Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты » Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите
Количество просмотров: 186924
Комментарии к статье: 15


Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите


Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плитеНа одном из электрических форумов был задан такой вопрос: «Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ?» Мотивировалось это тем, что газ у этого товарища, да собственно, как и у многих, оплачивается просто по нормативам без счетчика.

Сколько ни пользуйся, платить все равно фиксированную сумму, и почему же не превратить уже оплаченный, но не использованный газ в халявную электроэнергию? Так на форуме появилась новая тема, которая была подхвачена остальными участниками: задушевная беседа помогает не только сократить рабочий день, но еще и убить свободное время.

Было предложено множество вариантов. Просто купить бензиновый генератор, а заправлять его бензином, полученным перегонкой бытового газа, либо переделать генератор для работы сразу на газу, как автомобиль.

Вместо двигателя внутреннего сгорания предлагался двигатель Стирлинга, известный также как двигатель внешнего сгорания. Вот только топикстартер (тот, который создал новую тему) претендовал на мощность генератора не менее 1 киловатта, но его урезонили, мол, такой стирлинг не поместится даже в кухне небольшой столовой. Кроме того немаловажно, чтобы генератор был бесшумным, иначе, ну, сами знаете что.

После множества предложений кто-то вспомнил, как видел в какой-то книжке рисунок, где показана керосиновая лампа с приспособлением в виде многолучевой звезды для питания транзисторного приемника. Но об этом будет сказано чуть дальше, а пока…

Термогенераторы. История и теория

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяются термогенераторы. Так же, как и у термопары, их принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году.

Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется э.д.с., если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, горячий спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

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

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = α * (T1 – T2). Здесь α - коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус.

Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного. Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рисунок 1.

Принцип работы термопары

Рисунок 1. Принцип работы термопары

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

Как определить термоэдс металла

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

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

Сурьма +4,7, железо +1,6, кадмий +0,9, цинк +0,75, медь +0,74, золото +0,73, серебро +0,71, олово +0,41, алюминий +0,38, ртуть 0, платина 0.

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

Кобальт -1,54, никель -1,64, константан (сплав меди и никеля) -3,4, висмут -6,5.

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды.

Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – ( - 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

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

Как создавались термогенераторы

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

Термобатарея, схематическое устройство

Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом.

В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

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

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую.

Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

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

Бытовые термогенераторы

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

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.

Термогенератор ТГК-3

Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества.

При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

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

Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи.

Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

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

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

В 1834 году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл эффект, противоположный эффекту Зеебика. Смысл открытия в том, что при прохождении тока через спай из разнородных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) выделяется или поглощается тепло, что зависит от направления тока и типов материалов. Об этом подробно рассказано здесь: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Датчики температуры. Часть третья. Термопары. Эффект Зеебека
  • Контактные явления и термоЭДС - ответы на популярные вопросы
  • Что такое термопара и как она работает
  • Как устроены и работают термоэлектрические холодильники, их достоинства и н ...
  • Термоэлектрический эффект и охлаждение, эффект Пельтье
  • Термоэлектрический модуль Пельтье - устройство, принцип действия, характери ...
  • Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов ...
  • Термоэлектрические генераторы (Бернштейн А. С)
  • Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
  • Как изменяется сопротивление при нагреве металлов
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты

    Источники энергии, Электрическая энергия

      Комментарии:

    #1 написал: pharad |

    Это все интересно, но где взять технологию изготовления подобных термогенераторов, или как связаться с теми, кто их изготавливает (в России естественно).

      Комментарии:

    #2 написал: andy78 |

    Есть такая компания "Термофор", делает различные отопительные печи, в т.ч. у них есть отопительно-варочная печь со встроенным термогенератором. Тепловая энергия горящего в печи топлива преобразуется в электрическую энергию. Выходное напряжение - 12 В, мощность - 50 Вт. Емкость встроенного аккумулятора - 12 А х ч.

    Термоэлектрические модули для генерирование электроэнергии делает компания "Криотерм" из Санкт-Петербурга. Один модуль при разности температур до 10 гр. С генерирует мощность до 10 Вт.

    Может быть кто-то еще что-то похожее делает. Надо поискать. Но, главное, технология получения электроэнергии с помощью термогенератора, описанная в статье, реально работающая.

    Андрей Повный

      Комментарии:

    #3 написал: andy78 |

    В продолжение темы, поднятой в статье добавил на сайт книгу "Термоэлектрические генераторы". Несмотря на то, что книга довольно старая (1956 г.), это наиболее полный источник информации из имеющихся в наше время по непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую с помощью термогенераторов. Ссылка на книгу: Термоэлектрические генераторы

      Комментарии:

    #4 написал: kolik777 |

    Не знаю, как сейчас, а раньше на магистральных газопроводах в Якутии (Промышленный - Якутск - Покровск, Мастах - Якутск) от ТЭГов запитывались РРС, поскольку других источников электричества в тайге нет. На запитку одной станции напряжением 27 В ставилось штук 10, диаметром сантиметров 70 и высотой немного больше метра (по памяти пишу, может быть немного не такие размеры). Что интересно, применялись параллельные стабилизаторы, чтобы уменьшить количество термоэлементов и учитывая довольно большое выходное сопротивление ТЭГ.

      Комментарии:

    #5 написал: marsowoy |

    Сегодня появились  новые материалы, создаваемые в поршковой металлургии. Они позволяют очищать горячие газы посредством фильтрации через пористый металл. При этом очень перспективным в бытовом отношении является создание термогенераторов именно из таких материалов, выпуск которых УЖЕ доступен технологически. Население ждёт отечественных "хогбенов" - проявите Ваши таланты, - пожалуйста. Подводные лодки, косм. корабли - это Прогресс, но когда же он придёт в самый отдалённый уголок страны - просто и вовремя - ?

      Комментарии:

    #6 написал: дмитрий |

    Добрый день Всем. В начале развала СССР, в начале перестройки, по рс. Маяк очень часто транслировались рекламы  всяких товаров и услуг. Так вот один из институтов предлагал свою разработку "элемента Пельтье" куб размерами 50х50х50мм из керамики с двумя проводами. Прикладывая к проводам напряжение 12в этот кубик нагревался до 1500 градусов Цельсия. Записать адреса я не сумел, реклама проходила раза три. Похоже это был Одесский институт. Это было в начале 1991 г. 

      Комментарии:

    #7 написал: Владимир |

    Какая ПАРА МАТЕРИАЛОВ будет обладать максимальным ТЕРМОЭДС их тех, что можно использовать в ДОМАШНИХ условиях? Не опасаясь необратимых последствий для здоровья и окружающей среды.

      Комментарии:

    #8 написал: alex-s |

    ...электростанцию встроенную в домашний газовый котёл с приводом от стирлинга на 1кВт давно продают всему миру кроме России (санкции) и цена кусачая для нас - около 10 тыс у.е. Размер чуть больше обычного газового котла. В ИНТЕРНЕТЕ МНОГО ССЫЛОК.

      Комментарии:

    #9 написал: Михаил |

    Термоэлемент — представляет собой спай из двух различных металлов (напр., железа и константана, платины и иридия и т. д.), обладающий тем свойством, что при нагревании этот спай создает постоянную э. д. с. тем большую, чем выше температура спая. Этим свойством пользуются для измерения переменных токов при помощи приборов постоянного тока. Нагревая спай переменным током, можно по создаваемой термоэлементом постоянной э. д. с. судить о силе тока, нагревающего спай, т. е. измерять силу переменного тока. Современные термоэлементы, помещенные в вакуум, обладают большой чувствительностью и позволяют измерять очень слабые переменные токи.

      Комментарии:

    #10 написал: Алексей |

    В Институте полупроводников Академии наук СССР были построены полупроводниковые термоэлектрогенераторы, которые имели кпд порядка 15%.

      Комментарии:

    #11 написал: Паша |

    Первые модели термогенераторов конца 19 — начала 20 вв., изготовленные на основе металлических сплавов, имели кпд, равный долям %. Лишь с появлением полупроводниковых соединений и полупроводниковых термоэлементов термогенераторы начали проникать в энергетику, их кпд может достигать 8-10%. Термогенератор обладает рядом преимуществ: отсутствие движущихся частей, абсолютная безопасность, неограниченный срок хранения, возможность получения любого соотношения между постоянным напряжением и током в пределах даваемой мощности и др.

      Комментарии:

    #12 написал: Руслан |

    Хотя явления термоэлектрического тока представляют пример преобразования тепловой энергии непосредственно без всяких механизмов в энергию электрического тока, но применение электрических батарей в качестве генераторов электрической энергии не могло получить распространения вследствие очень низкого значения коэффициента полезного действия подобных устройств. Для примера возьмем батарею Гюльхера, состоящую из 66 элементов, построенных из никелевых трубок и пластин из сплава цинка с сурьмой. Трубки одновременно служат горелками для светильного газа. Потребляя около 0,0472 литра газа в секунду, батарея имеет электродвижущую силу 4 вольта и внутреннее сопротивление 0,65 ома. Наибольшая мощность, какую может дать термоэлектрический генератор во внешней цепи, получается тогда, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему. Сила тока при этом равна 3,1 ампера. Полезная мощность внешней цепи едва достигает 6,2 ватта. Теплотворная способность одного литра газа измеряется 5000 калорий в 1 секунду. Коэффициент полезного действия термобатареи равен отношению полезной электрической мощности, выраженной в калориях в одну секунду, к числу калорий, даваемых сжигаемым газом в 1 секунду равен 0,0063, т. е. коэффициент полезного действия термоэлектрический батареи около 0,6%. 

      Комментарии:

    #13 написал: Дмитрий Коновалов |

    Термоэлектрический генератор — уникальная тепловая машина, в которой рабочим телом служат носители заряда. Он не имеет движущихся частей, бесшумен в работе и очень надежен. Однако его относительно низкая эффективность (обычно около 5%) ограничивает его использование специализированными медицинскими, военными и космическими приложениями, где стоимость не является основным фактором. В течение последних 10 лет термоэлектричество привлекает все большее внимание как «зеленый» и гибкий источник электроэнергии, способный удовлетворить широкий спектр требований к мощности. Относительно недавно стало понятно, что в ситуациях, когда поставка тепла дешева или бесплатна, как в случае отработанного тепла, эффективность системы преобразования не имеет решающего значения. Использование отработанного тепла в качестве источника энергии, особенно при температурах ниже 140°С, существенно повышает коммерческую конкурентоспособность этого способа получения электроэнергии. Результаты недавнего исследования производительности теплоэлектростанций, работающих на сточных водах, показывают, что в течение трехлетнего периода эксплуатации можно производить электроэнергию с помощью этого метода и по цене, которая соответствует цене традиционных коммунальных услуг.

      Комментарии:

    #14 написал: Николай |

    Сегодня теплоэлектроэнергетика приобретает все большее значение в контексте прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В промышленных условиях, на транспорте и в домах вырабатывается большое количество энергии, которая не используется и превращается в отработанное тепло. Этот потенциал можно использовать в качестве устойчивого источника энергии с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Тепловая энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую энергию, что позволяет способствовать рекуперации энергии. К преимуществам такого прямого преобразования энергии относятся отсутствие механических или химических процессов и движущихся компонентов, жидкостей и газов. Кроме того, они представляют собой прочную, компактную и не требующую технического обслуживания альтернативу.

      Комментарии:

    #15 написал: Михаил |

    Термогенератор - это устройство, которое преобразует тепловую энергию в электрическую. Принцип работы термогенератора основан на явлении термоэлектрического эффекта, при котором при неравномерном нагреве металлической проволоки, между ее концами возникает разность потенциалов.

    Для изготовления термогенератора на газовой плите нужны следующие материалы:

    • две различных металлические проволоки (лучше всего использовать медь и константан);
    • клеммная колодка;
    • керамические гильзы.

    Шаг 1: Подготовка проводов

    Отрежьте две проволоки длиной около 10-15 см. Очистите концы проводов от изоляции на расстоянии около 1 см.

    Шаг 2: Сборка термогенератора

    Нанизать по очереди медную и константановую проволоки на гильзы и закрепить их в клеммной колодке. Важно, чтобы точки касания проводов находились на одной линии и были обращены в одну сторону.

    Шаг 3: Проверка работы термогенератора

    Поднесите горячую сторону термогенератора к плите газовой плиты или другому источнику тепла. На холодном конце термогенератора можно измерить разность потенциалов с помощью вольтметра.

    Шаг 4: Использование термогенератора

    Полученное электричество можно использовать для питания маломощных устройств, таких как светодиоды, зарядные устройства для мобильных телефонов и т.д. Важно помнить, что термогенераторы имеют низкий КПД и малую мощность, поэтому они не могут использоваться для питания большинства электрических устройств.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.