Термоэлектрический генератор: принцип работы, применение, как сделать

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «теплота» не совсем точен, так как теплота является способом передачи, а не отдельным видом энергии. Это определение относится к полной кинетической энергии молекул, атомов и других структурных элементов, составляющих вещество.

Несмотря на то, что ТЭС сжигает топливо для выработки электроэнергии, ее нельзя отнести к разряду ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия сначала преобразуется в кинетическую, а она уже преобразуется в электрическую энергию. То есть топливо сжигается для получения пара из воды, который вращает турбину электрогенератора.

Оперативный план ТЭЦ

Исходя из вышеизложенного, следует уточнить, что ТЭГ должны вырабатывать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Примеры термоэлектрических генераторов промышленного применения

Универсальный термоэлектрический генератор Б4-М

Универсальный генератор Б4-М позволяет получать напряжение питания 12 В при установке на вертикальные горячие поверхности с температурой +250°С и обеспечивает тепловой поток через генератор 300 Вт. Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянный контроль за его работой. Степень защиты ТЭГ Б4-М от контакта с токоведущими частями, попадания твердых посторонних тел и жидкостей – IP35 по ГОСТ 14254-96.

Генератор предназначен для работы в помещении и на открытом воздухе при любых погодных условиях. Генератор снабжен бронированным кожухом, защищающим линии выходного напряжения от механических повреждений и перегрева (рис. 2). На бронированной втулке также установлен контакт выходного напряжения.

Рис. Рис. 2. Внешний вид и состав ТЭГ Б4-М (1 — рабочая поверхность; 2 — корпус; 3 — отверстия для крепежа; 4 — ребра радиатора; 5 — разъем переходника

В реальных условиях эксплуатации в силу ряда факторов достаточно сложно обеспечить постоянную температуру источника тепла. В связи с этим для защиты от перегрева и повышения надежности генератор имеет встроенную тепловую защиту, предотвращающую выход генератора из строя при нагреве монтажной поверхности до +300 °С. Наиболее важные технические характеристики ТЭГ Б4-М приведены в таблице 1.

В процессе проектирования систем с использованием термоэлектрических генераторов возникает вопрос: каковы будут выходные параметры генератора при температурах ниже номинальной? На рис. На рис. 3 представлена ​​зависимость выходной мощности генератора Б4-М при адаптированной нагрузке от температуры источника тепла.

На графике показана область срабатывания тепловой защиты после повышения температуры источника тепла выше +260 °С, где снижается тепловой поток через термоэлектрический модуль и, как следствие, уменьшается вырабатываемая электрическая мощность. Испытания проводились при комнатной температуре в условиях естественной конвекции. Нормальная работа ТЭГ Б4-М требует охлаждения радиатора, поэтому важно обеспечить свободный проход воздуха по ребрам.

Эксплуатация генератора на открытом воздухе, как правило, дает наилучшие результаты за счет наличия дополнительного естественного притока воздуха к радиатору, при этом нет необходимости защищать генератор от дождя и снега, так как влага на радиаторе дополнительно охлаждает его и, следовательно, увеличивает вырабатываемую мощность устройства. Для питания электронных устройств рекомендуется использовать подходящий стабилизатор напряжения.

Рис. 3. Типовые результаты испытаний генератора Б4-М

Термоэлектрический генератор ТЭГ-5

Модернизация инфраструктуры промышленных предприятий и внедрение современных систем учета электроэнергии часто ограничиваются отсутствием электроэнергии в местах установки различных устройств телеметрии и передачи данных. В то же время во многих случаях имеется паропровод.

Для получения источника электрической энергии из тепловой энергии пара используется термоэлектрический генератор ТЭГ-5 (рис. 4), который устанавливается на паропроводах промышленных установок и имеет выходную мощность 5 Вт, гарантированную заводом-изготовителем для наиболее неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации. Наиболее важные технические характеристики приведены в таблице 2.

Рис. 4. Генератор ТЭГ-5: габаритные размеры сверху; видно снизу

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15

Газовый термоэлектрический генератор ТЭГ-15 (рис. 5) предназначен для выработки электрической энергии для питания газоизмерительной аппаратуры путем преобразования тепловой энергии сгорания газового топлива в электрическую энергию.

Генератор успешно эксплуатируется на газораспределительных пунктах и ​​обеспечивает автономное электроснабжение систем сбора и передачи информации, независимое от внешних источников электрической энергии.

Рис. 5. Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительных пунктах

Применение термоэлектрических генераторов, работающих на газе, позволяет снизить затраты за счет исключения необходимости подключения измерительной и передающей аппаратуры к линиям электроснабжения. Генераторы оснащены аккумуляторными батареями и блоком контроля заряда и работы агрегата.

Как видно из таблицы 3, номинальная мощность генератора составляет 15 Вт. Этой мощности достаточно для управления современными электронными приборами для измерения расхода и параметров газа. Если требуется большая мощность или резервирование, генераторы могут быть соединены каскадом.

Принцип работы

ТЭГ основан на термоэлектрическом явлении, описанном в начале 1920-х годов немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в замкнутом контуре, состоящем из проводника и сурьмы, предположив, что в местах соприкосновения этих материалов создается разность температур. Изображение устройства, с помощью которого был зарегистрирован этот эффект, представлено ниже.

Термопара из эксперимента Зеебека

Обозначения:

• 1 — медная жила.
• 2 — сурьмяный проводник.
• 3 — стрелка компаса.
• А и В — точки контакта между двумя проводниками.

При нагреве одного из контактов стрелка отклонялась, указывая на наличие магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта направление ЭДС меняется на противоположное. Следовательно, при разрыве цепи можно зафиксировать разность потенциалов на концах.

Через 12 лет после того, как Зеебек опубликовал результаты своих опытов, французский физик Жан Пельтье обнаружил обратный эффект. Если по цепи термопары пропускают ток, в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные о современных одноименных элементах, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба этих эффекта являются противоположными сторонами одного и того же термоэлектрического явления, позволяющего получать электричество непосредственно из тепловой энергии. Но до открытия полупроводников термоэлектрический эффект не нашел практического применения из-за недопустимо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось лишь в середине прошлого века.

К сожалению, даже для современных полупроводниковых элементов этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы этого типа в качестве серьезных конкурентов тепловых электростанций.

Современный элемент Пельтье с размерами

Обзор типов

В зависимости от способов получения электроэнергии, источников тепла, а также типов задействованных конструктивных элементов все термоэлектрические генераторы бывают нескольких типов.

Топливо. Они получают тепло от сжигания топлива, которым являются уголь, природный газ и нефть, а также тепло, получаемое при сжигании пиротехнических групп (чипов).

Ядерные термоэлектрические генераторы, где источником является тепло от ядерного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), здесь тепловой насос часто является второй и третьей ступенью преобразования.

Солнечные генераторы вырабатывают тепло от привычных нам в быту коммуникаторов солнечных батарей (зеркала, линзы, тепловые трубки).

Утилизационные установки генерируют тепло из различных источников, в результате чего выделяется отработанное тепло (выхлопные и дымовые газы и т.д.).

Радиоизотопы получают тепло при распаде и делении изотопов, этот процесс характеризуется неуправляемостью самого деления, результатом чего является период полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы основаны на разности температур без внешних возмущений: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оборудованное оборудование, промышленный трубопровод и т д.) с использованием начального пускового тока. Использовался данный тип термоэлектрического генератора, использующего полученную электрическую энергию от эффекта Зеебека для преобразования в тепловую энергию по закону Джоуля-Ленца.

Самостоятельное изготовление

Комплект необходимых деталей

Принцип работы синхронного генератора

Перед сборкой ТЭГ Пельтье своими руками необходимо учесть следующие важные моменты:

• Не все представленные ранее ТЭМ-модули подходят для выработки электроэнергии из-за разницы температур, а только рассчитанные на нагрев до 300-4000 градусов;
• Определенный температурный запас гарантирует, что пластины преобразователя не выйдут из строя при случайном перегреве рабочих контактов;
• Из всего представленного ассортимента продукции предпочтение следует отдать элементам типа ТЭЦ1-12712, выполненным в виде квадратов с разным размером сторон: от 40 до 60 мм (см рисунок ниже).

Термопары типа TEC

Дополнительная информация. Для сборки устройства, рассчитанного на минимум потребляемой мощности, вполне может хватить одного элемента с максимальными размерами.

Кроме того, для производства генератора требуется электронный преобразователь для поддержания выходного напряжения 5 вольт. Необходимость данной схемы объясняется тем, что ЭДС, создаваемая системой, непостоянна, так как разность температур все время меняет свое значение при нагреве и охлаждении отдельных зон.

Нужно использовать фирменный стабилизатор напряжения (сделать его самостоятельно могут только профессионалы). Для заявленных целей подойдет устройство иностранного производителя марки МАХ 756 или отечественной продукции (3,3В/5В ЭК-1674), оснащенное разъемом USB.

В качестве обогревателя можно использовать как костер (мини-печку), так и свечи, сухой спирт или самодельную лампу. Роль охладителя в природе чаще всего играет холодная вода, а зимой – снег.

Сборка

Для создания сред с разной температурой понадобятся небольшие металлические емкости типа кружек или кастрюль из дюралюминия с отпиленными ручками. По размеру пластины подобраны так, чтобы один контейнер можно было вставить в другой, а между стенками был зазор, достаточный для размещения элементов ТЭО (фиксируются с двух сторон на термопасту).

Затем к преобразователю (стабилизатору) с каждой стороны надежно закрепленного модуля припаиваются хорошо изолированные провода. Для повышения производительности системы (ее эффективности) днища металлических контейнеров, непосредственно контактирующих с элементами ТЭГ, предварительно полируются, а на их донные части наносится тонкий слой термостойкого герметика (на фото ниже).

Самодельный термогенератор

Последняя операция обеспечит концентрацию тепла в месте расположения модуля и не позволит ему распространяться на близко расположенные охлаждаемые детали. Для проверки работоспособности получившейся конструкции во внутреннюю (меньшего объема) емкость наливают воду или кладут снег, после чего поджигают. Через некоторое время можно будет проверить наличие выходного напряжения 5 вольт с помощью мультиметра.

В заключение отметим, что из-за не очень высокого КПД данного устройства его целесообразно использовать в походе только для зарядки телефона или для питания маломощного фонарика с разряженным аккумулятором. К счастью, в природе есть все необходимые условия для создания нужной разницы температур (холодная вода из реки и тепло от костра).

Перспективы

В настоящее время ведутся эксперименты по подбору оптимальных термопар, которые повысят КПД. Проблема в том, что под эти исследования трудно подвести теоретическую базу, поэтому приходится опираться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное содержание и состав сплава материала для термопар, говорить о ближайших перспективах — дело неблагодарное.

Высока вероятность, что в ближайшем будущем для повышения добротности термопар разработчики перейдут на другой уровень производства сплава для термопар, используя нанотехнологии, квантовые ямы и т.д.

Не исключено, что будет разработан совсем другой принцип с использованием нетрадиционных материалов. Примером могут служить эксперименты, проведенные в Калифорнийском университете, где вместо термопары, соединяющей два золотых микропроводника, использовалась искусственно синтезированная молекула.

Молекула вместо термопары

Первые эксперименты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Перспективы развития термоэлектрической генерации

Ожидается, что спрос на потребление ТЭГ населением вырастет на 14%. Прогноз развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, выпустив документ «Глобальный отчет об исследовании рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, прогресс, тенденции и прогнозы.

В отчете подтверждены перспективы ТЭГ в области переработки автомобильных отходов и систем совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.

Географически мировой рынок термоэлектрических генераторов разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. Азиатско-Тихоокеанский регион считается самым быстрорастущим сегментом в реализации рынка ТЭГ.

Среди этих регионов, по мнению экспертов, Америка является наиболее важным источником доходов на мировом рынке ТЭГ. Ожидается, что рост спроса на экологически чистую энергию увеличит спрос в Америке.

Европа также продемонстрирует относительно быстрый рост в прогнозируемый период. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.

Автомобильные компании, такие как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo, в сотрудничестве с НАСА уже приступили к разработке мини-ТЭГ для рекуперации тепла и экономии топлива в транспортных средствах.

Особенности функционирования ТЭМ

Принцип действия и конструкция

При рассмотрении функций ТЭМ, работающих по тому же принципу, что и генератор Пельтье, необходимо учитывать следующие моменты:

• Такой элемент имеет четыре перехода, которые образованы в граничных зонах между краями металлической прокладки и двух разных полупроводниковых пластин;
• При образовании замкнутой цепи поток электронов движется в направлении от минуса источника тока к плюсу, проходя через каждый переход;
• На границе первого по порядку барьера (полупроводник р-типа — медь) электроны, ускоренные во внешнем поле, переходят в состояние с меньшими энергиями ускорения, в результате чего выделяется тепло;
• При следующем переходе наблюдается поглощение энергии (т е охлаждение материала), что объясняется расходом работы выхода из зоны проводимости «р»;
• При третьем пересечении границы они входят в полупроводниковую зону «n» с гораздо большей энергией, чем в металлической упаковке, благодаря чему здесь наблюдается поглощение. Это приводит к охлаждению полупроводникового материала на границе этого ударного образования;
• При последнем переходе в результате попадания электронов в зону меньших энергий наблюдается обратный процесс, связанный с выделением тепла.

Новые электрогенераторы

Поскольку каждый из рассматриваемых барьеров в границах ТЭМ расположен в разных плоскостях, такая структура будет иметь более низкую температуру с одной стороны и более высокую с другой. На их основе делают дешевые и легкие термогенераторы.

Дополнительная информация. В большинстве промышленных образцов ТЭМ соединения кремния и висмута выполняют функцию полупроводников.

Готовый к практическому применению элемент содержит большое количество рассмотренных ранее переходов, что позволяет добиться достаточно заметных по величине температурных перепадов. Используя обратный эффект (охлаждение одной стороны и нагрев другой), можно получить электрогенератор, энергии которого хватит, например, на зарядку мобильного телефона.

Читайте также: Бензопила «Партнер 350»: устройство, характеристики, отзывы

Достоинства и недостатки

К преимуществам модулей ТЭМ, используемых в режимах охлаждения и обогрева, можно отнести их универсальность, малые габариты и легкость, что особенно важно в полевых условиях.

Существенным их недостатком является высокая стоимость, относительно низкий КПД (всего 2-3%), а также необходимость внешнего источника для достижения необходимого перепада температур.

Примечание! Все перечисленные достоинства и недостатки относятся и к элементам ТЭМ, используемым в качестве термоэлектрического генератора (см рисунок ниже).

Модуль ТЕМ

Несмотря на присущие им недостатки, все эти изделия достаточно часто используются в различных областях, где энергопотребление не является критичным.

Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах

Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех исследователей (Зеебека, Томсона, Пельтье), были разработаны почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.

Термоэлектрический эффект состоит в следующем явлении. Для охлаждения или выработки электроэнергии используется «модуль», состоящий из электрически соединенных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала p (S > 0) и n (S

Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, то этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Таким образом, система будет передавать тепло от холодного источника к горячему и выполнять функцию холодильника. При производстве электроэнергии поток тепла вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разница температур, тем больше электроэнергии может быть выработано.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

Ввиду низкого КПД ТЭГ возможны два варианта использования:

1. Места, где другие источники питания недоступны.
2. В процессах, где есть избыточное тепло.

Вот несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, сочетающие в себе следующие функции:

• Варочная поверхность.
• Обогреватель.
• Источник электричества.

Это отличный пример, который сочетает в себе все оба приложения.

Индигирка — три в одном

Показанная на рисунке энергетическая плита имеет следующие параметры:

• Вес – чуть более 50 килограммов (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (без дымохода).
• Оптимальная загрузка органического топлива – 30 литров. Допускается использование лиственных пород, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность агрегата составляет около 4,5 кВт.
• Мощность электрической нагрузки 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 переходник от прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

Тепловая энергия, выделяющаяся при разложении нестабильных элементов, может выступать источником тепла для ТЭГ. Такие источники называются радиоизотопами. Главное их преимущество в том, что они не требуют постоянной загрузки топлива. Недостатком является необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность дозаправки и необходимость утилизации.

Срок службы таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляются следующие требования:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть малое количество вещества, должен обеспечивать нужный уровень энерговыделения.
• Поддержание необходимого уровня мощности в течение длительного времени. Этому параметру отвечает, как было сказано выше, период полураспада, например для стронция-90 он составляет 29 лет, поэтому за это время источник потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть практичным в использовании, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. Это означает, что ионизирующее излучение не должно наносить вред окружающей среде (при работе на земле) и оборудованию, работающему от такого источника.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упомянутого выше стронция-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, область их применения достаточно разнообразна, они используются как в космосе, так и на Земле. На изображении ниже показан РИТЭГ, работавший на космическом корабле «Кассини». В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента составляет чуть более 87 лет. В конце 20-летней миссии источник произвел 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

В качестве примера был приведен «Кассини», и в силу его массовости можно констатировать, что практически все космические аппараты используют РИТЭГ для привода аппаратуры. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов обычно не публикуются.

На земле ситуация почти такая же. Технология РИТЭГа, так сказать, известна, но подробности являются секретной информацией. Достоверно известно, что такие установки используются в качестве источника питания навигационного оборудования в районах, где по техническим причинам невозможно получить питание иным способом. То есть речь идет о труднодоступных регионах.

Такие источники, к сожалению, не являются самой подходящей альтернативой тепловым электростанциям с экологической точки зрения.

РИТЭГ подняли с глубины 14 метров под Сахалином

Временная линейка развития изобретений

После первых признаков эффект Зеебека применялся дальше. Патент на использование термоэлектрических генераторов вместо обычных был получен в 1843 году Мозесом Пулом.

Пергелиометр для измерения солнечной активности

Пергелиометр предназначен для измерения интенсивности солнечного излучения по степени нагрева термопары. Прибор, изобретенный Клодом Пулье между 1837 и 1838 годами, позволил ученому с высокой степенью точности рассчитать солнечную постоянную, равную 1228 Вт/кв м. Первоначально пергелиометр не предназначался для использования в качестве термоэлектрического генератора. Отдельные разработки в конструкции послужили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Вот данные об изобретении, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют более сильные свойства в сочетании металлов, чем каждый материал в отдельности. В составе одна часть цинка и две части сурьмы , образец дал разность потенциалов 22,7 В. Потенциалы компонентов, взятые по отдельности:

• Сурьма — 7 — 10.
• Цинк — 0,2.

Единственным исключением был сплав висмута с оловом. При составе 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать свои исследования с пары мельхиора (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС была невелика.

Затем я попробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 частей цинка и 1 части висмута. В результате получается хрустящая корочка с ярко выраженной кристаллической структурой.

Чтобы компенсировать эти недостатки, добавляли мышьяк. В результате было установлено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет значительно большую пластичность при сходных термоэлектрических свойствах, наблюдаемых у сплава Маркуса. Другая часть пары осталась из нейзильбера.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса была в двадцать раз меньше ячейки Даниэля и обеспечивала 55 мВ постоянного тока. Негативное «покрытие» представляло собой сплав меди, цинка и никеля в соотношении 10:6:6, внешне похожий на нейзильбер; положительный — соединение сурьмы, цинка и висмута в соотношении 12:5:1. Согласно «Электричество на службе человека», 3-е издание, 1896 г., в мае 1864 г.

Маркус получил приз Венского научного общества за термоэлектрический генератор. Термопары, состоящие из кабины в верхней части, были объединены нагретой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. К сожалению, сплавы быстро окислялись на воздухе с огромным увеличением омического сопротивления контактов.

Вклад Беккереля

Точно неизвестно, когда родился термоэлектрический генератор Эдмона Беккереля, но историки относят его открытие к периоду 1867-1868 гг. В его конструкции переход образован из сульфида меди и нейзильбера. На фото: в ближайший бак закачана холодная вода, в самый дальний — горячий газ. Напряжение для термоэлектрического генератора снималось со спиральных проводов.

Термогенераторы Клэмонда

По поводу термоэлектрических генераторов доктор Стоун сказал: «Применение железа дает хороший эффект, который нивелируется быстрым ржавлением изделия.»

• Термоэлектрический генератор (вероятно, 1874 г.) Кламонда и Мура, сконструированный из сурьмяного цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Нагретый аппарат производил около унции меди в час, используя 6 кубических футов газа. Используется для покрытия металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрогенератора изменял величину принимаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы антимонида цинка, треугольные листы железа.
• В 1789 году термоэлектрический генератор Кламона был значительно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом он выдавал напряжение 109 В при силе тока 1,75 А и потреблял 22 фунта угля в час. Путем смены соединений напряжение было снижено до 54 В. Ток термоэлектрогенератора увеличился до 3,5 А.

  Сооружение, обогреваемое угольной печью, имело высоту 2,5 метра и диаметр в пределах метра, напоминая кулер современных процессоров, и имел много железных крыльев снаружи. Газы проходили внутрь и нагревали антимонид цинка. По отдельным данным, 20 термопар генератора выдавали напряжение 1 В.

• Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 г.) по форме больше похож на современную турбину тепловой электростанции. Центральная часть термопар нагревается горелкой, а периферия охлаждается излучением и конвекцией. Это относительно небольшой генератор Clamond на 0,2 Ом, рассчитанный на 2 В и состоящий из 128 термопар. КПД термоэлектрического генератора сильно снижали мельхиоровые промежуточные контакты, рассеивающие тепло. В современных термоэлектрических генераторах используется p-n переход без промежуточных материалов между полупроводниками.
• Портативный термоэлектрический генератор Хоука (вероятно, 1874 г.) рассчитан на 110 мВ (одна десятая часть ячейки Даниэля) и включает 30 термопар, половинки которых соединены платиновым проводом длиной 1,2 дюйма. Горелка очень напоминала горелку Бунзена, а холодный конец был погружен в воду. Дизайн сильно напоминает изобретения Ноэ и, в меньшей степени, Кламонда. Основное отличие заключается в промышленном производстве продукции для массового круга потребителей. Генераторы продавались комплектами по двое и по трое, размещенными на одной базе.
• Термоэлектрический генератор, работающий на угле, был изобретен Гарри Барринджером и защищен авторским правом US434428 1890.

Аккумулятор Гюльхера

Последняя конструкция из изобретенных в XIX в. Историки относят его к 1898 году. 50 термопар давали напряжение 1,5 В при силе тока 3 А и внутреннем сопротивлении 0,5 Ом. Для этих целей каждый час используется 5 кубических футов газа. По мнению исследователей, хороший прибор выдавал бы в три раза больше при одинаковом расходе.

Полномасштабный эксперимент показал среднюю продолжительность жизни 200 часов, хотя один образец проработал 500, и в итоге была найдена реплика, проработавшая целых два года. В 1903 году в одном журнале была опубликована информация об общих испытаниях батареи Гюльхера. В процессе работы зажженная горелка нагревала термопары до достижения напряжения 3,5 В. Затем прибор отключали и наблюдали за характеристиками после прекращения подачи газа. Когда напряжение упало до 1,5 В, ток резко отключился.

Вывод:

– Тепловое напряжение стабильно из-за значительной тепловой инерции. Изменения температуры происходят медленно, при охлаждении напряжение постепенно падает.

Однако то же самое заметил и Поггендорф, который посоветовал Георгу Ому использовать термопару вместо гальванического столба. Аккумулятор Gulcher стал популярным в начале 1900-х годов. Например, Университет Лихай сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году были закуплены три термобатареи Скотта и одна Галчера.

Конструкция напоминает устаревший сегодня радиатор отопления. Подобные встречаются в общественных зданиях, построенных и оборудованных в СССР. Это переносное устройство: с каждой стороны есть Т-образная ручка для транспортировки.

Переносной генератор

Портативный термоэлектрический генератор Шудры внешне напоминает масляный фильтр грузовика. Для выработки тепла необходимо зажечь газовую горелку. Сохранилось очень мало информации об устройстве. В публикациях от 1898 г обнаружены сведения о совместных испытаниях изделия с упомянутыми выше в тексте:

«Профессор Кольраух заметил в 70-х годах, что напряжение термоэлектрического генератора зависит от числа последовательно соединенных пар. Это подтверждается опытами над конструкциями Кламонда, Ноэ и Шудры, изготовленными и проданными в течение последних 20 лет. Они дают на выходе 2, 4, 6 и 8 вольт, соответственно 36, 72, 108 и 144 пары в составе.Видно, что напряжение строго пропорционально общему количеству.Шудра спроектировал копию состоящую из 720 элементов.Как и ожидалось , получая напряжение 40 В, способное поддерживать горение газоразрядной лампы».

В примечании говорилось, что начинающие электрики вправе взять образец, показанный на фото, как пример коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудра выпускается 6 типоразмеров, на токи 1,3 — 2,5 А при напряжении 3 — 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В заключение расскажем, как сделать ТЭГ, который можно использовать в походе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но из-за недоступности плутония и его неприятного свойства наносить вред человеческому организму приходится довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например TEC1 12710. Для увеличения мощности рекомендуется использовать несколько элементов, соединенных параллельно. К сожалению, здесь есть очень серьезный нюанс, нужно выбирать элементы с похожими параметрами, что для китайской продукции практически невозможно, а использовать бренд дорого, проще купить готовый генератор. Если вы используете один модуль Pelte, тока едва хватит, чтобы зарядить телефон или другой гаджет. Также нам понадобится металлический корпус, типа б/у блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим термопасту на корпус в месте крепления термоэлемента, прислоняем к нему и фиксируем радиатором. В итоге получаем конструкцию, как на рисунке ниже.

Туристическая ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь к нашему источнику нужно подключить стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Дизайн готов, можно приступать к тестированию.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Thermattaix 1925 года выпуска характеризуется труднопроизносимым названием и содержит на передней панели вольтметр для регистрации напряжения. Тяжесть обусловлена ​​тем, что устройство работает как зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов на 6,3 В. Это подразумевает возможность использования термоэлектрического генератора непосредственно в качестве устройства для нагрева катодов электронных ламп.

На передней панели блока имеется ручка регулировки подачи продуктов сгорания, влияющая на выходное напряжение. Некоторые авторы допускают большие колебания, но в тексте уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Поэтому возможность их использования в указанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless предположил, что термоэлектрический генератор вполне пригоден для питания портативных радиолюбителей в походах и экспедициях. При отсутствии электричества его получают в ограниченных количествах путем сжигания нефти, газа, угля, дерева.

Газовое радио

Высказанная выше идея питать радиостанцию ​​от любого топлива была реализована уже в 30-х годах от термоэлектрического генератора. Соответствующее объявление опубликовала конкретная компания The Cardiff Gas Light & Coke. На нем впервые имеется надпись «термоэлектрический генератор». Более ранние образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями или оставались безымянными. В рекламе говорится: когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиопередачи в любой точке мира. Времена такие: доза угля, и новости всегда рядом.

Этот термоэлектрический генератор является переносным источником питания приемника и обеспечивает нагрев катода напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрической цепи напряжением 120 В при токе потребления 10 мА. В информационной записке на листовке сказано, что термопара не будет выдавать большого напряжения, но при нескольких проводных соединениях все же можно получить удовлетворительный результат.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора, по мнению производителя, являются комбинации никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К при рабочей температуре до 1000 К. При нагреве приемника получают напряжение до 40 мВ. Если соединить 50 термопар последовательно, вырабатывается 2 В, чего достаточно для нагрева катодов электронных ламп. 120 В достигается включением 3000 термопар в единую цепь.

Лампочка Ильича

Изображенная на картине керосиновая лампа окружена абажуром от термоэлектрического генератора, разработанного под руководством Иоффе. Это постсталинское изделие, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные донесения. Верный друг подпольщика. Термоэлектрический генератор вырабатывает напряжение для нагрева нитей амплитудой 1,5 В при токе 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало ясно, что тепло нельзя преобразовать непосредственно в магнетизм, окончательно отказались от идеи образования поля Земли из тепла извергающихся вулканов и кипящей внутри магмы. Сравнив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло верный путь. Георг Ом начал использовать термопару в качестве термоэлектрического генератора в электролизе (1831 г.).

Но срок оставался нестабильным. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине 19 века. Они считались просто лабораторными установками для исследования различных процессов, назывались по-разному.

Ближе к 1899 году в «Почтово-телеграфном журнале» была опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощностью 16 кандел. Термопары были помещены в печь с достаточным напряжением и током. За счет последовательного соединения питающих элементов напряжение повышалось. А при параллельном соединении ток увеличивался. Каждая термопара выполнена по образцу, используемому Зеебеком (сурьма — антимонид цинка). Потом уже признали батарею Гюльхера (предположительно 1898 г).

Термин «батарея» был введен Бенджамином Франклином для обозначения лейденских банок (конденсаторов.

Так в научных кругах последовательно соединенные термопары называли термобатареей. Считается, что Эрстед и Фурье первыми создали устройство в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для создания мощного источника тока.

Дальнейшее развитие концепция получила по предложению Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии экспериментов по изучению инфракрасного спектра они создали тепловой умножитель. Идея пришла к обоим после прогрессивных изменений в конструкции Швайгера (1825 г).

Идея первого гальванометра: действие витков на проводе умножается на число. Аналогично из термопар был собран «усилитель тепла». Прибор предназначался исключительно для изучения инфракрасного спектра путем измерения выделяемого тепла, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Стрелка компаса стала индикатором теплового множителя.

Достоинства ТЭГ

Преимущества термоэлектрических генераторов:

• выработка электроэнергии происходит по замкнутой одноступенчатой ​​схеме без применения сложных систем передачи и применения движущихся частей;
• отсутствие рабочих жидкостей и газов;
• отсутствие выбросов вредных веществ, отработанного тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
• устройство для длительной автономной работы;
• использование сбросного тепла (вторичных источников тепла) для экономии энергоресурсов
• работа в любом положении объекта, вне зависимости от рабочей среды: космос, вода, грунт;
• генерация постоянного тока при низком напряжении;
• невосприимчивость к короткому замыканию;
• неограниченная долговечность, 100% готовность к работе.

Область применения ЭП

Внедрение передовых технологий в производство термоэлектриков привело к снижению себестоимости производства ЭА и расширению доступности на рынке.

Сегодня ЭП широко используется:

• в переносных холодильниках для охлаждения небольших бытовых приборов и электронных компонентов;
• в осушителях для извлечения воды из воздуха;
• в космическом корабле, чтобы сбалансировать воздействие прямого солнечного света на одну сторону корабля и распространение тепла на другую сторону;
• охлаждать фотонные детекторы астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы свести к минимуму ошибки наблюдения из-за перегрева;
• для охлаждения компонентов компьютера.

В последнее время он широко используется в бытовых целях:

• в холодильных установках с питанием от USB-порта для охлаждения или подогрева напитков;
• в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников со снижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
• в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или отопителей.

В Китае налажен выпуск элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить мощность до 200 Вт по схемам «горячий-холодный», со сроком службы до до 200 000 часов, работая в температурном поясе от -30 до 138 градусов Цельсия.

Ядерные батарейки РИТЭГ

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство, в котором используются термопары для преобразования тепла от распада радиоактивного материала в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических кораблях, выносных маяках, построенных СССР за Полярным кругом.

RTG обычно являются наиболее предпочтительным источником питания для устройств, требующих мощности в несколько сотен ватт. В топливных элементах, батареях или генераторах, установленных в местах, где солнечные элементы неэффективны

Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует строгого обращения с радиоизотопами в течение длительного времени после окончания срока его службы

В России насчитывается около 1000 РИТЭГов, которые в основном использовались для источников питания на средствах дальнего действия: маяки, радиомаяки и другие специальные радиотехнические средства. Первым космическим рентгеном на полонии-210 был «Лимон-1» в 1962 г., затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена ​​на спутники «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах отопления.