Термогенератор, отримуємо електрику з тепла
Для того, щоб отримати електрику безпосередньо від газового пальника або іншого джерела тепла, застосовується термогенератор. Так само, як і у термопари, його принцип дії заснований на ефекті Зеєбека, відкритому в 1821 році. Згаданий ефект полягає в тому, що в замкнутій ланцюга з двох різнорідних провідників з'являється ЕРС, якщо місця спаїв провідників знаходяться при різних температурах. Наприклад, один спай знаходиться в посудині з киплячою водою, а інший в чашці з тающим льодом.
Ефект виникає від того, що енергія вільних електронів залежить від температури. При цьому електрони починають переміщатися від провідника, де вони мають більш високу енергію в провідник, де енергія зарядів менше. Якщо один з спаїв нагрітий більше іншого, то різниця енергій зарядів на ньому, більше, ніж на холодному. Тому, якщо ланцюг замкнута, в ній виникає струм, саме та сама термоерс.
Приблизно величину термоЕРС можна визначити за простою формулою:
E = α * (T1 - T2). Тут α - коефіцієнт термоерс, який залежить тільки від металів, з яких складена термопара або термоелемент. Його значення зазвичай виражається в мікровольтах на градус. Різниця температур спаїв в цій формулі (T1 - T2): T1 - температура гарячого спаю, а T2, відповідно, холодного.
Наведену формулу досить наочно ілюструє рис. 1.
Мал. 1. Принцип роботи термопари
Малюнок цей класичний, його можна знайти в будь-якому підручнику фізики. На малюнку показано кільце, складене з двох провідників А і Б. Місця з'єднання провідників називаються спаями. Як показано на малюнку, в гарячому спае T1 термоерс має напрямок з металу Б в метал А. А в холодному спае Т2 з металу А в метал Б. Зазначене на малюнку напрямок термоерс справедливо для випадку, коли термоерс металу А позитивна по відношенню до металу Б .
Як визначити термо металу
ЕРС металу визначається по відношенню до платини. Для цього термопара, одним з електродів якої є платина (Pt), а іншим випробуваний метал, нагрівається до 100 градусів Цельсія. Отримане значення в мілівольтах для деяких металів, показано нижче. Причому слід звернути увагу на те, що змінюється не тільки величина термоЕРС, але і її знак по відношенню до платини.
Платина в цьому випадку відіграє таку ж роль, як 0 градусів на температурній шкалі, а вся шкала величин термоерс виглядає наступним чином:
Після платини йдуть метали з від'ємним значенням термоЕРС:
Користуючись цією шкалою дуже просто визначити значення термоЕРС розвивається термопарою, складеної з різних металів. Для цього достатньо підрахувати алгебраїчну різницю значень металів, у тому числі виготовлені термоелектроди. Наприклад, для пари сурма - вісмут це значення буде +4,7 - (- 6,5) = 11,2 мВ. Якщо в якості електродів використовувати пару залізо - алюміній, то це значення складе всього +1.6 - (+0,38) = 1,22 мВ, що менше майже в десять разів, ніж у першої пари.
Якщо холодний спай підтримувати в умовах постійної температури, наприклад 0 градусів, то термоЕРС гарячого спаю буде пропорційна зміні температури, що і використовується в термопарах.
Як створювалися Термогенератор
Уже в середині 19 століття робилися численні спроби для створення термогенераторов - пристроїв для отримання електричної енергії, тобто для харчування різних споживачів. В якості таких джерел передбачалося використовувати батареї з послідовно з'єднаних термоелементів. Конструкція такої батареї показана на рис. 2.
Мал. 2. термобатарея, схематичне пристрій
Першу термоелектричний батарею створили в середині 19 століття фізики Ерстед і Фур'є. Як термоелектродів використовувалися вісмут і сурма, як раз та сама пара з чистих металів, у якій максимальна термоерс. Гарячі спаї нагрівалися газовими пальниками, а холодні поміщалися в посудину з льодом. В процесі дослідів з термоелектрикою пізніше були винайдені термобатареи, придатні для використання в деяких технологічних процесах і навіть для освітлення. Як приклад можна привести батарею Кламона, розроблену в 1874 році, потужності якої цілком вистачало для практичних цілей: наприклад для гальванічного золочення, а також застосування в друкарні і майстерень геліогравюри. Приблизно в той же час дослідженням термобатарей займався і вчений Ное, його термобатареи свого часу також були поширені досить широко.
Але всі ці досліди, хоча і вдалі, були приречені на провал, оскільки термобатареи, створені на основі термоелементів з чистих металів, мали досить низький ККД, що стримувало їх практичне застосування. Чисто металеві пари мають ККД лише кілька десятих часток відсотка. Набагато більшим ККД мають напівпровідникові матеріали: деякі оксиди, сульфіди і интерметаллические з'єднання.
напівпровідникові термоелементи
Справжню революцію в створенні термоелементів справили праці академіка А.І. Іоффе. На початку 30 - х років XX століття він висунув ідею, що за допомогою напівпровідників можливо перетворення теплової енергії, в тому числі і сонячної, в електричну. Завдяки проведеним дослідженням вже в 1940 році був створений напівпровідниковий фотоелемент для перетворення світлової сонячної енергії в електричну. Першим практичним застосуванням напівпровідникових термоелементів слід вважати, мабуть, «партизанський казанок», що дозволяв забезпечити харчуванням деякі портативні партизанські радіостанції.
Основою термогенератора служили елементи з константана і SbZn. Температура холодних спаїв стабілізувалася киплячою водою, в той час як гарячі спаї нагрівалися полум'ям багаття, при цьому забезпечувалася різниця температур не менше 250 ... 300 градусів. ККД такого пристрою був не більше 1,5 ... 2,0%, але потужності для живлення радіостанцій цілком вистачало. Звичайно, в ті воєнні часи конструкція «казанка» була державною таємницею, і навіть зараз на багатьох форумах в інтернеті обговорюється його пристрій.
побутовий термогенератор
Уже в повоєнні п'ятдесяті роки радянська промисловість почала випускати термогенератор ТГК - 3. Основне його призначення полягало в харчуванні батарейних радіоприймачів в НЕ електрифікованої сільської місцевості. Потужність генератора становила 3 Вт, що дозволяло живити батарейні приймачі, такі як «Тула», «Іскра», «Таллінн Б-2», «Батьківщина - 47», «Батьківщина - 52» і деякі інші.
Зовнішній вигляд термогенератора ТГК-3 показаний на рис. 3.
Мал. 3. Термогенератор ТГК-3
конструкція термогенератора
Як вже було сказано, термогенератор призначався для використання в сільській місцевості, де для освітлення використовувалися гасові лампи «блискавка». Така лампа, оснащена Термогенератор, ставала не тільки джерелом світла, але і електрики. При цьому додаткових витрат палива не було потрібно, адже в електрику перетворювалася саме та частина гасу, яка просто летіла в трубу. До того ж, такий генератор був завжди готовий до роботи, конструкція його була така, що ламатися в ньому просто нема чому. Генератор міг просто лежати без діла, працювати без навантаження, не боявся коротких замикань. Термін служби генератора, в порівнянні з гальванічними батареями, здавався просто вічним.
Роль витяжної труби у гасової лампи «блискавка» грає подовжена циліндрична частина скла. При використанні лампи спільно з Термогенератор скло робилося укороченим, і в нього вставлявся металевий теплопередатчик 1, як показано на рис. 4.
Мал. 4. Гасова лампа з термоелектричним генератором
Зовнішня частина теплопередатчик має форму багатогранної призми, на якій встановлені термобатареи. Щоб збільшити ефективність тепловіддачі теплопередатчик всередині мав кілька поздовжніх каналів. Проходячи по цих каналах гарячі гази йшли в витяжну трубу 3, попутно нагріваючи термобатарей, точніше, її гарячі спаї. Для охолодження холодних спаїв використовувався радіатор повітряного охолодження. Він являє собою металеві ребра, прикріплені до зовнішніх поверхонь блоків термобатарей.
Термогенератор - ТГК3 складався з двох незалежних секцій. Одна з них виробляла напруга 2В при струмі навантаження до 2А. Ця секція використовувалася для отримання анодного напруги ламп за допомогою віброперетворювача. Інша секція при напрузі 1,2В і струмі навантаження 0,5 А використовувалася для харчування ниток напруження ламп.
Неважко підрахувати, що термогенератор мав потужність не перевищує 5 Ватт, але для приймача її цілком вистачало, що дозволяло скрашувати довгі зимові вечори. Зараз, звичайно, це здається просто смішним, але в ті далекі часи такий пристрій було, безсумнівно, дивом техніки.