Termoģeneratori: kā “metināt” elektrību uz gāzes plīts

Vienā no elektrības forumiem tika uzdots šāds jautājums: “Kā es varu iegūt elektrību, izmantojot parasto sadzīves gāzi?” To motivēja fakts, ka par šo biedru gāzi un, tāpat kā daudziem, maksā tikai saskaņā ar standartiem bez skaitītāja.

Neatkarīgi no tā, cik daudz jūs izmantojat, jūs jebkurā gadījumā maksājat fiksētu summu, un kāpēc gan jau samaksāto, bet neizlietoto gāzi nepārvērst par patstāvīgu elektrību? Tātad forumā parādījās jauna tēma, kuru izvēlējās pārējie dalībnieki: intīma saruna palīdz ne tikai samazināt darba dienu, bet arī nogalināt brīvo laiku.

Ir ierosinātas daudzas iespējas. Vienkārši iegādājieties benzīna ģeneratoru un piepildiet to ar benzīnu, kas iegūts, destilējot sadzīves gāzi, vai arī pārveidojiet ģeneratoru, lai tas nekavējoties darbotos ar degvielu, piemēram, automašīnā.

Iekšdedzes dzinēja vietā tika ierosināts Stirlinga dzinējs, kas pazīstams arī kā ārējā iekšdedzes dzinējs. Tas ir tikai pirmais iesācējs (tas, kurš izveidoja jauno tēmu) apgalvoja, ka ģeneratora jauda ir vismaz 1 kilovats, taču tas tika racionalizēts, viņi saka, šāda maisīšana neiederēsies pat nelielas ēdamzāles virtuvē. Turklāt ir svarīgi, lai ģenerators klusētu, pretējā gadījumā, labi, jūs pats zināt, ko.

Pēc daudziem ieteikumiem kāds atcerējās, ka redzējis grāmatā attēlu, kurā redzams petrolejas lukturis ar vairāku staru zvaigžņu ierīci tranzistora uztvērēja darbināšanai. Bet tas tiks apspriests nedaudz tālāk, bet pagaidām ...

Termoģeneratori. Vēsture un teorija

Lai saņemtu elektrību tieši no gāzes degļa vai cita siltuma avota, tiek izmantoti siltuma ģeneratori. Tāpat kā termoelements, to darbības princips ir balstīts uz Seebeka efektsatvērta 1821. gadā.

Minētais efekts ir tāds, ka divu atšķirīgu vadītāju slēgtā ķēdē parādās EMF, ja vadītāju savienojumi ir dažādās temperatūrās. Piemēram, karsts krustojums ir verdoša ūdens traukā, bet otrs - kausētā ledus glāzē.

Efekts rodas no tā, ka brīvo elektronu enerģija ir atkarīga no temperatūras. Šajā gadījumā elektroni sāk kustēties no diriģenta, kur viņiem ir augstāka enerģija vadā, kur lādiņu enerģija ir mazāka. Ja viens no krustojumiem tiek uzkarsēts vairāk nekā otrs, tad uz tā esošo lādiņu enerģiju atšķirība ir lielāka nekā aukstajā. Tāpēc, ja ķēde ir slēgta, tajā rodas strāva, tieši tāda pati termopower.

Aptuvenā termodzinēja lielumu var noteikt pēc vienkāršas formulas:

E = α * (T1 - T2). Šeit α ir termoelektriskais koeficients, kas ir atkarīgs tikai no metāliem, no kuriem sastāv termoelements vai termoelements. Tās vērtību parasti izsaka mikrovoltos par grādu.

Krustojumu temperatūras starpība šajā formulā (T1 - T2): T1 ir karstā krustojuma un attiecīgi T2 - aukstuma temperatūra. Iepriekš minētā formula ir skaidri parādīta 1. attēlā.

1. attēls. Termopāra princips

Šis zīmējums ir klasisks, to var atrast jebkurā fizikas mācību grāmatā. Attēlā parādīts gredzens, kas sastāv no diviem vadītājiem A un B. Diriģentu savienojumu sauc par krustojumiem. Kā parādīts attēlā, karstā krustojumā T1 termopower atrodas virzienā no metāla B uz metālu A. A aukstā krustojumā T2 no metāla A uz metālu B. Attēlā norādītais termopower virziens ir spēkā gadījumā, kad metāla A termopower ir pozitīvs attiecībā pret metālu B. .

Kā noteikt metāla termoelektrisko jaudu

Metāla termoelektrisko jaudu nosaka attiecībā pret platīnu. Šim termopāram, kura viens elektrods ir platīns (Pt), bet otrs ir testa metāls, tas tiek uzkarsēts līdz 100 grādi pēc Celsija. Iegūtā dažu metālu milivoltu vērtība ir parādīta zemāk.Turklāt jāatzīmē, ka mainās ne tikai termoelektrostacijas lielums, bet arī tās zīme attiecībā pret platīnu.

Šajā gadījumā platīnam ir tāda pati loma kā 0 grādiem temperatūras skalā, un visa termopower vērtību skala ir šāda:

Antimons +4,7, dzelzs +1,6, kadmijs +0,9, cinks +0,75, varš +0,74, zelts +0,73, sudrabs +0,71, alva +0,41, alumīnijs + 0,38, dzīvsudrabs 0, platīns 0.

Pēc platīna ir metāli ar negatīvu termoelektrisko jaudu:

Kobalts -1,54, niķelis -1,64, konstants (vara un niķeļa sakausējums) -3,4, bismuts -6,5.

Izmantojot šo skalu, ir ļoti vienkārši noteikt termoelektriskās jaudas vērtību, ko izstrādājis termoelements, kas sastāv no dažādiem metāliem. Lai to izdarītu, ir pietiekami aprēķināt algebrisko atšķirību to metālu vērtībās, no kuriem tiek izgatavoti termoelektrodi.

Piemēram, antimona-bismuta pārim šī vērtība būs +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Ja par elektrodiem izmanto dzelzs - alumīnija pāri, šī vērtība būs tikai +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, kas ir gandrīz desmit reizes mazāka nekā pirmā pāra.

Ja aukstais krustojums tiek uzturēts nemainīgā temperatūrā, piemēram, 0 grādi, tad karstā krustojuma siltumspēja būs proporcionāla temperatūras izmaiņām, kuras tiek izmantotas termopāros.

Kā tika izveidoti termoģeneratori

Jau 19. gadsimta vidū tika mēģināts radīt daudzus mēģinājumus siltuma ģeneratori - ierīces elektroenerģijas ražošanai, tas ir, dažādu patērētāju barošanai. Kā šādus avotus bija paredzēts izmantot baterijas no sērijveidā savienotiem termopāriem. Šāda akumulatora dizains ir parādīts 2. attēlā.

2. attēls. Termiskais akumulators, shematisks

Pirmais termoelektriskais akumulators kuru 19. gadsimta vidū izveidoja fiziķi Oersteds un Furjērs. Bismuts un antimons tika izmantoti kā termoelektrodi, tieši tas pats tīru metālu pāris ar vislielāko termoelektrisko jaudu. Karstos krustojumus sildīja ar gāzes degļiem, bet aukstos krustojumus ievietoja traukā ar ledu.

Eksperimentos ar termoelektrību vēlāk tika izgudroti termopili, kas bija piemēroti izmantošanai dažos tehnoloģiskos procesos un pat apgaismošanai. Kā piemēru var minēt 1874. gadā izstrādāto akumulatoru Clamone, kura jauda bija diezgan pietiekama praktiskiem nolūkiem: piemēram, galvaniskajai apzeltīšanai, kā arī izmantošanai tipogrāfijās un saules gravēšanas darbnīcās. Apmēram tajā pašā laikā termopilu izpētē bija iesaistīts arī zinātnieks Noē, viņa termopili tajā laikā arī bija diezgan izplatīti.

Bet visi šie eksperimenti, lai arī bija veiksmīgi, bija lemti neveiksmei, jo termopiliem, kas izveidoti, pamatojoties uz termoelementiem, kas izgatavoti no tīru metālu, bija ļoti zema efektivitāte, kas apgrūtināja to praktisko pielietojumu. Tīri metālisku izgarojumu efektivitāte ir tikai dažas procenta desmitdaļas. Pusvadītāju materiāliem ir daudz lielāka efektivitāte: daži oksīdi, sulfīdi un intermetāliski savienojumi.

Pusvadītāju termopāri

Īstu revolūciju termopāru izveidē veica akadēmiķa A.I. Joffe. XX gadsimta 30. gadu sākumā viņš izvirzīja ideju, ka, izmantojot pusvadītājus, ir iespējams pārveidot siltumenerģiju, ieskaitot saules enerģiju, elektriskajā enerģijā. Pateicoties pētījumiem jau 1940. gadā, tika izveidots pusvadītāju fotoelements, lai saules gaismas enerģiju pārveidotu elektriskā enerģijā.

Pirmais praktiskais pielietojums pusvadītāju termopāri acīmredzot tas būtu jāuzskata par “partizānu bļodiņu”, kas ļāva nodrošināt enerģiju dažām pārnēsājamām partizānu radiostacijām.

Termoģeneratora pamatā bija konstanta un SbZn elementi. Auksto krustojumu temperatūra tika stabilizēta ar verdošu ūdeni, bet karstos krustojumus karsēja ar uguns liesmu, nodrošinot temperatūras starpību vismaz 250 ... 300 grādos. Šādas ierīces efektivitāte nebija lielāka par 1,5 ... 2,0%, bet jauda radiostaciju barošanai bija diezgan pietiekama.Protams, tajos kara laikos "katla" dizains bija valsts noslēpums, un pat tagad par tā dizainu tiek diskutēts daudzos interneta forumos.

Sadzīves siltuma ģeneratori

Jau pēckara piecdesmitajos gados padomju rūpniecība sāka ražošanu siltuma ģeneratori TGK-3. Tās galvenais mērķis bija barot radioaparātus ar elektrību nesaistītos lauku rajonos. Ģeneratora jauda bija 3 W, kas ļāva barot akumulatoru uztvērējus, piemēram, Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina-47, Rodina-52 un dažus citus.

Termoģeneratora TGK-3 izskats ir parādīts 3. attēlā.

3. attēls. Termiskais ģenerators TGK-3

Siltuma ģeneratora dizains

Kā jau minēts, siltuma ģenerators bija paredzēts izmantošanai lauku apvidos, kur tika izmantots apgaismojums petrolejas lampas "zibens". Šāda lampa, kas aprīkota ar siltuma ģeneratoru, kļuva ne tikai par gaismas, bet arī ar elektrības avotu.

Tajā pašā laikā papildu degvielas izmaksas nebija vajadzīgas, jo tieši tā petrolejas daļa, kas vienkārši ielidoja caurulē, pārvērtās elektrībā. Turklāt šāds ģenerators vienmēr bija gatavs darbībai, tā konstrukcija bija tāda, ka tajā vienkārši nebija, kas ielauzās. Ģenerators varēja vienkārši gulēt dīkstāvē, strādāt bez slodzes, nebaidījās no īssavienojumiem. Ģeneratora kalpošanas laiks, salīdzinot ar galvaniskajām baterijām, šķita vienkārši mūžīgs.

Petrolejas lampas “zibens” izplūdes caurules lomu spēlē stikla iegarenā cilindriskā daļa. Izmantojot lampu kopā ar siltuma ģeneratoru, stikls tika saīsināts un tajā tika ievietots metāla siltuma pārneses bloks 1, kā parādīts 4. attēlā.

4. attēls. Petrolejas lampa ar termoelektrisko ģeneratoru

Siltuma devēja ārējā daļa ir daudzšķautņaina prizma, uz kuras ir uzstādīti termopili. Lai palielinātu siltuma pārneses efektivitāti, siltuma raidītājam iekšpusē bija vairāki garenvirziena kanāli. Caur šiem kanāliem karstās gāzes nonāca izplūdes caurulē 3, vienlaikus sildot termopilu, precīzāk, tā karstos krustojumus.

Aukstu savienojumu atdzesēšanai tika izmantots ar gaisu dzesēts radiators. Tā ir metāla ribiņa, kas piestiprināta pie termopilu bloku ārējām virsmām.

Termoģenerators - TGK3 sastāvēja no divām neatkarīgām sekcijām. Viens no tiem ģenerēja 2V spriegumu pie slodzes strāvas līdz 2A. Šī sadaļa tika izmantota, lai iegūtu lampu anoda spriegumu, izmantojot vibrācijas devēju. Lukturu kvēldiega barošanai tika izmantota vēl viena sekcija ar spriegumu 1,2 V un slodzes strāvu 0,5 A.

Ir viegli aprēķināt, ka šī termoģeneratora jauda nepārsniedza 5 vati, bet ar to pietika uztvērējam, kas ļāva gaišus ziemas vakarus atdzīvināt. Tagad tas, protams, šķiet vienkārši smieklīgi, taču tajos laikos šāda ierīce neapšaubāmi bija tehnikas brīnums.

1834. gadā francūzis Žans Čārlzs Atanazs Peljērs atklāja efektu, kas ir pretējs Seebika efektam. Atklājuma jēga ir tāda, ka, šķērsojot strāvu caur krustojumu no atšķirīgiem materiāliem (metāliem, sakausējumiem, pusvadītājiem), tiek atbrīvots vai absorbēts siltums, kas ir atkarīgs no strāvas virziena un materiālu veidiem. Tas ir sīki aprakstīts šeit: Peltjē efekts: elektriskās strāvas maģiskais efekts