Термоэлектрический генератор – Термоэлектрический генератор своими руками. Генератор на элементах Пельтье.

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

www.asutpp.ru

Термоэлектрический генератор: история, развитие, конструкция

Термоэлектрический генератор – это прибор, получающий электрическую энергию из тепла. Превосходный источник энергии, к несчастью, характеризуется низким КПД. Вдобавок постоянный ток не преобразуется трансформаторами.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по иным данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. КПД преобразования составил 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора соперничал с паровыми машинами того времени. Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не начинал эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив собственное открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений исследователь предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Принцип действия термоэлектрического генератора объяснялся магнитной поляризацией. Зеебек исследовал массу образцов, включая полупроводники, и выстроил материалы в ряд по способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и поныне для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как учёные с радиоактивными металлами, так Зеебек обращался с образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, раздался приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы практически руками соударяли куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Большинство в скором времени погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, как некогда Гальвани, наблюдал «животное электричество». Зеебек почти поверил в собственные замечательные трансцендентные способности, но домработница заставила его думать, что причина в нагреве образцов. Когда карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту давали необычное и называли магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить подобную позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании об открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет. Учёный не спешил: заметив странное поведение стрелки морского компаса, долго изучал, оценивал, потом написал нескольким прогрессивно мыслившим современникам… Дальнейшие открытия посыпались чередой:

1. Закон Ома.
2. Электромагнит.
3. Электрокомпас.
4. Гальванометр.
5. Индуктивность.
6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но открытое Зеебеком термоэлектричество оказалось удивительным. Известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали понятия заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора – и все! Неизвестны были понятия разницы потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Это повлияло на название открытия Зеебека.

Накануне Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата, тогда ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса обнаруживал Земной шар. Неудивительно, что Зеебек приписал собственной установке подобное странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса как планета Земля.

В течение года удалось найти правильное объяснение. Георг Ом использует термопару как источник стабилизированного напряжения для открытия известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Пришла пора открывать эру термоэлектричества.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало понятно, что тепло не способно непосредственно превращаться в магнетизм, наконец, отвергли идею образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать в электролизе (1831 год). Но термин пребывал неустойчивым. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине XIX века. Считались просто лабораторными установками для исследований различных процессов, именовались по-иному.

В Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи помещались термопары, с достаточными напряжением и током. Объединяя питающие элементы последовательно, поднимали вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток. Каждая термопара сконструирована по образу использованной Зеебеком (сурьма – антимонид цинка). Тогда уже узнали батарею Гюльхера (предположительно, 1898 год).

Термин батарея ввёл для лейденских банок (конденсаторов) Бенджамин Франклин.

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первыми прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения мощного источника питания. Дальнейшее развитие концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии опытов по исследованию инфракрасного спектра они создали тепловой мультипликатор. Идея пришла обоим после внесения прогрессивных изменений в конструкцию Швейггера (1825 год).

Задумка первого гальванометра: эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом собирался «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя стала стрелка компаса.

Временная линейка развития изобретений

Вслед первым ласточкам эффект Зеебека применялся и дальше. Патент на применение термоэлектрических генераторов взамен обычных взят в 1843 году Мозесом Пулом.

Пергелиометр для измерения солнечной активности

Пергелиометр предназначен для измерения интенсивности солнечного излучения по степени нагрева термопары. Изобретённый Клодом Пулье между 1837 и 1838 годами прибор позволил учёному вычислить с высокой степенью точности солнечную константу, равную 1228 Вт/кв. м. Изначально пергелиометр не предполагалось использовать как термоэлектрический генератор. Отдельные наработки конструкции служили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Приведём данные по изобретению, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют свойства мощнее в сочетании металлов, нежели каждый из простых материалов по отдельности. В составе одной части цинка и двух – сурьмы образец давал разницу потенциалов 22,7. Потенциалы компонентов, взятых по отдельности:

• Сурьма – 7 — 10.
• Цинк – 0,2.

Единственным исключением стал сплав висмута с оловом. При составе его 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать исследования с пары из нейзильбера (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС не оказалась велика. Тогда я испробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 цинка и 1 висмута. Результат получился хрупким и с ярко выраженной кристаллической структурой.

Чтобы сгладить указанные недостатки, добавлял мышьяк. В результате обнаружено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет гораздо большую пластичность при аналогичных термоэлектрических свойствах, которые наблюдаются у сплава Маркуса. Второй частью пары оставлен нейзильбер.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса приравнивалась к одной двадцатой от ячейки Даниэля, предоставляя 55 мВ постоянного напряжения. Негативной «обкладкой» служил сплав из меди, цинка и никеля в соотношении 10:6:6, похожий по внешнему виду на нейзильбер; положительной – соединение сурьмы, цинка и висмута в соотношении 12:5:1. По данным «Electricity in The Service of Man», 3-ей редакции, 1896, в мае 1864 года Маркус получил премию от Венского научного общества за термоэлектрический генератор. Составленные шалашом термопары в верхней части объединялись нагреваемой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. К сожалению, сплавы на воздухе быстро окислялись с грандиозным повышением омического сопротивления контактов.

Вклад Беккереля

Доподлинно неизвестно, когда появился на свет термоэлектрический генератор Эдмонда Беккереля, но историки относят открытие на период 1867-1868 года. В его конструкции переход образован сульфидом меди и нейзильбером. На изображении: в ближний резервуар закачивалась холодная вода, в дальний – раскалённый газ. Напряжение термоэлектрического генератора снималось со спиралевидных выводов.

Термогенераторы Клэмонда

По поводу термоэлектрических генераторов доктор Стоун высказал: «Применение железа даёт неплохой эффект, который нивелируется быстрым ржавлением изделия.»

• Термоэлектрический генератор (предположительно 1874 года выпуска) Клэмонда и Мура сконструирован из антимонида цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Подогреваемый прибор позволял за час получить примерно унцию меди, потребляя 6 кубических футов газа. Использовался для плакирования металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрического генератора изменял величину получаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы из антимонида цинка, треугольные листовые лопасти – железные.
• В 1789 году термоэлектрический генератор Клэмонда оказался сильно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом выдавал напряжение 109 В при токе 1,75 А, потребляя за час 22 фунта угля. Коммутацией соединений вольтаж уменьшался до 54 В. Ток термоэлектрического генератора возрастал до 3,5 А. Подогреваемая угольной печью конструкция высотой под 2,5 метра и диаметром в пределах метра, напоминающая кулер современных процессоров, снаружи содержала многочисленные железные крылья. Газы проходили внутри, раскаляя антимонид цинка. По отдельным сообщениям, 20 термопар генератора выдавали 1 В напряжения.
• Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 год) больше напоминает современную турбину ТЭС по форме. Центральная часть термпопар подогревается горелкой, а периферия охлаждается за счёт излучения и конвекции. Это сравнительно маленькое подобие генератора Клэмонда с внутренним сопротивлением 0,2 Ом, рассчитанное на напряжение 2 В и состоящее из 128 термопар. Эффективность термоэлектрического генератора сильно снижали нейзильберовые промежуточные контакты, рассеивающие тепло. В современных термоэлектрических генераторах используется p-n-переход без промежуточных материалов между полупроводниками.
• Переносной термоэлектрический генератор Хоука (вероятно, 1874 год) рассчитан на 110 мВ (одна десятая ячейки Даниэля) и включал 30 термопар, с половинками, объединёнными платиновой проволокой длиной 1,2 дюйма. Горелка сильно напоминала бунзеновскую, а холодный конец погружали в воду. Конструкция сильно напоминает изобретения Ноэ и в меньшей степени Клэмонда. Ключевое отличие заключается в промышленном выпуске изделий для массового круга потребителей. Генераторы продавались двойками и тройками, размещёнными на едином основании.
• Угольный термоэлектрический генератор изобретён Гарри Бэрринджером, и авторские права закреплены патентом US434428 от 1890 года.

Аккумулятор Гюльхера

Последняя конструкция из придуманных в XIX веке. Историки относят её на 1898 год. 50 термопар давали напряжение в 1,5 В при токе 3 А и внутреннем сопротивлении 0,5 Ом. На указанные цели тратится ежечасно 5 кубических футов газа. По мнению исследователей, хороший прибор выдавал бы втрое больше при идентичном расходе.

Натурный эксперимент показал средний срок службы в 200 часов, хотя один образец проработал 500, наконец, нашёлся экземпляр, прослуживший целых два года. В 1903 году некий журнал опубликовал сведения об общих испытаниях аккумулятора Гюльхера. В ходе работы зажжённая горелка грела термопары, пока напряжение на достигло 3,5 В. Потом прибор выключили и смотрели на характеристики после прекращения подачи газа. При снижении напряжения до 1,5 В ток резко оборвался. Вывод:

– Термонапряжение стабильное, что обусловлено значительной тепловой инерцией. Температурные изменения происходят неспешно, плавно опускается напряжение при остывании.

Впрочем, аналогичное заметил ещё Поггендорф, советовавший Георгу Ому использовать термопару вместо вольтова столба. Аккумулятор Гюльхера оказался популярен в начале XX века. К примеру, Лихайский Университет сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году закупили три термобатареи Скотта и одну – Гюльхера.

Конструкция напоминает устаревший сегодня радиатор отопления. Подобные встречаются в общественных зданиях, построенных и оборудованных в СССР. Это переносной прибор: с каждой стороны расположена Т-образная рукоятка для транспортировки.

Переносной генератор

Переносной термоэлектрический генератор Шудре напоминает по внешнему виду масляный фильтр грузового автомобиля. Для получения тепла требуется разжечь газовую горелку. Сохранилось чрезвычайно мало сведений о приборе. В изданиях 1898 года нашлась информация о совместных испытаниях изделия с упоминавшимися выше по тексту:

«Профессор Кольраух заметил в 70-е, что вольтаж термоэлектрического генератора зависит от числа пар, включённых последовательно. Это подтверждается опытами на конструкциях Клэмонда, Ноэ и Шудре, изготовленных и проданных за истекшие 20 лет. Они выдают 2, 4, 6 и 8 вольт, имея, соответственно, 36, 72, 108 и 144 пары в составе. Видно, что напряжение строго пропорционально общему числу. Шудре сконструировал экземпляр, состоящий из 720 элементов. Как следовало ожидать, результирующее напряжение составило 40 В, способное поддержать горение разрядной лампы».

В заметке говорилось, что начинающие электрики вправе взять представленный на фото образец за пример коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудре изготавливается в 6 типоразмерах, на токи 1,3 — 2,5 А при напряжении 3 — 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

XX век

В XX веке большая часть термоэлектрических генераторов снабжалась патентом, а топливом стал газ. Особенностью периода считаются попытки теоретически объяснить наблюдаемое явление. Первым рассчитал КПД термоэлектрических генераторов Рэйли, хотя результат оказался ошибочным. В 1909 и 1911 годах предпринимались попытки дать теоретические исследования материалов: Альтенкирх показал, что термоэлектрические материалы должны обладать большим коэффициентом Зеебека и малым омическим сопротивлением контакта для сокращения потерь на тепло.

Забавно, но используемые сегодня для создания мощных приборов полупроводники остались за пределами интересов Зеебека, целиком сосредоточившего внимание на чистых металлах и сплавах. В перечисленных материалах, согласно закону Видеманна-Франца-Лоренца, отношение тепловой проводимости к электрической признано константой. Подходящими металлами для термопар признаются металлы, где коэффициент Зеебека максимальный.

Значительные сдвиги в отрасли пришлись на период синтеза в 30-е году полупроводников со значениями коэффициента Зеебека, превышающими 100 мкВ/К. В результате после Второй мировой войны (1947 год) на сцене появился генератор М. Телкеса с КПД в 5%. Через пару лет Абрам Федорович Иоффе разработал теорию полупроводниковых термоэлементов. К сожалению, интересы великих держав расходились, не сразу осознали, что полупроводники таят большой потенциал. В 1956 году Иоффе с сотрудниками показали, что слишком большое отношение термической и электрической проводимости уменьшается сплавлением материалов с различными компаундами. Из-за большого военного значения многие разработки остались в тайне, к примеру, исследования RCA.

Современный генератор представляет сандвич из заключённого между керамическими пластинами слитка n и p полупроводников. При создании нужной разницы температур устройство вырабатывает энергию. Керамика считается достойным электрическим изолятором, но проводит тепло, обосновывая успешность указанной конструкции. В вакууме, с одной стороны обогреваемый Солнцем, а с другой – охлаждаемый блеском звёзд, термоэлектрический генератор показывает фантастическую разницу температур между поверхностями. Что закономерно увеличит отдаваемую мощность. Следовательно, это неплохой источник питания, простой и удобный, для любых космических объектов.

В начале 60-х из космоса термоэлектричество потихоньку спустилось на Землю. Преимущественными сферами стали медицина и исследования поверхности планеты (включая полезные ископаемые). Ключевыми достоинствами новой технологии стали простота, надёжность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, а недостатками – немалая цена и низкая эффективность (прежние 5%). Примерный расчёт целесообразности применения новых материалов:

1. В присутствии воздуха полагается задуматься об углеводородных ресурсах.
2. На движущихся объектах в первую очередь экономят место. При этом энергетическая плотность жидкого топлива в 50 раз выше свинцовых аккумуляторов или батареек.
3. Следовательно, при эффективности термоэлектрических полупроводников выше 2% их применение становится оправданным. А нефть потихоньку выгорает, снижая общую массу объекта.

В отдельных случаях подогрев термоэлектрического генератора удаётся вести радиоактивными изотопами, открывая новые горизонты. Подобный источник использовался на Вояжере (1977 год) и проработал свыше 17 лет. С удорожанием нефти (кризис 1973 года) правительство США обратило внимание на новые источники энергии: отходы сливных вод мощных предприятий, содержащие огромные потенциальные возможности. В ходе исследований затрагивались интереснейшие вещи: сверхпроводимость полупроводников при относительно высоких температурах (150 – 170 К) для улучшения свойств термопар. Потом усилия сосредоточились на доведении до кондиции элементной базы из германия и кремния.

Открытые сегодня термоэлектрические материалы делятся условно на три группы по рабочей температуре:

1. Теллурид висмута и сплавы демонстрируют наилучшие показатели качества в области 450 К.
2. Теллуриды свинца и сплавы обнаруживают пониженные показатели, но работают при температурах 1000 — 1300 К.
3. Наконец, композиции кремния и германия обладают низкой эффективностью, но хорошо отработанной технологией изготовления. Работают при температурах 1000 — 1300 К.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года характеризуется сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Строгость обусловлена фактом: прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора стоит ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния на выходное напряжение. Отдельные авторы предполагают большие флуктуации, но по тексту уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. В отсутствии электричества оно получается в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями либо оставались без названия. Рекламка говорит: когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции в любой точке мира. Такие времена: доза каменного угля, и новости всегда рядом.

Этот термоэлектрический генератор представляет блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не даст большое напряжение, но, набрав побольше соединений проводов, остаётся возможность получить удовлетворительный результат.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Прогревая приёмник, достигается напряжение до 40 мВ. Если включить последовательно 50 термопар, образуется 2 В, чего хватит для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Истинный друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

XXI век

Приятная новость! В 2005 году Джейсон Хопкинс доказал, что КПД термоэлектрического генератора способен приблизиться к идеальному. Нас ждут новинки в этой области.

vashtehnik.ru

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками

Каждого человека интересует вопрос: как сделать электричество бесплатным и автономным. Мы хотим вам заверить, все это сделать можно, но не таки просто. В этой статье вы узнаете, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, такой прибор вы сможете использовать во время выездов на природу, когда катастрофически не хватает электричества для зарядки телефонов или включения небольших светильников. С помощью такого устройства вы сможете генерировать электрический ток с напряжением в 5 Вольт, этого напряжения хватит, чтобы зарядить мобильный или включить светодиодную лампу.

Как работает термоэлектрический генератор Пельтье

Данное устройство имеет сложный механизм работы, но его собирали уже несколько сотен раз, так что можете быть уверены, у вас все получится. Мы поговорим о том, какие запчасти нужны для сборки самодельного термоэлектрического генератора, так вы поймете, почему он работает. Устройство Пельтье состоит из последовательно соединенных термопар, находятся они между керамических пластин. Примерно вот так это все выглядит на картинке. Узнайте, как сделать маленький вентилятор от USB. 

Когда через цепь проходит электрический ток образуется эффект Пельтье, одна сторона модуля нагревается, другая просто охлаждается. Соответственно, если одну сторону сильней нагреть может получить большую силу тока и напряжение.

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками

Сейчас элементы Пальтье широко используются практически во всех системах охлаждения, чаще всего их можно встретить в холодильниках. Поэтому особой сложности с подбором материалов у вас возникнуть не должно. Чтобы сделать самодельный термоэлектрический генератор необходимо подготовить следующие материалы:

1. Элемент Пельтье, у него должны быть следующие параметры: размер – 40*40*3,4, максимальный ток – 10 А, напряжение – 15 Вольт, маркировка – TEC 1-12710.
2. Компьютерный блок питания (только его корпус).
3. Стабилизатор напряжение, с входным напряжением 1.5 Вольт, и на выходе он должен выдавать 5 Вольт. Чтобы сразу упросить работу с ним, мы будет подключать USB, современные гаджеты с помощью него можно взять без проблем.
4. Радиатор, можно использовать и компьютерный куллер.
5. Термопаста.

Пошаговая инструкция:

Чтобы сделать термоэлектрический модуль пельтье своими руками нужно проделать следующие шаги, на этом этапе проявите осторожность, уж слишком много проблем может возникнуть. Отличная статья по теме: делаем проектор для мобильного телефона.

1. Разбираем старый блок питания, его мы будет использовать только в качестве корпуса для разжигания огня.
2. К поверхности радиатора клеем пластину Пельтье, для этого берем термопасту. Клеем паркировкой к самому радиатору, так как это холодная сторона. Если перепутаете полярность, тогда нужно будет менять провода в дальнейшем.
3. К обратной стороне клеем блок питания, вот так это выглядит на фото.
4. Крепим пластины и к стабилизатору припаиваем USBвыход для зарядки телефонов.
5. Помещаем 5-ти вольтный преобразователь в радиаторе и переходим к испытаниям.

Вот еще один интересный способ:

Получаем термоэлектричество своими руками

Вот мы с вами и разобрали, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, теперь давайте разберем основные способы получения электричества с такого устройства.

Рекомендуем посмотреть вот такое видео, здесь все докладной рассказывается.

Теперь расскажем еще несколько слов о принципе работы такого устройства, чтобы он давал хорошее напряжения разница в температуре должна составлять 100 градусов. Если заметили, что охлаждающая сторона слишком нагрелась делайте все, чтобы ее остудить. Можно использовать воду или другие средства, которые вы видите о себе под рукой.

Похожая статья: Делаем самодельный двигатель из батарейки, проволоки и магнита.

vse-elektrichestvo.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.

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:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. 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.

1. Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
2. Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
3. Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
4. 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

Термоэлектрический генератор своими руками: видео, фото, инструкция

Многих электриков новичков интересует один очень популярный вопрос – как сделать электричество бесплатным и в то же время автономным. Очень часто, к примеру, при выезде на природу, катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примером!

Кратко о принципе действия

Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает. Данный модуль состоит из последовательно соединенных термопар, находящихся между керамических пластин, как показано на картинке ниже.

Когда через такую цепь проходит электрический ток, происходит так называемый эффект Пельтье — одна сторона модуля нагревается, а вторая – охлаждается. Для чего это нам нужно? Все очень просто, если действовать в обратном порядке: одну сторону пластины нагреть, а второю охладить, соответственно можно сгенерировать электроэнергию небольшого напряжения и силы тока. Надеемся, что на данном этапе все понятно, поэтому переходим к мастер-классам, которые наглядно покажут из чего и как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Мастер-класс по сборке

Итак, мы нашли в интернете очень подробную и в то же время простую инструкцию по сборке самодельного генератора электроэнергии на базе печи и элемента Пельтье. Для начала Вам необходимо подготовить следующие материалы:

• Непосредственно сам элемент Пельтье с параметрами: максимальный ток 10 А, напряжение 15 Вольт, размеры 40*40*3,4 мм. Маркировка – TEC 1-12710.
• Старый блок питания от компьютера (с него нужен только корпус).
• Стабилизатор напряжения, со следующими техническими характеристиками: входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе – 5 Вольт. В данной инструкции по сборке термоэлектрического генератора используется модуль с USB выходом, что упростит процесс подзарядки современного телефона либо планшета.
• Радиатор. Можно взять от процессора сразу с куллером, как показано на фото.
• Термопаста.

Подготовив все материалы можно переходить к изготовлению устройства своими руками. Итак, чтобы Вам было понятнее, как самому сделать генератор, предоставляем пошаговый мастер-класс с картинками и подробным объяснением:

1. Разберите старый блок питания и оставьте только корпус. Он будет использоваться, как место розжига огня (так называемая печь).
2. К ровной поверхности радиатора приклейте пластину Пельтье на термопасту. Клеить нужно маркировкой к радиатору, это будет холодная сторона. Если Вы перепутаете полярность, в дальнейшем нужно будет поменять полярность проводов, чтобы термоэлектрический генератор работал правильно.
3. К обратной стороне модуля приклейте корпус блока питания, как показано на фото ниже.
4. К выводам пластины припаяйте стабилизатор с выходом USB. Кстати, для соединения можно и паяльник сделать своими руками.
5. Аккуратно поместите 5-вольтовый преобразователь в радиаторе и переходите к испытаниям самодельного термоэлектрического генератора.

Работает термоэлектрический генератор следующим образом: внутри печи засыпаете дрова, поджигаете их и ждете несколько минут, пока одна из сторон пластины не нагреется. Для подзарядки телефона нужно, чтобы разница между температурами разных сторон была около 100^оС. Если охлаждающая часть (радиатор) будет нагреваться, его нужно остужать всеми возможными методами – аккуратно поливать водой, поставить на него кружку со льдом и т.д.

А вот и видео, на котором наглядно показывается, как работает самодельный электрогенератор на дровах:

Генерация электричества из огня

Также можно установить на холодную сторону вентилятор от компьютера, как показывается на втором варианте самодельного термоэлектрического генератора с элементом Пельтье:

В этом случае куллер будет затрачивать небольшую долю мощности генераторной установки, но в итоге система будет с более высоким КПД. Помимо телефонной зарядки модуль Пельтье можно использовать в качестве источника электроэнергии для светодиодов, что не менее полезный вариант применения генератора. Кстати, второй вариант самодельного термоэлектрического генератора с виду и по конструкции немного похож. Единственная модернизация, помимо системы охлаждения, это способность регулировать высоту так называемой горелки. Для этого автор элемента использует «тело» CD-ROMа (на одном из фото хорошо видно, как самому можно изготовить конструкцию).

Если сделать термоэлектрический генератор своими руками по такой методике, на выходе у Вас может быть до 8 Вольт напряжения, поэтому чтобы заряжать телефон, не забудьте подключить преобразователь, который на выходе оставит только 5 В.

Ну и последний вариант самодельного источника электроэнергии для дома может быть представлен такой схемой: элемент – два алюминиевых «кирпичика», медная труба (водяное охлаждение) и конфорка. Как результат – эффективный генератор, позволяющий сделать бесплатное электричество в домашних условиях!

Оригинальная идея — горячая вода, как источник тепла

Второй эксперимент с водой

Вот мы и предоставили три простых варианта самодельного аппарата, который можно собрать из подручных средств. Теперь Вы знаете как сделать термоэлектрический генератор своими руками, на чем основан принцип работы элемента Пельтье и для чего его можно использовать!

Будет интересным к прочтению:

samelectrik.ru

Модуль Пельтье. Генератор термоэлектрический

Современный мир предлагает устройства, с помощью которых можно зарядить фонарик, мобильный телефон или другие гаджеты если поблизости нет розетки. Но внешние аккумуляторы тоже имеют лимит энергии. И тут на выручку придет термоэлектрический генератор, который в любой нестандартной ситуации поможет и согреться, и приготовить пищу, и зарядить телефон, и сможет стать источником света.

Такой прибор можно, как и приобрести, так и сделать своими руками. Промышленные генераторы значительно больших размеров и соответственно могут дать больше энергии. Приборы, сделанные самостоятельно, не отличаются большой силой, но будут спасителями вдали от цивилизации.

Самодельный генератор в действии

Как работает?

Генератор работает на основе модуля Пельтье. Одна часть этого модуля постоянно нагревается, а другая — охлаждается. Если нагретую часть охлаждать, а охлажденную нагревать, то за счет перепадов температур можно генерировать электрический ток, которого будет достаточно для работы небольшого прибора.

Почему же у сторон модуля разная температура? Этот прибор сделан из пластин двух разных металлов. Один из них имеет много электронов на своей поверхности, а другой — очень мало. С первой пластины негативно заряженный частицы пытаются перейти на другую. Но поскольку два элемента соединены проводником, электроны не могут преодолеть этот барьер и скапливаются на поверхности первой пластины нагревая ее.

Если эту часть охладить, то частицы смогу перейти на другую пластину, занимая на ней пустые места. При значительном скоплении электронов на этой стороне, они постепенно начинают перебираться на первую и так далее. Таким образом, получится поток электронов. А как известно, электрический ток — это и есть движение электронов в определенном направлении.

Как же сделать термоэлектрический генератор самостоятельно?

Конечно же, дома данное устройство использовать никто не будет. Поэтому если вы идете в длительный поход, то стоит запастись всем необходимым для того чтобы сделать генератор. А понадобятся:

• элемент Пельтье;
• преобразователь;
• нагреватель;
• холодильник;
• провода.

Элемент Пельтье покупаем или делаем своими руками. Желательно выбирать тот, который выдерживает высокие температуры приблизительно до 3500С. Поскольку даже небольшое превышение температурного режима может привести к непригодности прибора.

Модуль Пельтье

Наличие преобразователя необходимо для получения постоянного тока, поскольку генератор может продуцировать ток со скачками напряжения. Если планируете заряжать гаджеты, выбирайте с USB-входом.
Нагреватель и холодильник необходимы для получения большего количества энергии. Это могут быть обычные консервные банки, но нужно учитывать их размеры и размеры элемента Пельтье. А без наличия проводов конструкция просто не будет работать.

Итак начинаем собирать генератор термоэлектрический. Берем две консервные банки или кастрюли разной величины. Если это кастрюли, то стоит отпилить заранее ручки. Донышки емкостей нужно хорошо отполировать. Вставляем меньшую в большую, между ними помещаем термоэлектрический генераторный модуль. Его можно приклеить термопастой для надежности.

Термоэлектрический генератор из жестяных банок

К модулю обязательно присоединить провода и преобразователь. Не нужно забывать об изоляции. В меньшую емкость наливаем холодную воду (зимой можно использовать снег или лед) и всю конструкцию помещаем на огонь. И все. Через некоторое время получаем такую необходимую электрическую энергию. Не забываем добавлять холодную воду, чтобы разница температур была больше. При этом и энергии будет больше.

Термоэлектрический генератор своими руками сделать несложно, но использовать такое устройство нужно с осторожность и придерживаясь правилам безопасности. Если купить готовый прибор, то он будет намного надежнее, им легче пользоваться. Пригодность генератора, как и срок хранения неограничен.

Модуль Пельтье своими руками.

Как уже упоминалось выше главный элемент можно сделать самостоятельно. Для этого будут необходимы:

• две керамические пластины;
• биметаллические проводники, желательно 12, можно больше;
• провода;
• паяльник.

  Схема модуля Пельтье

Проводники соединяются между собой с помощью паяльника и припоя. Далее, конструкция размещается между двумя керамическими пластинами и прочно фиксируется. Обязательно нужно помнить о двух проводах, которые будут в дальнейшем крепиться к преобразователю электрического тока.
Поскольку данный модуль имеет еще и сторону, которая охлаждается, то его можно применять и для холодильных установок. Используя этот элемент, изготавливают небольшие автомобильные холодильники для путешествий, автомобильные охладители, кондиционеры.

Данный принцип применяется и в охладительных системах компьютерной техники (охлаждение чипов видеокарт и микропроцессоров).В некоторых кулерах питьевой воды обе стороны модуля задействованы, поскольку можно получить на выходе как охлажденную, так и хорошо нагретую жидкость.

Принципы данного модуля используются в приборах ночного виденья, в новейших цифровых фотоаппаратах, для стабилизации частоты излучения в лазерах, в телескопах с инфракрасными детекторами, которые нужно быстро и эффективно охлаждать. То есть этот элемент нашел свое применение не только в так называемых бытовых условиях, но и для военных и научных приспособлений и установок.

Плюсы и минусы термоэлектрического модуля.

Казалось бы, это незаменимый элемент, но и здесь есть свои нюансы. Прибор имеет достоинства и недостатки.
К плюсам можно отнести:

• небольшие размеры;
• возможность работы как нагревательным, так и охлаждающим элементом;
• отсутствие частей, которые постепенно изнашиваются и требуют замены;
• бесшумность работы.

Из минусов можно отметить:

• высокую себестоимость;
• необходимость поддерживать перепад температуры;
• большое потребление энергии;
• низкий уровень КПД.

Но несмотря на все недостатки модуль целесообразно использовать в тех случаях, когда большая энергоемкость не имеет особого значения.
Сомнений не остается если правильно выполнить сборку термоэлектрического генератора, то можно пережить любые катаклизмы в результате которых будет отключена электроэнергия.

Присоединив небольшой вентилятор, можно немного охладиться в жаркое время года. Горячая сторона поможет нагреться, приготовить пищу, вскипятить воду. А вырабатываемое электричество подзарядит средства связи (мобильные телефоны, радиоприемники или рации).

infoelectrik.ru

О термоэлектрическом генераторе: изготовление термоэлектрогенератора своими руками

Современное пользовательское электрооборудование нуждается в постоянной подкачке электричества, источники которого не всегда имеются «под рукой» (в длительном пешем путешествии, например). С этой точки зрения, традиционные автомобильные аккумуляторы (АКБ) очень тяжелы для переноски и не годятся для классических походных условий. Их может заменить такое удобное в эксплуатации и транспортировке устройство, как термоэлектрический генератор своими руками изготовленный из подсобных элементов (общий вид ТЭГ приведён на фото ниже).

Общий вид ТЭГ

Несмотря на свои внушительные размеры, этот агрегат имеет малый вес и может быть разборным, то есть вполне подходит для транспортировки во время похода. Ознакомимся с принципом работы термоэлектрического генератора более детально.

Эффект Пельтье, его обратимость

Изготовление автономных термических генераторов электричества стало возможным благодаря открытию известного из курса физики эффекта Пельтье, состоящего в следующем. Оказывается, что разнородные по структуре проводники при протекании через зону их спайки электрического тока обнаруживают интересное свойство, состоящее в появлении разницы температур между их пограничными точками.

На основании этого открытия был разработан специальный элемент «Пельтье», состоящий их двух разнесённых на некоторое расстояние пластин из керамики с помещённой между ними биметаллической прокладкой. При пропускании через такие системы электрических зарядов одна из этих обкладок нагревается, а другая, напротив, – охлаждается, что в принципе позволяет делать на их основе холодильные установки.

Важно! При изменении направления тока через стык проводников (при прямом эффекте) меняется вектор градации температуры на стыках.

На размещённом ниже рисунке изображены модули различного типа и размера, чаще всего применяемые в технических изделиях этого класса.

Разнообразие модулей «Пельтье»

Как и многие другие электродинамические явления, этот эффект является полностью обратимым. Последнее означает, что при нагревании одной стороны пластин Пельтье и охлаждении другой на стыке между ними появится ЭДС, а через контактную зону и подключённую нагрузку потечёт небольшой ток (эффект Зеебека).

По этому принципу и функционирует рассматриваемый в этом обзоре генератор на элементах Пельтье, который вполне может работать на открытом воздухе (на рыбалке или в походе, например).

При проявлении эффекта Зеебека наблюдается та же зависимость от полярности происходящих изменений, а именно: если менять охлаждаемый и нагреваемый стыки местами, будет меняться и направление тока во всей системе. Таким образом, обратный элемент Пельтье как генератор электроэнергии представляет собой достаточно универсальное устройство, имеющее возможность регулировки величины и направления получаемой ЭДС.

Физическое объяснение

Причина возникновения разницы температур (в случае эффекта Пельтье) заключается в энергетике контактных зон, образующихся в местах стыка двух разнородных веществ (висмута и сурьмы, например). Особенности этих образований могут быть представлены следующим образом:

• Из-за различной концентрации положительных и отрицательных зарядов в границах полярных зон (в центре размещается одно вещество, по краям – другое) между ними образуются собственные разнонаправленные электрические поля;
• При протекании тока через контакт, в котором направление внешней и внутренней ЭДС совпадают, на поддержание перемещения электронов (на совершение работы в поле той же полярности) будет расходоваться внутренняя энергия вещества. Из основ физики известно, что такое явление соответствует остыванию материала в этом месте;
• Соответственно этому, во второй контактной зоне, где направление приложенной ЭДС противоположно внутреннему полю, электроны будут тормозиться, и внешнему источнику придётся затрачивать дополнительную энергию по их перемещению. Согласно тем же физическим законам, указанный эффект соответствует забору энергии или нагреву материала в точке стыковки (смотрите фото ниже).

Пограничные явления в зонах Пельтье

Обратите внимание! Напряжённости таких полевых образований максимальны на пограничных участках двух неоднородных сред (полупроводников разной проводимости, например), вследствие чего здесь этот эффект проявляется с особой силой.

Среди работающих по этому принципу устройств наиболее известны термические модули (ТЭМ), состоящие из разных типов полупроводников с размещённой между ними медной токопроводящей прокладкой.

Особенности функционирования ТЭМ

Принцип действия и конструкция

При рассмотрении особенностей функционирования ТЭМ, работающих по тому же принципу, что генератор Пельтье, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

• В одном таком элементе имеется четыре перехода, которые образуются в пограничных зонах между краями металлической прокладки и двумя разнородными полупроводниковыми пластинами;
• При образовании замкнутой цепочки поток электронов перемещается по направлению от минуса источника питания к его плюсу, проходя через каждый переход;
• На границе первого по порядку барьера (полупроводник p-типа – медь) разогнанные во внешнем поле электроны переходят в состояние с меньшими энергиями разгона, вследствие чего происходит тепловыделение;
• На следующем переходе наблюдается поглощение энергии (то есть охлаждение материала), что объясняется её расходом на работу по перемещению из зоны проводимости типа «p»;
• На третьем пограничном переходе они попадают в зону полупроводника «n» со значительно большей, чем в прокладке из металла энергией, из-за чего здесь наблюдается её поглощение. Это приводит к охлаждению материала полупроводника на границе данного стыкового образования;
• В последнем переходе вследствие попадания электронов в зону с меньшими энергиями наблюдается обратный процесс, связанный с тепловыделением.

Поскольку каждый из рассмотренных барьеров в границах ТЭМ располагается в разных плоскостях, такая конструкция с одной из сторон будет иметь более низкую температуру, а с другой – более высокую. На их основе создаются недорогие и лёгкие термогенераторы.

Дополнительная информация. В большинстве промышленных образцов ТЭМ функцию полупроводников выполняют соединения кремния и висмута.

В готовом к практическому использованию элементе содержится большое количество рассмотренных ранее переходов, что позволяет получать вполне ощутимые по величине температурные перепады. Используя обратный эффект (охлаждая одну из его сторон и нагревая другую) удаётся получить электрогенератор, энергии от которого будет хватать для зарядки мобильного телефона, например.

Достоинства и недостатки

К преимуществам модулей типа ТЭМ, используемых в режимах охлаждения и нагрева, можно отнести их универсальность, небольшие габариты и лёгкость, что особо важно в походных условиях.

Их существенным недостатком является высокая стоимость, сравнительно низкий КПД (всего 2-3%), а также необходимость в стороннем источнике, позволяющем получить требуемый перепад температур.

Обратите внимание! Все перечисленные достоинства и недостатки относятся и к элементам ТЭМ, используемым как термоэлектрогенератор (смотрите рисунок ниже).

Модуль ТЭМ

Несмотря на присущие им недостатки, все эти изделия довольно часто применяются в различных сферах, где уровень энергозатрат не имеет решающего значения.

Самостоятельное изготовление

Комплект необходимых деталей

Перед тем, как собрать ТЭГ Пельтье своими руками, обязательно нужно учесть следующие важные моменты:

• Для получения электричества за счёт разницы температур подходят далеко не все представленные ранее модули ТЭМ, а лишь те из них, что рассчитаны на нагрев до 300-4000 градусов;
• Определенный запас по температуре гарантирует, что преобразовательные пластины не выйдут из строя при случайном перегреве рабочих контактов;
• Из всего многообразия представленных изделий предпочтение следует отдать элементам типа ТЕС1-12712, изготавливаемых в виде квадратов с разными размерами сторон: от 40 до 60 мм (смотрите рисунок ниже).

Термоэлементы типа TEC

Дополнительная информация. Для сборки устройства, рассчитанного на минимум потребляемой мощности, вполне может хватить одного элемента с максимальным размером.

Помимо этого, для изготовления генератора потребуется электронный преобразователь, позволяющий поддерживать выходное напряжение на уровне 5 Вольт. Необходимость в этой схеме объясняется тем, что генерируемая системой ЭДС непостоянна, так как разность температур всё время меняет своё значение при нагреве и охлаждении отдельных зон.

Стабилизатор напряжения придётся использовать фирменный (самостоятельно изготовить его могут только профессионалы). Для заявленных целей подойдёт устройство от зарубежного производителя марки «MAX 756» или отечественные изделия (3.3В/5В ЕК-1674), оснащённые USB разъёмом.

В качестве нагревателя могут использоваться как костёр (мини-печка), так и свеча, сухой спирт или самодельная лампа. Роль охладителя на природе чаще всего играет холодная вода, а в зимнее время – снег.

Сборка

Для формирования сред с разной температурой потребуются небольшие металлические ёмкости типа кружек или кастрюль из дюралюминия с отпиленными ручками. По своему размеру посуда подбирается так, чтобы одну ёмкость можно было вставить в другую, и чтобы между стенками оставался зазор, достаточный для размещения элементов TEC (они крепятся с двух сторон на термическую пасту).

Затем к каждой из сторон надёжно закреплённого модуля припаиваются хорошо изолированные провода, ведущие к преобразователю (стабилизатору). Для повышения отдачи системы (её КПД) днища металлических ёмкостей, непосредственно контактирующих с элементами ТЭГ, предварительно полируются, а на их донные части наносится тонкий слой термостойкого герметика (фото ниже).

Самодельный термогенератор

Последняя операция обеспечит концентрацию тепла в зоне расположения модуля и не позволит ему рассеиваться на близко расположенных охлаждаемых деталях. Для проверки работоспособности получившейся конструкции во внутреннюю (меньшую по объёму) ёмкость наливается вода, или закладывается снег, после чего она ставится на огонь. По истечении некоторого времени можно будет проверить наличие выходного напряжения 5 Вольт посредством мультиметра.

В заключение отметим, что из-за не очень высокого КПД этого устройства применять его в походе целесообразно только с целью зарядки телефона или для энергоснабжения не очень мощного фонарика с подсевшей батарейкой. Благо, что на природе имеются все условия, необходимые для создания нужной разности температур (холодная вода из реки и тепло от костра).

Видео

amperof.ru