Світ електроніки - електрику з тепла

На початку минулого століття винахідники і вчені вже добре представляли ту користь, яку може дати широке застосування електроенергії. Однак способів її дешевого отримання в достатній кількості довго не існувало. Але ось в 1821 році німецьким вченим Зєєбеком було відкрито цікаве явище.

Якщо взяти замкнений ланцюг з двох спаяних між собою різнорідних провідників і один спай нагрівати, а інший охолоджувати, то в ланцюзі виникне струм. У цьому дивно простому пристрої (назвали його термоелементом) теплова енергія як би прямо перетворюється в електричну.

У відомому задовго до нього гальванічному елементі енергія виходила за рахунок розчинення металу в електроліті. Речовини ці досить дорогі, недешево виходила і енергія. Термічні елементи - інша справа. Сам він не витрачається, а паливо цілком доступно. Тим більше, що нагрівати його спаи можна чим завгодно: сонцем, вулканічним теплом, продуктами згоряння, що вилітають через трубу печі, і т. Д.

Давайте уважніше розберемо деякі його властивості. Одиночний термоелемент розвиває маленьку ЕРС - десяті, соті частки вольта. Однак його внутрішній опір дуже мало, отже, створюється струм може бути дуже великий.

Давно відомий такий гарний експеримент. Електромагніт із залізним сердечником і обмоткою, що складається з. одного витка. Але виток - скоба з міді товщиною в палець, замкнута упаяний перемичкою з вісмуту. Один кінець спаяний нагріваємо звичайної лабораторної пальником, інший - охолоджуємо водою. Виникає струм в тисячі ампер, і магніт (при одному-то витку!) Утримує чавунний бабусин праска.

Низька ЕРС - не біда, термоелементи легко з'єднуються в батарею з послідовним з'єднанням сотень або тисяч джерел. Виглядає вона такою гармошкою з чергуються смуг двох металів. Сильний струм при помірному напруженні в 2-3 вольта якнайкраще годився для застосування в дрібних гальванічних майстерень. Його виробляли термоелектрогенератори, що нагадують невелику піч на дровах, вугіллі або газі.

Застосовувалися вони кустарями ще на початку століття. Були спроби вирішувати і більш великі завдання. Так, наприклад, в кінці 80-х років минулого століття в Парижі Клуе побудував термоелектричний генератор, що давав енергію для 80 «свічок» Яблочкова. ККД установок того часу не перевищував 0.3%. Здавалося б, вже дуже мало, але все втрачене тепло можна було використовувати для опалення будинку, підігріву води або приготування їжі. Пропонувалися і опалювальні печі з вбудованими термоелектрогенераторов. Цікаво, що їх установка ні в якому разі не збільшує витрати палива на опалення. Адже електрику, якщо його витратять в тому ж приміщенні, знову перейде в тепло!

Історія розпорядилася інакше. Електрика виявилося значно вигідніше виробляти на електростанціях і централізовано розподіляти споживачам. Навіть в минулому столітті ККД електростанцій був в десятки разів вище, ніж у термоелементів. Однак витончена простота, надійність, викликана відсутністю рухомих частин, зачарували багатьох. Спроби підвищити ККД без глибокого проникнення в теорію до серйозного успіху не привели. ЕРС виникає в результаті нагрівання гілок термоелемента, але одночасно виникає і паразитний потік тепла, марно перетікає від гарячого спаю до холодного. Намагаючись його використовувати, стали збирати каскади термоелементів, в яких більш холодний спай одного нагріває гарячий спай іншого. Температура гарячих спаїв на кожному ярусі каскаду знижується. Однак, підбираючи матеріали, найбільш добре працюють саме в заданому діапазоні температур, ККД всієї системи вдається значно підвищити.

Є й інша можливість. Її називають регенерацією тепла. Направимо потік повітря вздовж термоелектричного каскаду від холодного кінця до гарячого. При цьому він знайде від елементів частина протікає по ним тепла і нагріється. Після цього направимо гаряче повітря в топку і заощадимо частину палива. Вся ця процедура рівноцінна зниження теплопровідності матеріалів термоелементів, а принесе вона користь лише в тому випадку, якщо відбудеться відбір строго певної частини тепла від кожного елемента. Однак регенерація відчутна лише тоді, коли самі термоелементи, що входять в каскад, досить досконалі.

У 30-ті роки теоретичні роботи в галузі термоелектрики особливо інтенсивно проводилися в нашій країні. Кажуть, немає нічого практичніше гарну теорію. Академік А. Ф. Іоффе створив нову теорію процесів, що відбуваються в твердому тілі. Деякі солідні вчені брали її в багнети, називали «квантово-механічним підсвідомістю». Але в 1940 році, грунтуючись на її висновках, вдалося підняти ККД термоелемента в 10 разів. Сталося це завдяки заміні металів на напівпровідники - речовини з більш високою термоЕРС і низьку теплопровідність.

На початку війни в лабораторії Іоффе був створений «партизанський котел» - термоелектрогенератор для харчування портативних радіостанцій. Це був казанок, на днище якого зовні розташовувалися термоелементи. Їх горючі спаи знаходилися в огні багаття, а холодні, прикріплені до дна казанка, охолоджувалися налитої в нього водою.

Ретельний підбір матеріалів, застосування регенерації дозволили в наш час довести ККД термоелемента до 15%. На початку століття таку ефективність мали звичайні електростанції, але тепер вона зросла більш ніж в три рази. Термоелемента в великій енергетиці поки місця немає. Але ж є і енергетика мала. Кілька десятків ват потрібно для харчування радіорелейної станції, що стоїть на гірській вершині, або морського сигнального буя. Є й віддалені місця, де живуть люди, яким потрібні електрику і тепло. У подібних випадках застосування знаходять термоелементи, що підігріваються газом або рідким паливом. Особливо цінно, що ці пристрої можна помістити в невеликий підземний бункер і залишити абсолютно без нагляду, лише раз на рік або рідше поповнювати запас палива. Зважаючи на малу потужності витрата його при будь-якому ККД виявляється прийнятний, а крім того. немає вибору.

Цікаве застосування для термоелектрогенераторов знайшли лікарі. Уже понад два десятиліття тисячі людей носять імплантований, поміщений під шкіру рітмоводітеля серцевої діяльності. Джерелом енергії для нього служить крихітна (з наперсток) батарея з сотні з'єднаних послідовно термоелементів, що підігріваються розпадом нешкідливого ізотопу. Нескладна операція по її заміні проводиться раз на 5-10 років.

В Японії випускаються електронний годинник, енергію яких від тепла руки дає термоелемент.

Нещодавно одна італійська фірма заявила про початок роботи над електромобілем з термоелектрогенераторов. Це джерело струму значно легше акумуляторів, тому пробіг у термоелектричного автомобіля буде не менше, ніж у звичайного. (Нагадаємо, що електромобілі здатні з одного зарядкою пройти 150 км.) Вважають, що шляхом різних хитрувань витрата палива вдасться зробити прийнятним. Головні переваги екіпажу нового типу - абсолютно нешкідливий вихлоп, безшумний рух, застосування найдешевшого рідкого (а можливо, і твердого) палива, дуже велика надійність.

У 30-ті роки проводилися в нашій країні роботи над термоелементами були широко відомі. Ймовірно, тому письменник Г. Адамов описав у своєму романі «Таємниця двох океанів» підводний човен «Піонер», які отримували енергію від тросів-батарей. Так він назвав термоелектричні генератори, виконані у вигляді довгих тросів. Їх гарячі спаї за допомогою буя піднімалися в верхні шари океану, де температура досягає 20-25 ° C, а холодні - охолоджувалися глибоководної водою з температурою 1-2 ° С Так фантастичний «Піонер» - човен, здатна дати сто очок вперед нинішнім атомним, заряджав свої акумулятори.

Чи реально таке? Повідомлення про прямих дослідах подібного роду у пресі немає. Втім, промайнуло щось цікаве. Створено термоелектрогенератор на 1000 кВт, що виробляє енергію за рахунок тепла гарячих підземних джерел. Різниця температур між гарячим і холодним спаями 23 ° С, як в океані, питома вага 6 кг на 1 кВт - багато нижче, ніж у енергетичних установок звичайних підводних човнів. Чи не на порозі ми нової енергетичної революції, нового століття електрики?