Электричество из тепла

Электричество из тепла

Сучасні електронні технології внесли в наш побут багато нових компактних пристроїв, без яких цей самий побут вже немислимий. Всі вони живляться від автономних джерел - батарейок або акумуляторів, які вобичних умовах можна купити або зарядити. В умовах віддалених від благ цивілізації, наприклад в тривалому поході, нерідко виникає необхідність поповнення енергії джерел живлення. Виручити зможе термобатарея.

Трохи теорії.

Термоелектрика - явище прямого перетворення теплоти в електрику в твердих або рідких провідниках, а також зворотне явище прямого нагрівання та охолодження контакту різнорідних провідників минаючим струмом.

преобразование тепла в электричество

Термо ЕРС - електрорушійна сила, що виникає в електричному ланцюзі, що складається з декількох різнорідних провідників, контакти між якими мають різну температуру (ефект Зеєбека). Величина тер-моЕДС не залежить ні від площі контакту, ні від форми провідників, а залежить тільки від температур гарячого Т1 і холодного Т2 контактів і від матеріалів провідників.

Ефект Пельтьє зворотний ефекту Зеєбека. Якщо через контакт двох різнорідних провідників пропускати електричний струм, то контакт буде нагріватися або охолоджуватися, залежно від напрямку струму. Ступінь нагрівання або охолодження залежить від сили струму і матеріалів провідників.

Ефект Томсона (Кельвіна) полягає в тому, що якщо металевий провідник нагрівати в одній точці і одночасно пропускати по ньому електричний струм, то на кінцях провідника, рівновіддалених від точки нагріву, виникає різниця температур. На тому кінці, де струм направлений до місця нагрівання, температура знижується, а на іншому кінці, де струм направлений від точки нагріву, - підвищується.

Термопара - електричний ланцюг, що складається з двох різнорідних провідників, які мають електричний контакт.ТермоЕДС металевої термопари при різниці температур на її кінцях, рівної 100 ° С, - величина порядку 1 мВ. Щоб її підвищити, можна з'єднати кілька термопар послідовно. Вийде термобатарея, в якій один кінець усіх термопар знаходиться при температурі Т1, а інший - при температурі Т2. ТермоЕРС батареї дорівнює сумі термоЕРС окремих термопар. В аматорських умовах можна виготовити непогану термопару, якщо зварити вугільним електродом (напруга не вище 36 В) два дроти, поєднуючи мідь, константан, ніхром, фехраль, нікелін і срібло. Можна застосувати і дротяні стійки від електролампи.

ТермоЕРС напівпровідників в тисячі разів більше, ніж у металів. Тому напівпровідники більшою мірою, ніж метали, підходять для виготовлення термобатарей, від яких потрібні великі термоЕРС або інтенсивне термоелектричне нагрівання або охолодження.

Якщо створити хороший тепловий контакт однієї групи спаїв термобатареї з яким-небудь джерелом теплоти, то на виході термобатареи буде вироблятися напругу. ККД перетворення теплової енергії в електричну в таких термоелектричних генераторах досягає 16 ... 17%. Для порівняння, у паротурбінних електростанцій тепловий ККД становить 20 ... 40%. Термоелектричні генератори знаходять застосування у віддалених точках Землі, наприклад в Арктиці, і в космосі, де від джерела живлення потрібні велика довговічність, малі розміри, відсутність рухомих механічних деталей і знижена чутливість до умов навколишнього середовища.

Можна також, приєднавши до затискачів термобатареи джерело струму, пропускати через її термоелементи струм. Одна група спаїв термобатареї буде нагріватися, а інша - охолоджуватися. Таким чином, термобатарей можна використовувати і як термоелектричний холодильник.

Зарядний пристрій для мобільного телефону

Найбільш доступні за ціною термобатареї, виготовлені тайванської промисловістю. Мені попалося одна з них «модуля Пельтье ТЕС 1_127060.40».

Це позначення розшифровується:

ТЕС - термоелемент (від англ. Thermoelectric cooler);

1 - розмір сторони гілки термоелемента в мм;

127 - кількість термоелементів;

060 - максимальний струм (6 А);

40 - розмір (40x40 мм);

Рмах - максимальна паспортна теплова потужність цього модуля - 53 Вт

Основне призначення цього модуля - холодильник. Але його можна використовувати і, навпаки, в якості термоелектрогенераторов. В Інтернеті мені попалося опис термоелектрогенераторов, що використовує подібний модуль. Одну з конструкцій (кухоль) я вирішив повторити й удосконалити.

преобразователь тепла в электричество

Рис.1

электричество из тепла своими руками

Рис.2

Принцип отримання електроенергії полягає в нагріванні одного боку модуля з одночасним охолодженням другою. Причому необхідний інтенсивний відвід тепла, оскільки існує перенесення тепла всередині модуля, за рахунок якого знижується різниця температур «гарячої» і «холодної» сторін, а отже, і напруга на виході модуля.

как получить электричество из тепла

Рис.3

Основою пристрою служать дві металеві кружки з тонкої нержавійки, розміри яких дозволяють вставити їх одна в іншу з зазором близько 1 см. Повітря в зазорі служить теплоізолятором, який скорочує теплообмін між джерелом тепла і охолоджувачем (водою, снігом), яким заповнюється внутрішня гуртка. Між денцями кухлів розташовується термоелемент (рис.1). Він повинен мати хороший тепловий контакт з обома гуртками. Для цього гуртки повинні мати максимально рівні поверхні дна і, крім того, обидві поверхні термоелемента необхідно змастити будь теплопроводящей пастою. З'єднуються гуртки стяжками, виготовленими з велосипедних спиць.

Для захисту модуля від попадання в нього вологи був використаний автомобільний герметик -прокладка, що витримує температуру близько 300 ° С. Кількість герметика повинно бути мінімально необхідним, оскільки він збільшує теплообмін між гуртками. Ізоляція проводів для з'єднання термоелемента з зовнішнім світом повинні витримувати нагрів. Краще використовувати дроти під фторопластовою ізоляції. Одним з провідників може бути корпус гуртки. Роз'єм для підключення був використаний від батарейки типу «Крона». Якщо він розташовується на зовнішній гуртку, то контакти краще здійснюється не пайкою, а зварюванням або гвинтиками, так як зовнішня гуртка сильно нагрівається. Ізолювати з'єднання можна тим же автомобільним герметиком - прокладкою. Зовнішній вигляд отриманого пристрою показано на рис.2.

Випробування проводилися на домашній газовій плиті (рис.3). Внутрішня гуртка була наповнена водою з водопроводу температурою приблизно 20 ° С. На «холостому ходу» модуль давав на виході трохи більше 3 В.

Без особливих зусиль з модуля вдалося «вичавити» 0,5 Вт, або 0,01 максимальної потужності пристрою при опорі навантаження в межах 5 ... 10 Ом. Це пов'язано, в основному, з умовами теплообміну. Для зняття більшої потужності необхідно інтенсивніше відводити тепло з «холодної» боку, наприклад, використовувати замість води сніг. Цієї потужності, однак, цілком вистачає для зарядки мобільного телефону в похідних умовах, використовуючи тепло багаття. Для цього досить зібрати підвищувальний перетворювач напруги, наприклад, на мікросхемах IT34063, МАХ756, МАХ757 небудь NCP1400. Напруга на виході встановлюється рівним напрузі зарядки мобільного телефону.

А.Грідін, г. Киев

- id: 1 body1: '

Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые вобычных условиях можно купить либо зарядить. В условиях удаленных от благ цивилизации, например в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергии источников питания. Выручить сможет термобатарея.

Немного теории.

Термоэлектричество - явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения контакта разнородных проводников проходящим током.

преобразование тепла в электричество

ТермоЭДС - электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру (эффект Зеебека). Величина тер-моЭДС не зависит ни от площади контакта, ни от формы проводников, а зависит только от температур горячего Т1 и холодного Т2 контактов и от материалов проводников.

Эффект Пельтье обратный эффекту Зеебека. Если через контакт двух разнородных проводников пропускать электрический ток, то контакт будет нагреваться либо охлаждаться, в зависимости от направления тока. Степень нагрева или охлаждения зависит от силы тока и материалов проводников.

Эффект Томсона (Кельвина) состоит в том, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева, возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, - повышается.

Термопара — электрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, имеющих электрический контакт.ТермоЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100°С, - величина порядка 1 мВ. Чтобы ее повысить, можно соединить несколько термопар последовательно. Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре Т1, а другой - при температуре Т2. ТермоЭДС батареи равна сумме термоЭДС отдельных термопар. В любительских условиях можно изготовить неплохую термопару, если сварить угольным электродом (напряжение не выше 36 В) две проволоки, сочетая медь, константан, нихром, фехраль, никелин и серебро. Можно применить и проволочные стойки от электролампы.

ТермоЭДС полупроводников в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термоЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16... 17%. Для сравнения, у паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20...40%. Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках Земли, например в Арктике, и в космосе, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая - охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать и как термоэлектрический холодильник.

Зарядное устройство для мобильного телефона

Наиболее доступны по цене термобатареи, изготовленные тайваньской промышленностью. Мне попалось одна из них «МОДУЛЬ ПЕЛЬТЬЕ ТЕС 1_127060.40».

Это обозначение расшифровывается:

ТЕС - термоэлемент (от англ. Thermoelectric cooler);

1 - размер стороны ветви термоэлемента в мм;

127 - количество термоэлементов;

060 — максимальный ток (6 А);

40 - размер (40x40 мм);

Рмах — максимальная паспортная тепловая мощность этого модуля - 53 Вт.

Основное назначение этого модуля - холодильник. Но его можно использовать и, наоборот, в качестве термоэлектрогенератора. В Интернете мне попалось описание термоэлектрогенератора, использующего подобный модуль. Одну из конструкций (кружку) я решил повторить и усовершенствовать.

преобразователь тепла в электричество

Рис.1

электричество из тепла своими руками

Рис.2

Принцип получения электроэнергии состоит в нагревании одной стороны модуля с одновременным охлаждением второй. Причем необходим интенсивный отвод тепла, поскольку существует перенос тепла внутри модуля, за счет которого снижается разность температур «горячей» и «холодной» сторон, а следовательно, и напряжение на выходе модуля.

как получить электричество из тепла

Рис.3

Основой устройства служат две металлические кружки из тонкой нержавейки, размеры которых позволяют вставить их одна в другую с зазором около 1 см. Воздух в зазоре служит теплоизолятором, который сокращает теплообмен между источником тепла и охладителем (водой, снегом), которым заполняется внутренняя кружка. Между донышками кружек располагается термоэлемент (рис.1). Он должен иметь хороший тепловой контакт с обеими кружками. Для этого кружки должны иметь максимально ровные поверхности дна и, кроме того, обе поверхности термоэлемента необходимо смазать любой теплопроводящей пастой. Соединяются кружки стяжками, изготовленными из велосипедных спиц.

Для защиты модуля от попадания в него влаги был использован автомобильный герметик -прокладка, выдерживающий температуру около 300°С. Количество герметика должно быть минимально необходимым, поскольку он увеличивает теплообмен между кружками. Изоляция проводов для соединения термоэлемента с внешним миром должны выдерживать нагрев. Лучше использовать провода во фторопластовой изоляции. Одним из проводников может быть корпус кружки. Разъем для подключения был использован от батарейки типа «Крона». Если он располагается на внешней кружке, то контакты лучше осуществлять не пайкой, а сваркой или винтиками, так как внешняя кружка сильно нагревается. Изолировать соединение можно тем же автомобильным герметиком — прокладкой. Внешний вид получившегося устройства показан на рис.2.

Испытания проводились на домашней газовой плите (рис.3). Внутренняя кружка была наполнена водой из водопровода температурой приблизительно 20°С. На «холостом ходу» модуль давал на выходе чуть больше 3 В.

Без особых усилий из модуля удалось «выжать» 0,5 Вт, или 0,01 максимальной мощности устройства при сопротивлении нагрузки в пределах 5... 10 Ом. Это связано, в основном, с условиями теплообмена. Для снятия большей мощности необходимо интенсивнее отводить тепло с «холодной» стороны, например, использовать вместо воды снег. Этой мощности, однако, вполне хватает для зарядки мобильного телефона в походных условиях, используя тепло костра. Для этого достаточно собрать повышающий преобразователь напряжения, к примеру, на микросхемах IT34063, МАХ756, МАХ757 либо NCP1400. Напряжение на выходе устанавливается равным напряжению зарядки мобильного телефона.

А.Гридин, г. Киев

 

Написать:
23:38
5513
No comments yet. Be the first to add a comment!