně ta část petroleje, která jednoduše letěla do potrubí, se změnila na elektřinu. Navíc byl takový generátor vždy připraven k provozu, jeho konstrukce byla taková, že do něj prostě nemělo nic proniknout. Generátor mohl jednoduše ležet v klidu, pracovat bez zatížení, nebát se zkratů. Život generátoru se ve srovnání s galvanickými bateriemi zdál prostě věčný.

Role výfukového potrubí petrolejové lampy „blesk“ hraje protáhlá válcová část skla. Při použití lampy společně s generátorem tepla bylo sklo zkráceno a do něj byla vložena kovová jednotka 1 pro přenos tepla, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obrázek 4. Kerosenová lampa s termoelektrickým generátorem

Vnější část vysílače tepla je ve formě mnohostranného hranolu, na kterém jsou namontovány termopily. Aby se zvýšila účinnost přenosu tepla, měl tepelný vysílač uvnitř několik podélných kanálů. Procházející těmito kanály vedly horké plyny do výfukového potrubí 3 a současně zahřívaly termopil, přesněji jeho horké spoje.

Pro chlazení studených křižovatek byl použit vzduchem chlazený radiátor. Je to kovové žebro připojené k vnějším povrchům termopilních bloků.

Termogenerátor - TGK3 sestával ze dvou nezávislých sekcí. Jeden z nich generoval napětí 2V při zátěžovém proudu až 2A. Tato část byla použita k získání anodového napětí lamp pomocí vibračního měniče. Další část s napětím 1,2 V a zátěžovým proudem 0,5 A byla použita k napájení vlákna žárovek.

Je snadné vypočítat, že výkon tohoto tepelného generátoru nepřesáhl 5 wattů, ale stačilo to pro přijímač, který umožnil rozjasnění dlouhých zimních večerů. Teď se to samozřejmě zdá směšné, ale v té době bylo takové zařízení nepochybně zázrakem technologie.

V roce 1834 objevil Francouz Jean Charles Atanaz Peltier účinek opačný než Seebickův efekt. Význam tohoto objevu spočívá v tom, že během průchodu proudu křižovatkou z různých materiálů (kovů, slitin, polovodičů) se uvolňuje nebo absorbuje teplo, což závisí na směru proudu a druzích materiálů. Toto je podrobně popsáno zde: Peltierův efekt: magický účinek elektrického proudu