Термогенератори: как да заварявате електричество на газова печка

Един от електрическите форуми зададе следния въпрос: „Как мога да получа електричество чрез обикновен битов газ?“ Това беше мотивирано от факта, че газът от този другар и наистина, като мнозина, се плаща просто от стандарти без метър.

Без значение колко използвате, така или иначе плащате фиксирана сума и защо да не превърнете вече платен, но неизползван газ в свободно стояща електричество? Така на форума се появи нова тема, която беше подбрана от останалите участници: интимният разговор помага не само за намаляване на работния ден, но и за убиване на свободното време.

Предложени са много опции. Просто купете бензинов генератор и го напълнете с бензин, получен чрез дестилация на битов газ, или преработете генератора, за да работи веднага на газ, като кола.

Вместо двигател с вътрешно горене беше предложен двигател на Стърлинг, известен още като двигател с външно горене. Ето само един топ стартер (този, който създаде новата тема) заяви, че мощността на генератора е поне 1 киловат, но тя беше рационализирана, казвайки, че такова разбъркване няма да се побере дори в кухнята на малка трапезария. Освен това е важно генераторът да е безшумен, в противен случай, добре, вие сами знаете какво.

След много предложения някой си спомни, че видя снимка в книга, показваща керосинова лампа с многолъчево звездно устройство за захранване на транзисторен приемник. Но това ще бъде обсъдено малко по-нататък, но засега ...

Термоелектрически генератор. История и теория

За да получават електричество директно от газова горелка или друг източник на топлина, се използват топлинни генератори. Точно като термодвойката, принципът им на работа се основава Ефект на Зеебекоткрита през 1821г.

Споменатият ефект е, че в затворена верига от два различни проводника се появява емф, ако съединенията на проводниците са при различни температури. Например, горещ кръстовище е в съд с вряла вода, а другият - в чаша с топящ се лед.

Ефектът произтича от факта, че енергията на свободните електрони зависи от температурата. В този случай електроните започват да се движат от проводника, където имат по-висока енергия в проводника, където енергията на зарядите е по-малка. Ако един от кръстовищата се нагрява повече от другия, тогава разликата в енергиите на зарядите върху него е по-голяма, отколкото на студената. Следователно, ако веригата е затворена, в нея възниква ток, точно същата термоенергия.

Приблизително величината на термоенергията може да бъде определена чрез проста формула:

E = α * (T1 - T2). Тук α е термоелектричният коефициент, който зависи само от металите, от които е съставена термодвойката или термодвойката. Стойността му обикновено се изразява в микроволти на градус.

Температурната разлика на кръстовищата в тази формула (T1 - T2): T1 е температурата на горещия възел, и T2, съответно, на студа. Горната формула е ясно илюстрирана на Фигура 1.

Фигура 1. Принцип на термодвойка

Тази рисунка е класическа, може да се намери във всеки учебник по физика. На фигурата е показан пръстен, съставен от два проводника A и B. Съединението на проводниците се нарича кръстовища. Както е показано на фигурата, в горещ кръстовище Т1 термосилата има посока от метал В към метал А. А в студен кръстосан Т2 от метал А към метал Б. Посоката на термосилата, посочена на фигурата, е валидна за случая, когато термосилата на метал А е положителна по отношение на метал В ,

Как да определим термоелектрическата мощност на метал

Термоелектрическата мощност на метал се определя по отношение на платината. За това термодвойка, единият от които електродите е платина (Pt), а другият е изпитваният метал, се нагрява до 100 градуса по Целзий, Получената стойност на миливолта за някои метали е показана по-долу.Освен това трябва да се отбележи, че не само величината на термоенергията се променя, но и нейният знак по отношение на платината.

В този случай платината играе същата роля като 0 градуса в температурната скала, а цялата скала на стойностите на термоенергията е следната:

Антимон +4.7, желязо +1.6, кадмий +0.9, цинк +0.75, мед +0.74, злато +0.73, сребро +0.71, калай +0.41, алуминий + 0,38, живак 0, платина 0.

След платината са метали с отрицателна термоелектрическа мощност:

Кобалт -1,54, никел -1,64, констанстан (сплав на мед и никел) -3,4, бисмут -6,5.

С помощта на тази скала е много просто да се определи стойността на термоелектрическата мощност, разработена от термодвойка, съставена от различни метали. За целта е достатъчно да се изчисли алгебраичната разлика в стойностите на металите, от които са направени термоелектродите.

Например за двойка антимон-бисмут тази стойност ще бъде +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Ако желязо-алуминиевата двойка се използва като електроди, тази стойност ще бъде само +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, което е почти десет пъти по-малко от това на първата двойка.

Ако студеният възел се поддържа с постоянна температура, например 0 градуса, тогава термосилата на горещия кръстовище ще бъде пропорционална на промяната на температурата, която се използва в термодвойките.

Как са създадени термогенераторите

Още в средата на 19 век са направени многобройни опити за създаване генератори на топлина - устройства за генериране на електрическа енергия, тоест за захранване на различни потребители. Като такива източници е трябвало да се използват батерии от серийно свързани термодвойки. Дизайнът на такава батерия е показан на фигура 2.

Фигура 2. Термична батерия, схема

Първият термоелектрична батерия създаден в средата на 19 век от физиците Ерстед и Фурие. Бисмутът и сурмата бяха използвани като термоелектроди, точно същата двойка чисти метали с най-висока термоелектрическа сила. Горещите кръстовища се загряваха от газови горелки, докато студените кръстовища бяха поставени в съд с лед.

В експерименти с термоелектричност по-късно са измислени термопили, подходящи за използване в някои технологични процеси и дори за осветление. Пример за това е батерията Clamone, разработена през 1874 г., чиято мощност е напълно достатъчна за практически цели: например за галванична позлата, както и за използване в печатница и работилници за слънчево гравиране. По същото време ученият Ное също участва в проучването на термопилите, неговите термопили също бяха доста широко разпространени по онова време.

Но всички тези експерименти, макар и успешни, бяха обречени на неуспех, тъй като термопилите, създадени на базата на термодвойки, изработени от чисти метали, имаха много ниска ефективност, което затрудни практическото им приложение. Чисто металните изпарения имат ефективност само няколко десети от процента. Полупроводниковите материали имат много по-голяма ефективност: някои оксиди, сулфиди и интерметални съединения.

Полупроводникови термодвойки

Истинска революция в създаването на термодвойки направиха творбите на академик А.И. Жофе. В началото на 30-те години на XX век той изложи идеята, че с помощта на полупроводници е възможно да се преобразува топлинна енергия, включително слънчева, в електрическа. Благодарение на изследванията още през 1940 г. е създадена полупроводникова фотоклетка за преобразуване на слънчевата светлинна енергия в електрическа.

Първо практическо приложение полупроводникови термодвойки очевидно трябва да се счита за „партизански котел“, който даде възможност за захранване на някои преносими партизански радиостанции.

Основата на термогенератора бяха елементи от констанстан и SbZn. Температурата на студените кръстовища се стабилизира чрез вряла вода, докато горещите кръстовища се нагряват от пламъка на огъня, като същевременно се гарантира температурна разлика от поне 250 ... 300 градуса. Ефективността на такова устройство беше не повече от 1,5 ... 2,0%, но мощността за захранване на радиостанциите беше напълно достатъчна.Разбира се, в онези военни времена дизайнът на „казана“ беше държавна тайна и дори сега неговият дизайн се обсъжда на много интернет форуми.

Битови генератори на топлина

Още в следвоенните петдесетте години съветската промишленост започва производство термични генератори TGK - 3, Основната му цел беше да захранва радиостанции с батерия в неелектрифицирани селски райони. Мощността на генератора беше 3 W, което направи възможно захранването на приемници на батерии, като Тула, Искра, Талин В-2, Родина 47, Родина 52 и някои други.

Появата на термогенератора TGK-3 е показана на фигура 3.

Фигура 3. Термичен генератор TGK-3

Дизайн на топлинен генератор

Както вече споменахме, топлинният генератор е предназначен за използване в селските райони, където се използва осветление керосинови лампи "мълния", Такава лампа, оборудвана с термичен генератор, стана не само източник на светлина, но и електричество.

В същото време не бяха необходими допълнителни разходи за гориво, защото точно тази част от керосин, която просто лети в тръбата, се превърна в електричество. Освен това такъв генератор винаги е бил готов за работа, дизайнът му е бил такъв, че просто няма какво да се счупи в него. Генераторът може просто да лежи на празен ход, да работи без товар, не се страхуваше от късо съединение. Животът на генератора в сравнение с галваничните батерии изглеждаше просто вечен.

Ролята на изпускателната тръба на керосиновата лампа „мълния“ се играе от продълговата цилиндрична част на стъклото. При използване на лампата заедно с топлинния генератор, стъклото е скъсено и в него е поставен метален модул за пренос на топлина 1, както е показано на фигура 4.

Фигура 4. Керосинова лампа с термоелектричен генератор

Външната част на топлопредавателя е под формата на многостранна призма, върху която са монтирани термопили. За да повиши ефективността на топлопредаването, топлопредавателят вътре имаше няколко надлъжни канала. Преминавайки през тези канали, горещите газове влизат в изпускателната тръба 3, като едновременно загряват термопилата, по-точно горещите й кръстовища.

За охлаждане на студените възли се използва радиатор с въздушно охлаждане. Това е метално ребро, прикрепено към външните повърхности на термопилни блокове.

Термогенератор - TGK3 се състоеше от две независими секции. Единият от тях генерира напрежение 2V при ток на натоварване до 2A. Този раздел е използван за получаване на анодно напрежение на лампите с помощта на вибрационен датчик. Друга секция с напрежение 1,2 V и ток на натоварване 0,5 A се използва за захранване на нажежаемата жичка на лампите.

Лесно е да се изчисли, че мощността на този топлогенератор не надвишава 5 вата, но това беше достатъчно за приемника, което даде възможност да се озари дългите зимни вечери. Сега, разбира се, това изглежда смешно, но в онези дни такова устройство несъмнено беше чудо на технологията.

През 1834 г. французинът Жан Чарлз Атанас Пелтие открива ефекта, противоположен на ефекта на Зеебик. Смисълът на откритието е, че когато токът преминава през кръстовището от различни материали (метали, сплави, полупроводници), топлината се отделя или поглъща, което зависи от посоката на тока и видовете материали. Това е описано подробно тук: Ефект на Пелтие: магическият ефект на електрическия ток