Термоэлектрический генератор: устройство, принцип работы и применение. Тепловой генератор электричества

Термогенератор, получаем электричество из тепла

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяется термогенератор. Так же, как и у термопары, его принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году. Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется ЭДС, если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, один спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = α * (T1 – T2). Здесь α — коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус. Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного.

Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Принцип работы термопары

Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.

Как определить термоэдс металла

Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.

Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:

Сурьма +4,7
Железо +1,6
Кадмий +0,9
Цинк +0,75
Медь +0,74
Золото +0,73
Серебро +0,71
Олово +0,41
Алюминий +0,38
Ртуть 0
Платина 0

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

Кобальт -1,54
Никель -1,64
Константан (сплав меди и никеля) -3,4
Висмут -6,5

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды. Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – ( — 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рис. 2.

Рис. 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом. В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую. Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250…300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5…2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция «котелка» была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.

Бытовой термогенератор

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпускать термогенератор ТГК – 3. Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в не электрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как «Тула», «Искра», «Таллин Б-2», «Родина – 47», «Родина – 52» и некоторые другие.

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рис. 3.

Рис. 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества. При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы «молния» играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи. Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что термогенератор имел мощность не превышающую 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

Видео

Смотрите также по теме:

Ветрогенератор. Как выбрать, смонтировать и избежать разочарования?

Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

powercoup.by

Термоэлектрический генератор. Термогенератор » принцип работы.

Тема: что такое термогенератор (термоэлектрический генератор), особенности.

Термоэлектрический генератор (термогенератор) — это электрическое устройство, что способно на прямое преобразование тепловой энергии в электрический ток по средствам использования в своей конструкции термоэлементов (различных комбинаций материалов образующих термопары). Принцип действия термогенератора основан на эффекте термо-ЭДС Зеебека, суть которого заключается в преобразовании энергии за счёт разности температур на разных частях устройства, результатом чего становится появление электродвижущей силы на клеммах.

Главный секрет данного эффекта заключается в следующем явлении — при нагревании проводника, электроны внутри данного вещества получают дополнительную энергию, после чего они более активней начинают себя вести. То есть, как мы помним электроны это элементарные частицы которые вращаются вокруг атомов и имеют отрицательный заряд «-». Два тела, имеющие одинаковый вид заряда, стремятся оттолкнуться друг от друга. При нормальной температуре, электроны атома обладают малой энергией, что соответствует определённой силе отталкивания (друг от друга). При повышении температуры, у электронов буде повышаться и их энергия, что повысит и силу взаимного отталкивания.

А теперь посмотрим, как можно использовать данный эффект для получения электричества. Возьмем полупроводник, состоящий из слоя «n» и «p». У первого внутри избыток электронов, у второго их недостаток. При соединении их друг с другом между ними образуется пограничная зона, которая препятствует переходу электронов в то место, где их не хватает. Тут то и пригодится нам температура. Мы просто начинаем подогревать границу межу двух зон, что даёт электронам дополнительную силу для осуществления перехода с одной зоны в другую. Но в том месте, откуда электроны ушли, естественно, образовался положительный заряд, а туда, куда они пришли, отрицательный. Вот и получили мы с Вами нашу термо-ЭДС. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

А теперь о самой конструкции термоэлектрического генератора. Есть два полупроводниковых элемента в виде кубиков (слои «n» и «p»). С одной стороны они соединены проводником. Над проводником электроизоляционный слой (который хорошо проводит тепло). Над изоляцией находится слой принимающий тепло. С другой стороны полупроводника каждому из переходов также подсоединен проводник, но он не соединят зоны «n» и «p», а служит контактными выводами. За ним изолятор, после которого слой для охлаждения. В целом получаем две пластины для подогрева и для охлаждения, между которыми через изоляцию расположен полупроводник с отходящими от него контактными выводами.

Данные термогенераторы, к сожалению, обладают очень малым коэффициентом полезного действия (единицы процентов). Следовательно, для масштабного производства электроэнергии их использовать нецелесообразно. Но поскольку, в целом, сам принцип получения электричества подразумевает простоту, вдобавок к этому у способа такие преимущества как — полностью экологичен и безопасен, конструктивно прост и надёжен, не требует особого обслуживания, минимальные габариты, мобильность и т.д., то устройству нашлось иное применение.

Допустим, Вы поехали отдохнуть на природу, и в течение довольно длительного времени у Вас не будет возможности подзарядить свой мобильник от электросети. В этом случае и пригодится термоэлектрический генератор, сделанный самодельно из «модулей Пельтье». Он по размерам около двух пачек сигарет. Тепло для него можно брать от костра или от раскалённых углей. При сборке нескольких модулей можно получить достаточную мощность для питания фонариков, мобильников, приёмников, цифровых фотоаппаратов и т.д.

Что касается модуля Пельтье — это термоэлектрическое устройство что предназначено для охлаждения компьютерных процессоров. Оно продаётся в компьютерных магазинах и стоит довольно дёшево. Изначально оно работает так: при подключении к нему электропитания, на одной плоскости данного модуля начинает выделяться тепло, а на другой, холод. Но этот модуль обладает и обратным действием, то есть, если одну из его сторон нагреть, а вторую охладить, то на выводах появиться постоянное напряжение. Спаяв и добавив к данному модулю стабилизатор, можно его использовать, как источник питания для цифровых устройств.

P.S. Одно время даже выпускались теплоэлектрогенераторные насадки для керосиновых ламп. Они вполне могли обеспечивать электропитанием транзисторные радиоприемники.

electrohobby.ru

Ток из тепла: Термопара против пара

Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии — без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа," — поясняет Арунава Майумдар (Arunava Majumdar) из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во‑первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг," — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».

По публикации Science Daily

www.popmech.ru

дровяная печь с термоэлектрическим генератором

Вы можете ознакомиться с изобретениями Николая ЕгинаДанный сайт остается как память об изобретателе

Важная информация об авторских свидетельствах

Энергопечь - дровяная печь с термоэлектрическим генератором

Энергопечь дровяная печь с термоэлектрическим генератором Энергопечь нужна везде, где нет электричества!

Три в одном!

Не имеет мировых аналогов! «Энергопечь» - это дровяная печь с термоэлектрическим генератором, который используя эффект прямого преобразования, позволяет получать из тепловой энергии электрическую.

Энергопечь дровяная печь с термоэлектрическим генератором Технические характеристики Энергопечи:

Электрическая мощность при напряжении 12 В - 50Вт;
Время приведения в действие не более 20 минут;
Максимальный объём отапливаемого помещения - 50 м3;
Мощность тепловая - 4 кВт;
Масса - 58 кг;
Глубина - 370 мм;
Ширина - 500 мм;
Высота - 620 мм;
Объём топки -41 литр;
Диаметр дымохода - 80 мм;
Условия эксплуатации дровяная печь с термоэлектрическим генератором:
На открытом воздухе и в помещении при температуре от -45 градусов С до +45 градусов С.
Сроки эксплуатации при соблюдении инструкции не менее 10 лет.

Дополнительные возможности Энергопечи:

Энергопечь дровяная печь с термоэлектрическим генератором

1 – Энергопечь 2 - Контролер заряда-разряда аккумуляторной батареи 3 – Инвертор 4 – Аккумуляторная батарея

Для того, чтобы удовлетворить потребности в использовании электрических приборов мощностью 1 кВт и более, эффективнее не увеличивать мощность нашего изделия, а применить комплексную систему, состоящую из нашего изделия, преобразователей и стандартных аккумуляторов. В этой системе наше изделие будет выполнять функцию генератора электроэнергии и зарядного устройства для заряда аккумуляторов.

Кому нужна энергопечь?

В мире – Африка, Китай, Россия, Южная Америка, Индия
В России – народы Севера, охотники, туристы, садоводы, работники МЧС.
Сегодня население планеты составляет более 6 млрд человек. 1,6 млрд не имеет возможности пользоваться электричеством.
В России около 20 млн садовых и дачных участков, 25% из них не подключены к энергосистеме.

Электрическая нагрузка печи:

лампы освещения,
телевизор,
плеер,
зарядное устройство для аккумулятора или телефона,
радиостанция,
радиоприёмник,
компьютер.

Преимущества Энергопечи: Энергопечь дровяная печь с термоэлектрическим генератором

Универсальность. Энергопечь даёт возможность получать электрическую энергию и при этом отапливает помещение и даёт возможность приготовления пищи.
Нет зависимости от погодных условий.
Не требует закупки дорогостоящего топлива.
Не требует сервисного обслуживания.
Экологически безопасна.
Бесшумна.

Энергопечь обладает рядом безусловных преимуществ в сравнении с другими источниками электроэнергии!

При использовании в качестве источнока тепла мусора, например при сжигании мусора в печи ЕВРО-5 НЕС, мощностью 20 кВт, электрическая мощность может достигать 7 Квт при напряжении 12 вольт.

В основе работы энергопечи лежит термогенератор.

Работа термоэлектрогенераторов основана на преобразовании тепловой энергии в электрическую. Обладая целым рядом положительных технических характеристик по уровню генерируемых мощностей, бесшумности работы, надёжности и длительному сроку службы. Для индивидуального использования туристами, рыбаками, дачниками производятся маломощные термоэлектрогенераторы от 2,5 до 12 Вт. Некоторые из них предназначены для преобразования тепла продуктов сгорания керосина в керосиновой лампе в электрический ток и служат источником постоянного тока и освещения. Они могут использоваться в избушках, палатках, защищённых от прямого воздействия ветра и осадков. Электрическая мощность составляет 4,5 Вт, напряжение до 12 вольт. Срок службы 12 лет.

Наиболее известны генераторы термоэлектрические, применяемые в газовой промышленности. Они предназначены для автономных источников электроэнергии мощностью от 150 до 900 Вт и используются для питания средств радиорелейной связи и катодной защиты газопроводов.

Также производятся термоэлектрические генераторы, встроенные в дно кастрюль и котелков. Причём в них можно готовить пищу, как в обычной посуде. Принцип действия такой же – при нагревании кастрюли на костре или другом тепловом источнике образуется электроэнергия, достаточная для питания радиоаппаратуры, средств связи, освещения и подзарядки аккумуляторов. Их мощность достигает 15 Вт при напряжении 12 вольт. Вариант термо-электрогенератора, который устанавливается между коленами трубы железной печки – напряжение 12 В. Но с помощью аккумулятора и преобразователей можно получать электроэнергию в 220 В мощностью в 1 кВт и более.

Все представленные на сайте изобретения имеют авторские свидетельства на изобретение, чертежи и конструкторскую документацию. Автор – Николай Егин.

Важная информация об авторских свидетельствах

nlegin.ru

устройство, принцип работы и применение

Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.

В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.

В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.

Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S<0). Эти два материала соединены проводником, термоэлектрическая мощность которого считается равной нулю. Две ветви (p и n) и все остальные пары, составляющие модуль, соединены последовательно в электрической цепи и параллельно в термической. ТЭГ (термоэлектрический генератор) с такой компоновкой создает условия, чтобы оптимизировать тепловой поток, который проходит через модуль, преодолевая его электрическое сопротивление. Электрический ток воздействует таким образом, что носители заряда (электроны и дырки) движутся от холодного источника к горячему источнику (в термодинамическом смысле) в двух ветвях пары. При этом они способствуют переносу энтропии от холодного источника к горячему, к тепловому потоку, который будет противостоять теплопроводности.

Термоэлектрические генераторы принцип работы

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин "эффективность термоэлектрических генераторов" аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Термоэлектрические материалы

Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.

Требования к термоэлектрикам:

высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
доступность и безопасность окружающей среды;
устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
долгосрочная стабильность и дешевизна;
автоматизация процесса изготовления.

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».

Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.

Достоинства ТЭГ

Достоинства термоэлектрогенераторов:

выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
отсутствие рабочих жидкостей и газов;
отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
устройство длительного автономного функционирования;
использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
выработка постоянного тока при малом напряжении;
невосприимчивость к короткому замыканию;
неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.

Сферы применения термоэлектрического генератора

Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:

изучение океана и космоса;
применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
в системах переработки мусора;
в системах охлаждения и кондиционирования;
в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
зарядка электронных устройств и часов;
питание сенсорных браслетов для спортсменов.

Термоэлектрический преобразователь Пельтье

Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).

Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.

Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.

К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.

Сегодня ЭП широко применяется:

в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
в осушителях для извлечения воды из воздуха;
в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
для охлаждения компьютерных компонентов.

В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:

в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.

Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.

РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.

В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.

Устройство термоэлектрогенератора своими руками

Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.

С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.

Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.

Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.

В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов - прогноз до 2022 года» - анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.

Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.

Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.

fb.ru

Тепло, как источник электричества

термоэлектрогенерация Данную статью породил, принцип описанный в предыдущей статье про элемент Пельтье. Как известно данные элементы могут работать в двух направлениях, а именно преобразовывать электроэнергию в разность температур и наоборот воздействие тепла на модуль, вырабатывает в нем электроэнергию. Это явление было открытое ещё в 1834 году, часовщиком Пельтье и заключалось в том, что в месте контакта двух проводников из различных металлов под напряжением, выделяется тепло. А Э.Ленц, немного позже доказал, что при изменение полярности на этих самых проводниках, изменяется и температура на противоположную, в месте контакта.

551ef447b19de Во втором случае, элемент Пельтье работает как термоэлектрический генератор. Преобразовывает тепло в постоянный ток. Наглядный пример — на фото справа.

Так же стоит помнить, что необходимо отводить излишки тепла, с обратной стороны, так как термоэлектрический элемент имеет граничную рабочую температуру (~ 120 °C).

Лучше всего для этого подойдёт мини радиатор, например, от системы охлаждения компьютерного процессора, желательно с кулером для обдува. Запитать кулер можно будет от самого же элемента Пельтье.

Чтобы продемонстрировать термоэлектрический эффект наглядно, разберём очень простое устройство на основе термоэлектрического элемента. ТЕРМОГЕНЕРАТОР-мини

Использованные детали:

Термоэлектрический элемент TEC1-07110T200 (30x30x3.3мм) max 8.5 V.
электромотор постоянного тока 1,5-3V

На фото выше, между радиатором, элементом и алюминиевой пластиной находится термопаста, для лучшей теплопроводности. Наносить её лучше совсем немного, только для заполнения микропор и микротрещин в прикасающихся деталях. Алюминиевая пластина, в данном случае нужна для рассеивания теплового источника по всей поверхности элемента Пельтье. Идеальным, было бы использование медной пластины, ввиду её лучшей теплопроводности перед алюминием.

В штатном состоянии, устройство позволяет использовать в роли источника тепла — водоплавающую свечу в алюминиевом стакане. Её огонь, в данном случае, воспроизводит наибольшее количество тепла, которое рассеиваясь передается на термоэлектрический элемент Пельтье, что позволяет вырабатывать наибольший ток. От вырабатываемого термоэлектрическим элементом тока, питается охлаждающий кулер, установленный над радиатором. А кулер (электро моторчик с пропеллером), вращаясь, охлаждает радиатор, чем отводит излишки тепла от термоэлектрического элемента. Этот процесс может повторяться бесконечно, в рамках ресурса составных деталей устройства, пока будет воздействие тепла на элемент. термоэлектрический-модуль-работает

Как видно из фото, данное устройство способно вращать пропеллер как от тепла свечи, так и от нагрева аккумуляторной батареи смартфона. Дело в том, что напряжение, выдаваемое термоэлектрическим элементом, в данном устройстве — гораздо больше чем граничное электромотора. энергитическая-еда

silatoka.net

Тепловые генераторы | Проект Заряд

Геотермальный тепловой насос — это отопительное устройство? имеющее высокую мощность и энергетическую эффективность, хорошо адаптирован для работы при низких температурах и плохих погодных условиях. Принцип работы грунтового геотермального теплового насоса базируется на сборе тепловой энергии из природных источников, окружающих здание … Читать далее →

Уже более семидесяти лет человечеству известен сверхэффективный способ преобразования электрической энергии в механическую, посредством электрогидравлического эффекта Юткина (ЭГЭ). Но, как всегда, эффект не применяется в быту, о нем и о его авторе нет ничего в «Википедии» и официальная наука очень … Читать далее →

За более, чем два года работы проекта у нас накопилось множество практических идей и незавершенных проектов и разработок, причем число их вплотную приблизилось к критической отметке, которая просто не позволяет копить их дальше. В связи с этим мы предпринимаем очередную … Читать далее →

Пусть и с небольшим запозданием от намеченного и объявленного срока, мы все же представляем Вашему вниманию седьмой выпуск еженедельного обзора «Будни альтернативной энергии». По нашему мнению он вобрал в себя все самые достойные Вашего внимания события, которые произошли за прошлую … Читать далее →

А вот и долгожданный пятый выпуск нашего нового еженедельника «Будни альтернативной энергии», который по обычаю вобрал в себя все самое интересное и значимое, что произошло на поприще освоения свободной и альтернативной энергии за последние две недели с 26-го ноября по … Читать далее →

В кругу СЕ сообщества тепловой насос Френетта является достаточно популярным устройством в силу своей простоты и КПД выше 1000%. Но мало кто знает, что сюрпризы и «чудеса», которые способно преподнести данное устройство, совсем не заканчиваются на его чрезвычайно высоком КПД, … Читать далее →

Виктор Шаубергер – настоящий гений, который стал одним из самых известных и успешных ученых своей эпохи, смог воплотить в реальность большое количество проектов и удивить мир такими изобретениями как реактивная турбина Strahlturbine или конструкция двигателя, использующего силу давления. В любом … Читать далее →

Этот двигатель за годы своего существования был всегда популярен. Это связно с тем, что он очень функционален, удобен в использовании и экономичен. Принцип устройства машины знаком, пожалуй, даже ребенку – это система двигателя внутреннего сгорания, который работает на основе разницы … Читать далее →

Изучая вопросы, касающиеся глобального потепления, ученые давно разрабатывают способы захоронения углекислого газа, вырабатываемого тепловыми электростанциями. На сегодняшний день существует несколько проектов захоронения парникового газа глубоко под землей с последующей выработкой электроэнергии за счет геотермальных источников. … Читать далее →

Исследователи из Технологического института Массачусетса (MIT) разработали новую фотоэлектрическую систему. Она сделана таким образом, чтобы вырабатывать электроэнергию исключительно от тепла. Новой электросистеме от MIT не нужен солнечный свет. При этом источником тепла может стать практически все, что угодно: распадающиеся радиоизотопы, … Читать далее →

zaryad.com