Термоэлектрический генератор своими руками
Что такое термоэлектрический генератор?
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.
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:
- В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
- 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.
Термогенератор своими руками: инструкция по изготовлению преобразователя тепловой энергии в электрическую
Количество цифровых гаджетов постоянно увеличивается. К сотовому телефону добавились мобильная радиостанция, GPS-навигатор и фотоаппарат.
Таскать с собой полный котелок запасных аккумуляторов для всей этой электронной братии тяжело, а в холодное время года еще и бессмысленно – их емкость и мощность при низких температурах сильно сокращаются.
Поэтому каждый путешественник хотел бы обзавестись устройством, преобразующим в электричество доступную в походе энергию.
Весьма практичными оказались термогенераторы – источники, для работы которых необходимо тепло. На чем основан принцип их работы и как можно сделать термогенераторы электричества своими руками – об этом пойдет речь в этой статье.
Как определить термоЭДС металла?
Термоэлектродвижущая сила возникает в замкнутом контуре при соблюдении двух условий:
- Если он состоит хотя бы из двух проводников, изготовленных из различных материалов.
- Если все входящие в состав контура разнородные участки имеют различную температуру (хотя бы в области соединения).
В физике данное явление называют эффектом Зеебека.
Величина термоЭДС зависит от вида материалов и разности их температур.
Определяют ее по формуле:
Е = к (Т1 – Т2),
- Где Т1 и Т2 – температура проводников;
- К – коэффициент Зеебека.
Наибольшей производительностью обладают контуры, состоящие из разнородных полупроводников (обладающих р- и n-проводимостью). В металлах эффект Зеебека проявляется незначительно, за исключением некоторых переходных металлов и их сплавов, например, палладия (Pd) и серебра (Ag).
Теплообменники широко применяются в быту. Довольно легко можно сделать теплообменник своими руками – инструкция по сборке представлена в статье.
Пошаговая инструкция по облицовке камина своими руками представлена тут.
Знаете ли вы, что напряжение всего в 12 Вольт может служить источником тепла? По ссылке https://microklimat.pro/otopitelnoe-oborudovanie/obogrevateli/12-volt-svoimi-rukami.html инструкция по изготовления обогревателя 12 Вольт своими руками.
Принцип работы
Решать задачу по производству электричества из тепловой энергии приходится, как принято говорить в науке, от обратного. Противоположным эффекту Зеебека является эффект Пельтье, который состоит в изменении температур двух объединенных в замкнутый контур разнородных полупроводников при пропускании через них постоянного тока: один из них нагревается, второй – остывает.
Если направление тока изменить, изменится и направление теплового потока: первый полупроводник будет остывать, а второй – нагреваться. В качестве полупроводников чаще всего применяют твердую смесь кремния с германием и теллурид висмута.
Эффект, открытый Жаном Пельтье, получил широкое применение в различных сферах человеческой жизнедеятельности, где требуются холодильные машины, но нет возможности применить компрессорный тепловой насос на фреоне. Поэтому именно его именем назвали выпускаемые для этой цели устройства – элементы Пельтье.
Конструкция термогенератора
Итак, идея термогенератора довольно проста: необходимо взять элемент Пельтье и сильно нагреть одну из его поверхностей. В генераторах заводского изготовления для этого применяются газовые горелки. Но создать такой прибор в домашних условиях довольно сложно – трудно обеспечить стабильное горение пламени в течение длительного времени.
Поэтому народные умельцы отдают предпочтение более простой версии термогенератора, о которой мы сейчас и расскажем.
Изготовление своими руками
Схематично устройство самодельной термоэлектростанции можно представить так:
- Элемент Пельтье положим на дно глубокой посудины – миски или кружки.
- Далее в эту посудину вставим еще одну: если используются миски, то понадобится такая же; если ваш выбор пал на кружки, то вторая должна быть чуть меньше первой.
- К выведенным от элемента Пельтье проводам присоединим преобразователь напряжения.
- Внутреннюю посудину заполним снегом или холодной водой, после чего всю конструкцию поставим на огонь.
Через какое-то время снег растает, превратится в воду и закипит. Производительность генератора при этом понизится, но зато турист получит возможность выпить горячего чайку. После чаепития можно будет заправить генератор новой порцией снега.
Порядок работ
Теперь рассмотрим процесс создания самодельного термогенератора в деталях:
- Поверхность каждой посудины в месте контакта с элементом Пельтье следует выровнять и зачистить, что обеспечит максимальный теплообмен. Для идеального прилегания можно отполировать донышки смазанным пастой ГОИ куском войлока, закрепленным в шпинделе электродрели.
- Присоединяем к контактам элемента Пельтье провода от электроплиты, снабженные термостойкой изоляцией. За неимением таковых можно применить, к примеру, провод МГТФЭ-0,35, обернув его термостойкой тканью.
- Смазав дно одной из посудин термопроводящей пастой, например, КПТ-8, укладываем на него элемент Пельтье. Подсоединенные к нему провода следует расположить так, чтобы их концы оказались вне емкости.
- Сверху элемент Пельтье снова смазываем термопастой и вставляем в нашу кружку или миску вторую емкость подходящего размера (у кружки нужно будет отрезать ручку).
- Пространство между емкостями необходимо заполнить термоустойчивым герметиком (можно купить в автомагазине состав для ремонта выхлопных труб). Он послужит теплоизоляцией между горячей и холодной сторонами генератора и дополнительной защитой для проводов.
Походный генератор электричества
Изготовление преобразователя
В ходе эксперимента установленный на электроплитку термогенератор при наличии снега во внутренней емкости обеспечил ЭДС в 3В и ток в 1,5А. После превращения снега в воду и ее закипания мощность генератора упала в три раза (напряжение составило 1,2В).
Чтобы использовать такой прибор в качестве зарядного устройства для телефона или другого гаджета, которому требуется стабильное напряжение в 5 В или 6,5 В, его необходимо оснастить преобразователем напряжения.
Рассмотрим два варианта.
Вариант 1
Проще всего применить в качестве преобразователя микросхему КР1446ПН1, снабженную DIP-корпусом.
Производится она в России и ее легко можно найти в магазине радиодеталей или на радиорынке.
Воспользоваться не возбраняется и более мощными аналогами, но все они выпускаются в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа, так что придется помучиться с распайкой.
На вход микросхемы подается напряжение с элемента Пельтье, а сама она включается в режиме «5 Вольт» (штатный). Параллельно с элементом Пельтье на вход преобразователя напряжения следует припаять достаточно мощный шунтирующий диод. Он предотвратит движение тока в обратном направлении, если на генератор будет оказано противоположное температурное воздействие.
К примеру, будучи заполненным горячей водой он может быть по неосторожности установлен на какую-нибудь холодную поверхность.
К выходу преобразователя нужно припаять кабель от старого зарядного устройства, подходящего для нашей модели телефона или фотоаппарата, а также светодиодный индикатор на 5 В.
Недостаток этого варианта: предложенная в качестве преобразователя микросхема ограничивает мощность генератора, поскольку ток на ее выходе не превышает 100 мА. Таким образом, элемент Пельтье используется приблизительно на 20%, чего будет достаточно только для телефонов устаревших моделей.
Вариант 2
Более мощный преобразователь можно собрать по двухкаскадной схеме с применением пары микросхем MAX 756. Чтобы при отключении потребителя генерируемый ток не пропадал зря, оснастим преобразователь встроенными аккумуляторами. Соединенные последовательно, они включены в нагрузку первого каскада через выключатель, диод и токоограничивающий резистор. Сам каскад настроен на режим выхода «3,3 Вольт».
К выходу каскада №1 подключаем каскад №2, настроенный на режим выхода «5 Вольт». Оба каскада реализованы согласно схеме, приведенной в документации на микросхему MAX 756 (опубликована в Сети). Единственное отличие – цепь обратной связи каскада №2 (между выходом каскада и ногой №6 его микросхемы) дополняется последовательностью из 3-х кремниевых диодов, расположенных анодом к выходу.
Простейший походный термогенератор
Такое усовершенствование позволит получать на холостом ходу напряжение величиной 6,5 В (требуется для зарядки некоторых электронных устройств).
Чтобы упростить схему, можно применить микросхему MAX 757, которая снабжена отдельным выходом обратной связи.
Интерфейс этого преобразователя соответствует типу USB Type A. Но если к нему предполагается подключать USB-устройство, то последовательность диодов из цепи обратной связи 2-го каскада лучше убрать, чтобы выходное напряжение вернулось на уровень 5 В.
Вариация на тему…
Чтобы создать достаточный температурный градиент, обе его поверхности нужно оснастить ребристыми радиаторами.
На поверхности со стороны пламени радиатор должен иметь увеличенную площадь, а его ребра устанавливаются горизонтально.
На противоположной стороне элемента установлен меньший радиатор, а его оребрение – вертикальное.
Батареи отопления могут устанавливаться по-разному в зависимости от типа отопительной системы – однотрубной или двухтрубной. Схемы подключения радиаторов отопления и советы по месту их установке – читайте внимательно.
Как отремонтировать циркуляционный насос своими руками? Основные типы поломок и методы их устранения представлены в этой статье.
Видео на тему
Как получить электричество из тепла — использование элемента Пельтье для выработки энергии, сборка термогенератора
Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.
Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.
Шаг 1: Необходимые детали
- 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
- Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
- Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
- Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
- Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
- Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
- Резак для резки тонких металлов
- Ножницы по металлу
- Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
- Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
- Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
- Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
- Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
- 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
- 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
- Толстая медная проволока
- Цифровой мультиметр
Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.
Шаг 2: Конструирование
Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.
Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.
Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.
Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.
Шаг 3: Тестирование теплогенератора
Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.
Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.
На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.
Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.
Шаг 4: Улучшения
Возможные следующие модернизации устройства:
- Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
- Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
- Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
- Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
- Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
- Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
- Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
- Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)
Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.
Онлайн помощник домашнего мастера
Термоэлектрический генератор – лучшие устройства и советы по их использованию (инструкция + видео)
Термоэлектрический генератор, сокращенно ТЭГ – это устройство, вырабатывающее электричество, используя эффект возникновения электродвижущей силы (ЭДС), за счет разницы температур проводников. Стоит отметить, что имеется и обратный эффект — получение разницы температур при воздействии электрического тока.
Краткое содержимое статьи:
Что это такое?
Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.
На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.
Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.
Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.
Историческая справка
Термоэлектрические эффекты или термоэлектричество, своим открытием обязано нескольким ученым. Впервые явление открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, в 1821 году. Оно получило название «Эффект Зеебека».
Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.
ТЭГ пытались создавать с середины 19 века. В 1874 году была разработана батарея Кламона, которая была достаточно мощной, чтобы использоваться в типографии или при гальванизации.
Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.
Можно вспомнить довольно известный «партизанский котелок», от которого питались радиостанции. Выпускалась модель термоэлектрического генератора ТГК-3. Фото термоэлектрического генератора ТГК-3 представлены в нашей галерее.
Была отсылка к теме термоэлектрических генераторов и в советской фантастике — в 1930-х годах Роман Адамов написал научно-фантастический роман «Тайна двух океанов», о похождениях подводной лодки «Пионер», источником энергии в которой служила термопара.
Конструктивные особенности и область применения
Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.
Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.
Автономные термоэлектрические генераторы
Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.
Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.
Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.
Универсальные термоэлектрические генераторы
К универсальным ТЭГ можно отнести те устройства, которые используют излишки тепла там, где таковые имеются, а также генераторы двойного назначения — для выработки электрической и тепловой энергии.
Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.
Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.
ТЭГ своими руками
Создание простейшего генератора в домашних условиях не составит больших трудностей по причине его крайней простоты. По сути, все что нужно, это найти элемент Пельтье. Приобрести такой элемент сегодня не составляет труда и не потребует больших затрат.
Для простейшей демонстрации, кроме термоэлемента, достаточно будет двух алюминиевых банок прямоугольной формы, канцелярского зажима, пары проводов, холодной и горячей воды. Нужно поместить элемент Пельтье между корпусами банок, скрепив их зажимом, налить в одну банку кипяток, в другую холодную воду, желательно со льдом.
Теперь, если правильно соблюдена полярность, можно замерить напряжение на выводах элемента, сомнительно, что оно будет больше одного вольта, но, можно считать, что демонстрация удалась.
Чуть более сложной задачей будет сборка термоэлектрического генератора на дровах. Для этого, помимо термоэлемента, понадобиться камера сгорания, в качестве которой подойдет корпус от компьютерного блока питания, радиатор и вентилятор можно использовать от процессора, разъем USB.
Для тех, кто желает получить более высокое напряжение можно порекомендовать инверторы стабилизаторы — все зависит от фантазии. Инструкций и схем на просторах сети достаточно. Ниже приведена фотография подобного устройства.
Заключение
Итак, в статье был дан краткий обзор одному из направлений альтернативной энергетики — энергия, получаемая за счет термоэлектрических эффектов. История развития этого направления еще не написана до конца и не стоит на месте.
Термоэлектрические генераторы совершенствуются и находят новые применения, а следовательно рано сбрасывать со счетов эти простые, но полезные устройства.
Эксперимент по постройке термоэлектрического генератора на основе элементов Пельтье
Здравствуйте, меня зовут Данил, и я параноик. Паранойя моя заключается в том, что я убежден в неминуемом приходе Большого Песца. В каком обличье этот самый песец придет, не важно – если останемся в живых, то, скорее всего, придется начинать жить с нуля. А жить гораздо веселее, когда у тебя есть, от чего зарядить аккумуляторы в фонарике и дозиметре. Тех, кто считает так же (а также и всех любопытствующих), прошу под кат (осторожно, тяжелые фотки).
Исследовательская часть
Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества.
Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.
Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.
Обмозговав эти доводы, я приуныл. Но вскоре случайно наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, исключительно ссылка на исходный материал). Я просидел на нем безвылазно двое суток, и в процессе наткнулся на прелюбопытную статью про печку-щепочницу из корпуса от компьютерного БП с элементом Пельтье на боку (ссылка в конце поста). В комментариях было много скептики, но автор писал, что спокойно заряжал телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя… Я загорелся.
Конструкторская часть
Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (на эксперименты хватит). Обошелся он мне в 320 рублей. Что порадовало, так это ускоренная, с отслеживанием, но бесплатная доставка. Плюс товар отправили буквально через час после оплаты (а дело было в воскресенье).
Пока элемент Пельтье ехал, я продумал конструкцию будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (прекрасно подошел древний процессорный радиатор), а также откопал на просторах Интернета схему DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 ампер при напряжении 5 вольт.
Делать печку-щепочницу по примеру из той статьи я посчитал не целесообразным. Металл, из которого делают компьютерное железо, очень мягкий, от воздействия высоких температур его «поведет», да и прогорит он быстро. Поэтому было решено сделать «съемный вариант» генератора, который можно было бы закрепить на боку стационарной печки или прислонить к стоящему на костре котелку. А чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом огне, нужна была термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстой алюминиевой пластины размерами 100х120х5 миллиметров.
Чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке, а к нему, в свою очередь, прижать радиатор, я решил использовать детский металлический конструктор, который я когда-то покупал для нужд робототехники.
Но вот элемент Пельтье приехал, и настало время для сборки.
Технологическая часть
У нас был радиатор, алюминиевая пластина, элемент Пельтье, горстка радиодеталей, кусок фольгированного текстолита и самые разные винтики и гайки. Дальше не помню.
Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.
Прошу прощения за размеченную и просверленную в двух местах пластину – до меня только после дошло, что неплохо бы фотографировать весь процесс сборки с самого начала.
Первая неприятность, которая меня подстерегала – это 12-вольтовый штатный вентилятор на радиаторе. Так как я собираюсь добывать всего 5 вольт, да еще и при довольно небольшом максимальном токе, то это могло создать проблему.
Сначала я закинул удочки во все радио- и компьютерные магазины Перми, однако нигде не нашлось вентилятора 80х80 миллиметров на 5 вольт. А если и были, то меньших размеров и на ток более 200 мА, что было слишком много.
Затем я покопался на Ибее и обнаружил, что нужный мне вентилятор стоит от 300 рублей. Но надеяться на скорую доставку было бессмысленно, и поэтому я оставил этот вариант как резервный.
И только после всех поисков я догадался включить штатный 12-вольтовый вентилятор к 5-вольтовому источнику напряжения. Оказалось, что он вполне неплохо дует, и при этом потребляет не очень большой ток. Поэтому я решил пока оставить его, а после проведения испытаний при необходимости заказать вентилятор на Ибее.
Я разметил алюминиевую пластину и просверлил в ней два отверстия для крепления радиатора и два – для платы преобразователя напряжения. Отверстия я сделал диаметром 4 миллиметра (под винты из конструктора), а с внешней стороны расширил их до 7,5 миллиметров, чтобы скрыть шляпки винтов. После этого я скруглил напильником острые углы и прошелся крупной наждачкой по всем поверхностям пластины, и мелкой – по месту прижатия элемента Пельтье.
На этом обработку подложки я посчитал завершенной и приступил к изготовлению преобразователя напряжения.
Импульсный повышающий преобразователь напряжения собран на ИМС L6920, которая начинает работать при входном напряжении 0,8 вольт и позволяет снять со своего выхода фиксированное напряжение 3,3 или 5 вольт, или изменяемое от 1,8 до 5,5 вольт.
Принципиальная схема преобразователя является типовой и взята из даташита.
Для получения 5 вольт на выходе схемы ножка 1 соединена с общим проводом. Также настроена выдача низкого уровня на ножке 3 при падении входного напряжения ниже 1,5 вольт.
Для схемы была разведена печатная плата, на которой предусмотрено крепление к основанию-подложке с помощью все тех же деталей от детского конструктора. За перегрев платы я не беспокоюсь, так как она имеет принудительное охлаждение потоком воздуха, выдуваемым из радиатора.
Пришлось повозиться с макросом корпуса, в котором была купленная мной микросхема. На сайте магазина значилось, что она в корпусе SSOP-8. Как оказалось, в стандартном наборе макросов Sprint Layout нет такого корпуса. Я нашел чертеж корпуса SSOP-8 и сделал макрос, после чего развел плату. После пробной печати выяснилось, что микросхема несколько шире, и на свои контактные площадки не помещается. Гугление конкретной модели микросхемы (L6920D) привело меня на сайт Чип-Дипа, где я узнал, что ИМС с индексом D изготавливается в корпусе TSSOP-8. Почесав затылок, я нашел чертеж этого корпуса, создал макрос и переразвел плату. Теперь все оказалось правильно.
Плата изготовлена при помощи ЛУТа и собрана. Оказалось, что корпус TSSOP-8 паять без фена очень неудобно. Но мы люди тертые, FTDI-микросхемы с шагом ножек 0,4 миллиметра паяли.
Теперь можно заняться установкой элемента Пельтье и радиатора. Подложку и радиатор в местах контакта с элементом я намазал термопастой. Затем стянул получившийся «бутерброд» гайками.
Оказалось, что плата преобразователя не влезает, упирается входным разъемом в радиатор, слегка не рассчитал. Перевернул крепежные скобы, плату вывесил наружу, а для защиты элементов от механических повреждений добавил еще две скобы. Вот что в итоге получилось:
Теперь можно проверить работоспособность генератора. Я нагревал его на газовой горелке. Вентилятор решил пока не ставить.
Для начала оказалось, что я перепутал полярность подключения элемента к преобразователю. Хотя вроде бы все было правильно – черный провод – к минусу, красный – к плюсу. Однако работать генератор не хотел. Тогда я изменил полярность подключения элемента.
Генератор заработал – сначала загорелись оба светодиода, сигнализируя о наличии 5 вольт на выходе и низком напряжении на входе, затем красный светодиод погас – напряжение поднялось выше полутора вольт.
К моему неудовольствию оказалось, что без вентилятора через пару минут работы системы радиатор ощутимо нагрелся. Так дело не пойдет.
На следующий день я прогулялся по металлорынку и нескольким компьютерным барахолкам, но на мой вопрос о 5-вольтовых вентиляторах везде разводили руками и советовали сходить «еще вон в то место», в котором я уже был пару минут назад. В итоге я поехал домой не солоно хлебавши.
Дома я провел эксперимент по запитке штатного 12-вольтового вентилятора от выходных 5 вольт преобразователя. Результаты меня не порадовали – преобразователь с явной неохотой погасил красный светодиод, а вентилятор несколько секунд слабо подергивался, пытаясь запуститься. Воздушного потока от работающего в полсилы вентилятора оказалось недостаточно для нормального охлаждения – радиатор так же быстро нагрелся, хоть и не обжигал теперь пальцы. В итоге вентилятор я решил все же заказать с Ибея.
Результат
Несмотря на низкий КПД элемента Пельтье в режиме генерации, промежуточный результат я все же получил – при подключении к выходу преобразователя портативного аккумулятора с заявленным током заряда 1000 мА генератор смог дать ток около 600 мА. Думаю, для зарядки большинства гаджетов в условиях Большого Песца этого тока вполне хватит.
По приезду вентилятора (Ибей обещает середину марта-начало апреля) проверю охлаждение. Плюс нужно будет протестировать работу генератора в «боевых» условиях – на костре.
За качество фотографий извиняюсь — фотограф из меня никакой. Ссылка на вдохновившую меня статью: тыц.
