Termogeneratory: jak „spawać” energię elektryczną na kuchence gazowej

Jedno z forów elektrycznych zadało następujące pytanie: „Jak mogę uzyskać prąd za pomocą zwykłego domowego gazu?” Było to motywowane faktem, że za gaz od tego towarzysza, a nawet, jak wielu, płaci się po prostu standardami bez licznika.

Niezależnie od tego, ile wykorzystujesz, i tak płacisz stałą kwotę, a dlaczego nie zamienić już zapłaconego, ale niewykorzystanego gazu w wolnostojącą energię elektryczną? Tak więc na forum pojawił się nowy temat, który został podjęty przez resztę uczestników: intymna rozmowa pomaga nie tylko skrócić dzień pracy, ale także zabić czas wolny.

Wiele opcji zostało zasugerowanych. Wystarczy kupić generator benzyny i napełnić go benzyną uzyskaną w wyniku destylacji gazu domowego lub przerobić generator, aby natychmiast pracował na benzynie, jak samochód.

Zamiast silnika spalinowego zaproponowano silnik Stirlinga, znany również jako silnik spalinowy. Oto tylko najlepszy starter (ten, który stworzył nowy motyw) twierdził, że moc generatora wynosi co najmniej 1 kilowat, ale został zracjonalizowany, mówiąc, że taki stirling nie zmieści się nawet w kuchni małej jadalni. Ponadto ważne jest, aby generator był cichy, w przeciwnym razie sam wiesz, co.

Po wielu sugestiach ktoś przypomniał sobie zdjęcie w książce przedstawiające lampę naftową z wieloramiennym urządzeniem gwiazdowym do zasilania odbiornika tranzystorowego. Ale zostanie to omówione nieco dalej, ale na razie ...

Termogeneratory. Historia i teoria

W celu odbioru energii elektrycznej bezpośrednio z palnika gazowego lub innego źródła ciepła stosuje się generatory ciepła. Podobnie jak termopara, ich zasada działania jest oparta Efekt Seebeckaotwarty w 1821 roku.

Wspomniany efekt polega na tym, że w obwodzie zamkniętym dwóch różnych przewodników pojawia się emf, jeśli połączenia przewodów mają różne temperatury. Na przykład gorące połączenie znajduje się w naczyniu z wrzącą wodą, a drugie w filiżance topniejącego lodu.

Efekt wynika z faktu, że energia wolnych elektronów zależy od temperatury. W tym przypadku elektrony zaczynają przemieszczać się z przewodnika, w którym mają wyższą energię w przewodniku, gdzie energia ładunków jest mniejsza. Jeśli jedno z węzłów jest ogrzewane bardziej niż drugie, różnica w energii ładunków na nim jest większa niż na zimnej. Dlatego jeśli obwód jest zamknięty, powstaje w nim prąd, dokładnie taka sama energia termiczna.

W przybliżeniu wielkość mocy termicznej można określić za pomocą prostej formuły:

E = α * (T1 - T2). Tutaj α jest współczynnikiem termoelektrycznym, który zależy tylko od metali, z których składa się termopara lub termopara. Jego wartość jest zwykle wyrażana w mikrowoltach na stopień.

Różnica temperatur skrzyżowań w tym wzorze (T1 - T2): T1 jest temperaturą złącza gorącego, a odpowiednio T2 zimna. Powyższy wzór jest wyraźnie zilustrowany na rycinie 1.

Rysunek 1. Zasada termopary

Ten rysunek jest klasyczny, można go znaleźć w dowolnym podręczniku do fizyki. Na rysunku pokazano pierścień złożony z dwóch przewodników A i B. Połączenie przewodów nazywa się złączami. Jak pokazano na rysunku, w gorącym złączu T1, moc termiczna ma kierunek od metalu B do metalu A. .

Jak określić moc termoelektryczną metalu

Moc termoelektryczną metalu określa się w odniesieniu do platyny. W tym celu termoparę, której jedną z elektrod jest platyna (Pt), a drugim badanym metalem, ogrzewa się do 100 stopnie Celsjusza. Otrzymaną wartość miliwoltów dla niektórych metali pokazano poniżej.Ponadto należy zauważyć, że zmienia się nie tylko wielkość mocy termicznej, ale także jej znak w odniesieniu do platyny.

W tym przypadku platyna odgrywa tę samą rolę co 0 stopni na skali temperatury, a cała skala wartości mocy cieplnej jest następująca:

Antymon +4,7, żelazo +1,6, kadm +0,9, cynk + 0,75, miedź +0,74, złoto +0,73, srebro +0,71, cyna +0,41, aluminium + 0,38, rtęć 0, platyna 0.

Po platynie znajdują się metale o ujemnej mocy termoelektrycznej:

Kobalt -1,54, nikiel -1,64, constantan (stop miedzi i niklu) -3,4, bizmut -6,5.

Za pomocą tej skali bardzo łatwo jest ustalić wartość mocy termoelektrycznej wytwarzanej przez termoparę złożoną z różnych metali. Aby to zrobić, wystarczy obliczyć różnicę algebraiczną w wartościach metali, z których wykonane są termoelektrody.

Na przykład dla pary antymon-bizmut wartość ta będzie wynosić +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Jeśli jako elektrody zostanie użyta para żelazo-aluminium, wartość ta będzie wynosić tylko +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, czyli prawie dziesięć razy mniej niż w przypadku pierwszej pary.

Jeśli zimne złącze jest utrzymywane w stałej temperaturze, na przykład 0 stopni, wówczas moc cieplna gorącego złącza będzie proporcjonalna do zmiany temperatury, która jest stosowana w termoparach.

Jak powstały termogeneratory

Już w połowie XIX wieku podjęto liczne próby stworzenia generatory ciepła - urządzenia do wytwarzania energii elektrycznej, to znaczy do zasilania różnych odbiorców. Jako takie źródła miały wykorzystywać baterie z szeregowo połączonych termopar. Konstrukcja takiej baterii pokazano na rysunku 2.

Ryc. 2. Bateria termiczna, schemat

Pierwszy bateria termoelektryczna utworzony w połowie XIX wieku przez fizyków Oersteda i Fouriera. Jako termoelektrody zastosowano bizmut i antymon, dokładnie tę samą parę czystych metali o najwyższej mocy termoelektrycznej. Gorące złącza ogrzewano palnikami gazowymi, a zimne złącza umieszczono w naczyniu z lodem.

W eksperymentach z termoelektrycznością wynaleziono później termopile, odpowiednie do stosowania w niektórych procesach technologicznych, a nawet do oświetlenia. Przykładem jest bateria Clamone, opracowana w 1874 r., Której moc wystarczała do celów praktycznych: na przykład do złocenia galwanicznego, a także do użytku w drukarniach i warsztatach grawerowania helio. Mniej więcej w tym samym czasie naukowiec Noé był również zaangażowany w badania nad termopilami; jego termopile były również dość rozpowszechnione w tym czasie.

Ale wszystkie te eksperymenty, choć udane, były skazane na niepowodzenie, ponieważ termopary oparte na termoparach z czystego metalu miały bardzo niską wydajność, co utrudniało ich praktyczne zastosowanie. Opary czysto metaliczne mają wydajność zaledwie kilku dziesiątych procent. Materiały półprzewodnikowe mają znacznie większą wydajność: niektóre tlenki, siarczki i związki międzymetaliczne.

Termopary półprzewodnikowe

Prawdziwą rewolucję w tworzeniu termopar dokonały prace Academician A.I. Joffe. Na początku lat 30. XX wieku wysunął ideę, że za pomocą półprzewodników można przekształcić energię cieplną, w tym energię słoneczną, w energię elektryczną. Dzięki badaniom już w 1940 roku powstała fotokomórka półprzewodnikowa do konwersji energii światła słonecznego na energię elektryczną.

Pierwsza praktyczna aplikacja termopary półprzewodnikowe najwyraźniej należy uznać to za „partyzanckiego melonika”, który umożliwił zasilanie niektórych przenośnych stacji radiowych partyzantów.

Podstawą termogeneratora były elementy z Constanan i SbZn. Temperaturę zimnych skrzyżowań ustabilizowano wrzącą wodą, zaś gorące skrzyżowania ogrzano płomieniem ognia, przy zapewnieniu różnicy temperatur co najmniej 250 ... 300 stopni. Wydajność takiego urządzenia wyniosła nie więcej niż 1,5 ... 2,0%, ale moc do zasilania stacji radiowych była wystarczająca.Oczywiście w czasach wojny projekt „melonika” był tajemnicą państwową i nawet teraz jego konstrukcja jest dyskutowana na wielu forach internetowych.

Domowe generatory ciepła

Już w powojennych latach pięćdziesiątych przemysł radziecki rozpoczął produkcję generatory termiczne TGK - 3. Jego głównym celem było zasilanie radiotelefonów zasilanych bateryjnie na niezelektryfikowanych obszarach wiejskich. Moc generatora wynosiła 3 W, co umożliwiło zasilanie odbiorników akumulatorów, takich jak Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 i kilka innych.

Wygląd termogeneratora TGK-3 pokazano na rycinie 3.

Rysunek 3. Generator termiczny TGK-3

Projekt generatora termicznego

Jak już wspomniano, generator ciepła był przeznaczony do stosowania na obszarach wiejskich, gdzie zastosowano oświetlenie lampy naftowe „błyskawica”. Taka lampa, wyposażona w generator ciepła, stała się nie tylko źródłem światła, ale także elektrycznością.

Jednocześnie dodatkowe koszty paliwa nie były wymagane, ponieważ dokładnie ta część nafty, która po prostu wleciała do rury, zamieniła się w elektryczność. Co więcej, taki generator był zawsze gotowy do pracy, jego konstrukcja była taka, że ​​po prostu nie było w nim nic do włamania. Generator mógł po prostu leżeć bezczynnie, pracować bez obciążenia, nie bał się zwarć. Żywotność generatora w porównaniu z bateriami galwanicznymi wydawała się po prostu wieczna.

Rolę rury wydechowej „błyskawicy” nafty pełni wydłużona cylindryczna część szkła. Podczas używania lampy razem z generatorem ciepła szkło skrócono i włożono do niego metalową jednostkę wymiany ciepła 1, jak pokazano na rycinie 4.

Rysunek 4. Lampa naftowa z generatorem termoelektrycznym

Zewnętrzna część przekaźnika ciepła ma postać wielopłaszczyznowego pryzmatu, na którym montowane są termopale. Aby zwiększyć efektywność wymiany ciepła, wewnętrzny przekaźnik ciepła miał kilka podłużnych kanałów. Przechodząc przez te kanały, gorące gazy weszły do ​​rury wydechowej 3, jednocześnie ogrzewając stos termiczny, a ściślej jego gorące połączenia.

Chłodzony powietrzem grzejnik zastosowano do chłodzenia zimnych skrzyżowań. Jest to metalowe żebro przymocowane do zewnętrznych powierzchni bloków z termopala.

Termogenerator - TGK3 składał się z dwóch niezależnych sekcji. Jeden z nich generował napięcie 2V przy prądzie obciążenia do 2A. Ta sekcja została wykorzystana do uzyskania napięcia anodowego lamp za pomocą przetwornika drgań. Kolejną sekcję o napięciu 1,2 V i prądzie obciążenia 0,5 A zastosowano do zasilania żarnika lamp.

Łatwo obliczyć, że moc tego generatora ciepła nie przekroczyła 5 watów, ale wystarczyło odbiornikowi, co pozwoliło rozjaśnić długie zimowe wieczory. Teraz oczywiście wydaje się to śmieszne, ale w tamtych czasach takie urządzenie było niewątpliwie cudem technologii.

W 1834 r. Francuz Jean Charles Atanaz Peltier odkrył efekt odwrotny do efektu Seebicka. Znaczenie odkrycia polega na tym, że podczas przepływu prądu przez złącze z różnych materiałów (metali, stopów, półprzewodników) ciepło jest uwalniane lub pochłaniane, co zależy od kierunku prądu i rodzajów materiałów. Jest to szczegółowo opisane tutaj: Efekt Peltiera: magiczny efekt prądu elektrycznego