Thermogénérateurs: comment «souder» l'électricité sur une cuisinière à gaz

L'un des forums électriques a posé la question suivante: "Comment puis-je obtenir de l'électricité en utilisant du gaz domestique ordinaire?" Cela était motivé par le fait que le gaz de ce camarade, et en effet, comme beaucoup, est payé simplement par des normes sans compteur.

Peu importe combien vous utilisez, vous payez quand même un montant fixe, et pourquoi ne pas transformer du gaz déjà payé mais non utilisé en électricité autonome? Un nouveau sujet est donc apparu sur le forum, repris par le reste des participants: une conversation intime permet non seulement de réduire la journée de travail, mais aussi de tuer le temps libre.

De nombreuses options ont été suggérées. Il suffit d'acheter un générateur d'essence et de le remplir d'essence obtenue par distillation du gaz domestique, ou de refaire le générateur pour qu'il fonctionne immédiatement au gaz, comme une voiture.

Au lieu d'un moteur à combustion interne, un moteur Stirling, également connu sous le nom de moteur à combustion externe, a été proposé. Voici juste un démarreur supérieur (celui qui a créé le nouveau thème) a revendiqué une puissance de générateur d'au moins 1 kilowatt, mais il a été rationalisé, disant qu'un tel stirling ne rentrerait même pas dans la cuisine d'une petite salle à manger. De plus, il est important que le générateur soit silencieux, sinon, vous savez vous-même quoi.

Après de nombreuses suggestions, quelqu'un s'est souvenu avoir vu une image dans un livre montrant une lampe à pétrole avec un dispositif en étoile à faisceaux multiples pour alimenter un récepteur à transistor. Mais cela sera discuté un peu plus loin, mais pour l'instant ...

Thermogénérateurs. Histoire et théorie

Afin de recevoir l'électricité directement d'un brûleur à gaz ou d'une autre source de chaleur, des générateurs de chaleur sont utilisés. Tout comme un thermocouple, leur principe de fonctionnement est basé sur Effet Seebeckouvert en 1821.

L'effet mentionné est que, dans un circuit fermé de deux conducteurs différents, une fem apparaît si les jonctions des conducteurs sont à des températures différentes. Par exemple, une jonction chaude se trouve dans un récipient d'eau bouillante et l'autre dans une tasse de glace fondante.

L'effet provient du fait que l'énergie des électrons libres dépend de la température. Dans ce cas, les électrons commencent à se déplacer du conducteur, où ils ont une énergie plus élevée dans le conducteur, où l'énergie des charges est moindre. Si l'une des jonctions est plus chauffée que l'autre, alors la différence dans les énergies des charges sur elle est plus grande que sur la froide. Par conséquent, si le circuit est fermé, un courant y monte, exactement la même puissance thermique.

La magnitude de la thermopuissance peut être déterminée approximativement par une formule simple:

E = α * (T1 - T2). Ici, α est le coefficient thermoélectrique, qui ne dépend que des métaux qui composent le thermocouple ou le thermocouple. Sa valeur est généralement exprimée en microvolts par degré.

La différence de température des jonctions dans cette formule (T1 - T2): T1 est la température de la jonction chaude et T2, respectivement, du froid. La formule ci-dessus est clairement illustrée à la figure 1.

Figure 1. Principe du thermocouple

Ce dessin est classique, il peut être trouvé dans n'importe quel manuel de physique. La figure montre un anneau composé de deux conducteurs A et B. La jonction des conducteurs est appelée jonction. Comme le montre la figure, dans une jonction chaude T1, la thermopuissance a une direction du métal B vers le métal A. A dans une jonction froide T2 du métal A vers le métal B. La direction de la thermopuissance indiquée sur la figure est valable pour le cas où la thermopuissance du métal A est positive par rapport au métal B .

Comment déterminer la puissance thermoélectrique d'un métal

La puissance thermoélectrique d'un métal est déterminée par rapport au platine. Pour ce thermocouple, dont l'une des électrodes est en platine (Pt), et l'autre en métal d'essai, il est chauffé à 100 degrés centigrades. La valeur en millivolts obtenue pour certains métaux est indiquée ci-dessous.De plus, il convient de noter que non seulement l'amplitude de la thermopuissance change, mais aussi son signe par rapport au platine.

Dans ce cas, le platine joue le même rôle que 0 degré sur l'échelle de température, et l'échelle entière des valeurs de thermopuissance est la suivante:

Antimoine +4,7, fer +1,6, cadmium +0,9, zinc +0,75, cuivre +0,74, or +0,73, argent +0,71, étain +0,41, aluminium + 0,38, mercure 0, platine 0.

Après le platine, on entend les métaux à puissance thermoélectrique négative:

Cobalt -1,54, nickel -1,64, constantan (un alliage de cuivre et de nickel) -3,4, bismuth -6,5.

A l'aide de cette échelle, il est très simple de déterminer la valeur de la puissance thermoélectrique développée par un thermocouple composé de divers métaux. Pour ce faire, il suffit de calculer la différence algébrique des valeurs des métaux dont sont faites les thermoélectrodes.

Par exemple, pour une paire antimoine-bismuth, cette valeur sera de +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Si une paire fer-aluminium est utilisée comme électrodes, cette valeur ne sera que de +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, ce qui est presque dix fois moins que celui de la première paire.

Si la jonction froide est maintenue à une température constante, par exemple 0 degré, la puissance thermique de la jonction chaude sera proportionnelle au changement de température, qui est utilisé dans les thermocouples.

Comment les thermogénérateurs ont été créés

Déjà au milieu du 19e siècle, de nombreuses tentatives ont été faites pour créer générateurs de chaleur - des dispositifs de génération d'énergie électrique, c'est-à-dire d'alimenter différents consommateurs. En tant que telles sources, il était censé utiliser des batteries de thermocouples connectés en série. La conception d'une telle batterie est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Batterie thermique, schéma

Le premier batterie thermoélectrique créé au milieu du 19e siècle par les physiciens Oersted et Fourier. Le bismuth et l'antimoine ont été utilisés comme thermoélectrodes, exactement la même paire de métaux purs avec la puissance thermoélectrique la plus élevée. Les jonctions chaudes étaient chauffées par des brûleurs à gaz, tandis que les jonctions froides étaient placées dans un récipient rempli de glace.

Lors d'expériences avec la thermoélectricité, des thermopiles ont été inventées plus tard, adaptées à une utilisation dans certains processus technologiques et même pour l'éclairage. Un exemple est la batterie Clamone, développée en 1874, dont la puissance était suffisante pour des fins pratiques: par exemple, pour la dorure galvanique, ainsi que pour une utilisation dans les imprimeries et les ateliers de gravure solaire. Vers la même époque, le scientifique Noé était également impliqué dans l'étude des thermopiles; ses thermopiles étaient également assez répandues à l'époque.

Mais toutes ces expériences, bien que réussies, étaient vouées à l'échec, car les thermopiles créées à partir de thermocouples en métaux purs avaient une très faible efficacité, ce qui entravait leur application pratique. Les fumées purement métalliques n'ont une efficacité que de quelques dixièmes de pour cent. Les matériaux semi-conducteurs ont une efficacité beaucoup plus grande: certains oxydes, sulfures et composés intermétalliques.

Thermocouples semi-conducteurs

Une véritable révolution dans la création des thermocouples a été faite par les travaux de l'académicien A.I. Joffe. Au début des années 30 du XXe siècle, il a avancé l'idée qu'en utilisant des semi-conducteurs, il est possible de convertir l'énergie thermique, y compris solaire, en énergie électrique. Grâce aux recherches déjà effectuées en 1940, une cellule photoélectrique à semi-conducteur a été créée pour convertir l'énergie lumineuse solaire en énergie électrique.

Première application pratique thermocouples semi-conducteurs il devrait être considéré, apparemment, comme un «melon partisan», qui a permis d'alimenter certaines stations de radio partisanes portables.

La base du thermogénérateur était constituée d'éléments de constantan et de SbZn. La température des jonctions froides a été stabilisée par de l'eau bouillante, tandis que les jonctions chaudes ont été chauffées par la flamme d'un incendie, tandis qu'une différence de température d'au moins 250 ... 300 degrés a été assurée. L'efficacité d'un tel appareil n'était pas supérieure à 1,5 ... 2,0%, mais la puissance pour alimenter les stations de radio était assez suffisante.Bien sûr, en ces temps de guerre, la conception du "melon" était un secret d'État, et même maintenant, sa conception est discutée sur de nombreux forums Internet.

Générateurs de chaleur domestique

Déjà dans les années 50 d'après-guerre, l'industrie soviétique a commencé la production générateurs thermiques TGK - 3. Son objectif principal était d'alimenter des radios alimentées par batterie dans les zones rurales non électrifiées. La puissance du générateur était de 3 W, ce qui a permis d'alimenter des récepteurs de batterie, tels que Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 et quelques autres.

L'aspect du thermogénérateur TGK-3 est illustré à la figure 3.

Figure 3. Générateur thermique TGK-3

Conception de générateur thermique

Comme déjà mentionné, le générateur de chaleur était destiné à être utilisé dans les zones rurales, où l'éclairage était utilisé lampes à pétrole "foudre". Une telle lampe, équipée d'un générateur thermique, est devenue non seulement une source de lumière, mais aussi d'électricité.

Dans le même temps, des coûts de carburant supplémentaires n'étaient pas nécessaires, car exactement la partie du kérosène qui a simplement volé dans le tuyau s'est transformée en électricité. De plus, un tel générateur était toujours prêt à fonctionner, sa conception était telle qu'il n'y avait tout simplement rien à y pénétrer. Le générateur pouvait simplement rester inactif, fonctionner sans charge, n'avait pas peur des courts-circuits. La durée de vie du générateur, comparée aux batteries galvaniques, semblait tout simplement éternelle.

Le rôle du tuyau d'échappement de la lampe au kérosène «foudre» est joué par la partie cylindrique allongée du verre. Lors de l'utilisation de la lampe avec le générateur de chaleur, le verre a été raccourci et une unité de transfert de chaleur en métal 1 y a été insérée, comme le montre la figure 4.

Figure 4. Lampe à pétrole avec générateur thermoélectrique

La partie externe du transmetteur de chaleur se présente sous la forme d'un prisme multiforme sur lequel des thermopiles sont montées. Pour augmenter l'efficacité du transfert de chaleur, le transmetteur de chaleur à l'intérieur avait plusieurs canaux longitudinaux. En passant par ces canaux, les gaz chauds sont entrés dans le tuyau d'échappement 3, chauffant simultanément la thermopile, plus précisément, ses jonctions chaudes.

Un radiateur refroidi par air a été utilisé pour refroidir les jonctions froides. Il s'agit d'une nervure métallique fixée aux surfaces extérieures des blocs thermopiles.

Thermogénérateur - TGK3 composé de deux sections indépendantes. L'un d'eux a généré une tension de 2 V à un courant de charge allant jusqu'à 2 A. Cette section a été utilisée pour obtenir la tension d'anode des lampes à l'aide d'un transducteur de vibration. Une autre section avec une tension de 1,2 V et un courant de charge de 0,5 A a été utilisée pour alimenter le filament des lampes.

Il est facile de calculer que la puissance de ce générateur de chaleur ne dépassait pas 5 watts, mais c'était suffisant pour le récepteur, ce qui a permis d'éclairer de longues soirées d'hiver. Maintenant, bien sûr, cela semble ridicule, mais à cette époque, un tel appareil était sans aucun doute un miracle de la technologie.

En 1834, le Français Jean Charles Atanaz Peltier découvre l'effet opposé à l'effet Seebick. Le sens de la découverte est que lors du passage du courant à travers la jonction de matériaux différents (métaux, alliages, semi-conducteurs), la chaleur est libérée ou absorbée, ce qui dépend de la direction du courant et des types de matériaux. Ceci est décrit en détail ici: Effet Peltier: l'effet magique du courant électrique