Что такое термоэлектрический генератор?

История

Хотя эффект Зеебека был открыт в 1821 году, использование термоэлектрических генераторов энергии ограничивалось в основном военными и космическими приложениями до второй половины двадцатого века. Это ограничение было вызвано низкой эффективностью преобразования термоэлектрических материалов в то время.

В 1963 году был построен первый ATEG, о котором сообщили Neild et al. В 1988 году Birkholz et al. опубликовали результаты своей работы в сотрудничестве с Porsche . Эти результаты описывают ATEG на основе выхлопных газов, который объединяет термоэлектрические материалы на основе железа между теплообменником горячей стороны из углеродистой стали и теплообменником холодной стороны из алюминия. Этот ATEG мог производить десятки ватт выхлопной системы Porsche 944 .

В начале 1990-х Hi-Z Inc разработала ATEG, который мог производить 1 кВт из выхлопной системы дизельного грузовика. В последующие годы компания представила другие конструкции для дизельных грузовиков, а также для военной техники.

В конце 1990-х Nissan Motors опубликовал результаты испытаний своего ATEG, в котором использовались термоэлектрические материалы SiGe . Nissan ATEG выдал 35,6 Вт в условиях испытаний, аналогичных условиям работы бензинового двигателя 3,0 л в режиме подъема на скорости 60,0 км / ч.

В январе 2012 года компания Car and Driver назвала ATEG, созданный командой под руководством Amerigon (ныне Gentherm Incorporated ), одной из 10 «самых многообещающих» технологий.

Как сделать собственноручно

Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.

Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.

Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.

Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.

Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.

Принцип работы

Процесс кавитации. (Для увеличения нажмите) Теплоноситель (чаще всего используют воду) попадает в кавитатор, где установленный электродвигатель производит его раскручивание и рассечение винтом, в результате образуются пузырьки с парами (это же происходит, когда плывет подводная лодка и корабль, оставляя за собой специфический след).

Двигаясь по теплогенератору, они схлопываются, за счет чего выделяется тепловая энергия. Такой процесс и называется кавитацией.

Исходя из слов Потапова, создателя кавитационного теплогенератора, принцип работы данного типа устройства основан на возобновляемой энергии. За счет отсутствия дополнительного излучения, согласно теории, КПД такого агрегата может составлять около 100%, так как практически вся используемая энергия уходит на нагрев воды (теплоносителя).

Как сделать собственноручно

Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.

Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.

Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.

Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.

Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.

Производство электроэнергии в крупных масштабах

В двадцатом веке наибольший процент выработки электрической энергии приходился на ТЭС и ТЭЦ. С развитием атомной энергетики общемировая доля производства электроэнергии на АЭС превысила 10%. Строительство ГРЭС ограничено несколькими природными факторами, и поэтому гидроспособ преобразования используется локально, с привязкой к равнинным рекам. Полностью экологичное электричество или «зеленые мегаватты» — продукция объектов альтернативной выработки, — в 21-ом веке набирает популярность, что связано с заботой об окружающей среде и со стремлением рационально расходовать природные ресурсы.

ТЭС

Тепловые электростанции стали популярными по причине сравнительно небольших затрат для выхода на проектную мощность. Строительство ТЭС не связано с созданием плотин и монтажом ядерных реакторов. Для преобразования энергетического потенциала углеводородов в электроэнергию необходима технологическая система, состоящая из паровых котлов, паропровода и турбогенераторов. Масштабы и схемы могут быть разными, в том числе, в комбинации с теплоцентралью, но основной принцип работы ТЭС неизменен для всех случаев: тепло от сгорания через промежуточное парообразование преобразуется в электрическое напряжение.

ГРЭС

Гидроэлектростанции в отличие от тепловых не требуют топлива, удаления твердых отходов (угольные, торфяные, сланцевые ТЭС) и не загрязняют атмосферу продуктами сгорания. Но на широтах с холодными зимами и замерзающими водоемами производительность ГРЭС зависит от сезонных факторов. Затраты, вложенные в строительство плотин, окупаются продолжительное время, а уничтожение пахотных земель в результате затопления требует тщательной оценки того, насколько целесообразно возводить гидротехнические сооружения в определенном регионе.

АЭС

Атомные электростанции преобразуют энергию ядерного распада в электричество. Тепло от реактора поглощает теплоноситель первичного контура с нагревом через парогенератор воды во втором контурном цикле, откуда пар подается на генераторные турбины — и вращает их. Сложность процесса и опасность, связанная с аварийными ситуациями, ограничивают распространение данного виды выработки. Работа реактора должна контролироваться современными технологиями, а отработанное топливо — утилизироваться с соблюдением защитных мер.

26 января 2018

Поделитесь ссылкой со своими друзьями:

Перспективы

В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.

Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:

• нанотехнологий;
• ям квантования и т.п.

Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.

• Солнечные коллекторы для отопления дома: преимущества, недостатки, мифы, правда и отзывы владельцев (130 фото + видео)

• Ветровые электростанции для дома — плюсы, минусы и обзор лучших современных моделей (105 фото)

• Биогазовая установка своими руками — пошаговое описание производства, 130 фото и видео описание биогазовой установки

Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.

Вызовы

Самой большой проблемой при масштабировании ATEG от прототипа до производства была стоимость лежащих в основе термоэлектрических материалов. С начала 2000-х годов многие исследовательские агентства и институты вкладывали большие суммы денег в повышение эффективности термоэлектрических материалов. В то время как повышение эффективности были сделаны в таких материалах, как половина heuslers и skutterudites , как и их предшественники теллурида висмута и теллурида свинца , стоимость этих материалов оказались непомерно высокой для крупномасштабного производства. Недавние успехи некоторых исследователей и компаний в области недорогих термоэлектрических материалов привели к значительным коммерческим перспективам для ATEG, в частности, к дешевому производству тетраэдрита в Университете штата Мичиган и его коммерциализации американской Alphabet Energy с General Motors .

Как и любой новый компонент автомобиля, использование ATEG создает новые инженерные проблемы, которые необходимо учитывать. Однако, учитывая относительно низкое влияние ATEG на использование автомобиля, его проблемы не столь значительны, как другие новые автомобильные технологии. Например, поскольку выхлопные газы должны проходить через теплообменник ATEG, кинетическая энергия газа теряется, что приводит к увеличению насосных потерь. Это называется противодавлением , которое снижает производительность двигателя. Это можно объяснить уменьшением размеров глушителя, что привело к нулевому или даже отрицательному общему противодавлению в двигателе, как показали Faurecia и другие компании.

Чтобы повысить эффективность ATEG, в теплообменнике холодной стороны обычно используется охлаждающая жидкость, а не окружающий воздух, так что разница температур будет одинаковой как в жаркие, так и в холодные дни. Это может увеличить размер радиатора, так как трубопровод должен быть продлен до выпускного коллектора, и это может увеличить нагрузку на радиатор, поскольку охлаждающей жидкости передается больше тепла. Правильный тепловой расчет не требует установки системы охлаждения увеличенного размера.

Увеличенный вес ATEG заставляет двигатель работать тяжелее, что приводит к снижению расхода топлива. Однако большинство исследований по повышению эффективности использования ATEG в автомобилестроении привели к чистому положительному увеличению эффективности даже с учетом веса устройства.

Термоэмиссионные методы преобразования теплоты в электрическую энергию

Термоэмиссионный преобразователь – это преобразователь тепловой энергии в электрическую на основе использования эффекта термоэлектронной эмиссии. Представляет собой ламповый диод, к эмиттеру которого подводится теплота, нагревая его до высокой температуры. Для нейтрализации влияния поля объемного заряда и увеличения термоэмиссии путем снижения работы выхода катода в колбу прибора вводятся пары цезия. По сравнению с другими методами преобразования тепловой и химической энергии в электрическую термоэмиссионный метод имеет следующие преимущества: самые низкие весовые характеристики на единицу выходной мощности и возможность работы при высокой температуре холодильника (анода), отсутствие в них движущихся частей, высокая надёжность, компактность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания.

Схема простейшего термоэмиссионного устройства показана на рис. 11. Преобразователь состоит из двух электродов: К — катода, нагреваемого от постороннего источника тепла до Т1 ≈ 1400 °К, и А -анода, от которого отводится теплота холодному источнику при температуре Т2 ≈ 700 °К. При T1 >T2 электроны при высокой температуре катода начинают эмиссировать в межэлектродное пространство по направлению к аноду. Количество энергии выхода при эмиссии их с катода больше выделяемой при оседании электронов на холодном аноде. Эту разницу в энергии используют во внешней цепи и тем самым превращают теплоту в электричество. Межэлектродное пространство играет в устройстве этого типа большое значение. Для увеличения количества тепла, превращаемого в электричество, в межэлектродном пространстве, создают вакуум, но при этом в нем образуется пространственный заряд, т. е. скопление электронов, тормозящих их движение.

Рис. 11. Схема термоэмиссионного устройства

Для уменьшения влияния пространственного заряда расстояние между электродами уменьшают до ~1-10 мкм. Дополнительно нейтрализацию пространственного заряда можно обеспечить, добавляя в находящееся под вакуумом межэлектродное пространство пары щелочных металлов (цезия и др.). В этом случае межэлектродное пространство начинает ионизироваться и эмиссия электронов увеличивается.

Возможно ли это?

Прежде чем рассмотреть технологические схемы и ответить на вопрос «как взять электроэнергию из почвы?», давайте разберемся насколько это реально.

Считается, что в земле очень много энергии и, если сделать установку – вы вечно будете бесплатно ей пользоваться. Это не так, ведь чтобы получить энергию нужен определенный участок земли и металлические штыри, которые вы в неё установите. Но штыри будут окисляться и рано или поздно приём энергии закончится. Кроме того, её количество зависит от состава и качества самой почвы.

Чтобы добиться хорошей мощности нужен очень большой участок земли, поэтому в большинстве случаев энергии, полученной из земли, достаточно для включения пары светодиодов или небольшой лампочки.

Из этого следует, что энергию из земли получить можно, но использовать её как альтернативу электросетям вряд ли получится.

Избранное

См. также

Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве

Ник. Горькавый • Библиотека • «Наука и жизнь» №4, 2017

От Вольты до Гасснера, или Химические источники тока в XIX веке

Илья Леенсон • Библиотека • «Химия и жизнь» №1, 2017

Электрическое чувство

Елена Клещенко • Библиотека • «Химия и жизнь» №9, 2011

Спиновый эффект Зеебека — путь к термоспинтронике

19.11.2008 • Александр Самардак • Новости науки

Загадки природы: живое электричество

Оксана Семячкина-Глушковская • Библиотека • «Наука и жизнь» №9, 2010

Электрические сомы нечувствительны к разрядам тока

27.05 • Светлана Ястребова • Новости науки

«Искра жизни». Главы из книги

2015 • Фрэнсис Эшкрофт • Книжный клуб • Главы

Электрические синапсы рыб оказались несимметричными

29.06.2017 • Светлана Ястребова • Новости науки

Электрические органы у разных групп рыб регулируются сходными генами

01.07.2014 • Елена Наймарк • Новости науки

Диспут между Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта

История открытия и последующего изучения термоэлектричества насчитывает более двух веков и начинается с вошедшей в историю дискуссии между Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. В середине XVIII века популярной темой в науке стало изучение электрических явлений, в том числе животного электричества, например, порождаемого электрическими скатами.

Ввиду этого профессор Болонского университета физиолог Луиджи Гальвани стал изучать, что происходит с препарированной лягушкой при пропускании через нее тока. В результате многочисленных экспериментов Гальвани убедился, что каждый раз, когда он, прикасаясь к нервам лягушки, присоединенным к электрической машине проводником, извлекал из нее искру, лягушку охватывала судорожная дрожь.

Еще одно экспериментальное обстоятельство настолько привлекло внимание Гальвани, что он специально упоминает о нем в своем труде: сокращение мышц лягушки оказывается значительно более сильным, если металлическая дуга составлена последовательно из двух различных металлов: например, железа и меди или же, что гораздо лучше, серебра. Эти эксперименты привели знаменитого итальянца к заключению о том, что электричество может генерироваться самой тканью животного

Профессор Павийского университета Алессандро Вольта относился с недоверием к так называемому животному электричеству. И тем не менее, по настоянию коллег, он повторяет описанные в работе Гальвани опыты. В результате его скептицизм стал рассеиваться, и 3 апреля 1792 года он пишет Гальвани: «Итак, вот я наконец обращен. С тех пор как я стал сам очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму». В публичной лекции 5 мая 1792 года Вольта рассказывает об опытах Гальвани, превозносит их, но вместе с тем высказывает мысль, что лягушка может представлять собою лишь измерительный прибор, электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем уже давно существующий электрометр с золотыми листочками

Вольта настойчиво привлекает внимание к одной физической особенности опытов Гальвани: для того чтобы вызвать сокращение мышц, образующие дугу металлы должны быть различными

Он спрашивает: действительно ли металлические проводники служат лишь для того, чтобы, соприкасаясь друг другом, установить связь, предоставляющую электрическому флюиду путь, по которому тот естественным образом стремится перейти из одного места в другое? Действительно ли их роль чисто пассивна, или же они являются активными агентами, приводящими в движение электрический заряд? В дальнейших своих опытах Вольта показывает, что мышца, по существу, не участвует в создании самого явления, ее сокращение есть эффект протекания заряда, генерируемого контактом двух различных металлов. Таким образом, фактически, он открывает явление, которое связано с контактной разностью потенциалов.

В своих сомнениях Вольта идет далее. В качестве дуги он пробует использовать проводник из одного металла, но помещает концы мышцы лягушки и концы дуги в сосуды с холодной и горячей водой. Мышца сокращается и в этом эксперименте, что позволяет ученому объяснить протекание электрического флюида (заряда) неравномерным нагревом металлического проводника. Связь между электрическим током и разностью температур обнаружена! Эти эксперименты он описывает 10 февраля 1794 года в своем письме аббату Антону Мариа Вассалли.

Однако Вольта не акцентировал свою дальнейшую работу на этом открытии: его больше заинтересовало практическое применение обнаруженного эффекта, в результате дальнейших исследований которого он создал свою батарею, называемую также вольтовым столбом.

Самодельные станции

Также многие умельцы создают самодельные станции (обычно на основе газогенератора), которые после продают.

Все это указывает на то, что можно и самостоятельно изготовить электростанцию из подручных средств и использовать ее для своих целей.

Далее рассмотрим, как можно сделать устройство самостоятельно.

На основе термоэлектрогенератора.

Первый вариант – электростанция на основе пластины Пельтье. Сразу отметим, что изготовленное в домашних условиях устройство подойдет разве что для зарядки телефона, фонаря или для освещения с использованием светодиодных ламп.

Для изготовления потребуется:

• Металлический корпус, который будет играть роль печи;
• Пластина Пельтье (отдельно приобретается);
• Регулятор напряжения с установленным USB-выходом;
• Теплообменник или просто вентилятор для обеспечения охлаждения (можно взять компьютерный кулер).

Изготовление электростанции — очень простое:

1. Изготавливаем печь. Берем металлический короб (к примеру, корпус от компьютера), разворачиваем так, чтобы печь не имела дна. В стенках внизу проделываем отверстия для подачи воздуха. Вверху можно установить решетку, на которую можно установить чайник и т. д.
2. На заднюю стенку монтируем пластину;
3. Сверху на пластину монтируем кулер;
4. К выводам от пластины подключаем регулятор напряжения, от которого и запитываем кулер, а также делаем выводы для подключения потребителей.

Работает все просто: разжигаем дрова, по мере нагрева пластины на ее выводах начнется генерация электроэнергии, которая будет подаваться на регулятор напряжения. От него же начнет и работать кулер, обеспечивая охлаждение пластины.

Инфракрасные теплые полы электрические под ламинат и плитку на бетонный и деревянный пол, плюсы и минусы, как выбрать, монтаж своими руками

Остается только подключить потребители и следить за процессом горения в печке (подкидывать своевременно дрова).

На основе газогенератора.

Второй способ сделать электростанцию – это изготовить газогенератор. Такое устройство значительно сложнее в изготовлении, но и выход электроэнергии – значительно больше.

Для его изготовления потребуется:

• Цилиндрическая емкость (к примеру, разобранный газовый баллон). Она будет играть роль печки, поэтому следует предусмотреть люки для загрузки топлива и очистки твердых продуктов горения, а также подвод воздуха (потребуется вентилятор для принудительной подачи, чтобы обеспечить более лучший процесс горения) и вывод для газа.
• Радиатор охлаждения (может быть изготовлен в виде змеевика), в котором газ будет охлаждаться.
• Емкость для создания фильтра типа «Циклон».
• Емкость для создания фильтра тонкой очистки газа.
• Бензиновая генераторная установка (но можно просто взять любой бензиновый мотор).

После этого все необходимо соединить в единую конструкцию. От котла газ должен поступать на радиатор охлаждения, а после на «Циклон» и фильтр тонкой очистки. И только после этого полученный газ подается на двигатель.

Это указана принципиальная схема изготовления газогенератора. Исполнение же может быть самым разным.

К примеру, возможна установка механизма принудительной подачи твердого топлива из бункера, который, кстати, тоже будет запитываться от генератора, а также всевозможных контролирующих устройств.

Создавая электростанцию на основе эффекта Пельтье, особых проблем не возникнет, поскольку схема простая. Единственное, следует принимать некоторые меры безопасности, поскольку огонь в такой печке практически открытый.

А вот создавая газогенератор, следует учитывать множество нюансов, среди них — обеспечение герметичности на всех соединениях системы, по которой проходит газ.

Чтобы двигатель внутреннего сгорания нормально работал, следует побеспокоиться о качественной очистке газа (наличие примесей в нем недопустимо).

Газогенератор – конструкция громоздкая, поэтому для него необходимо правильно подобрать место, а также обеспечить нормальную вентиляцию, если он будет установлен в помещении.

Поскольку такие электростанции не новь, и любителями они изготавливаются уже сравнительно давно, то и отзывов о них накопилось немало.

В основном, все они положительные. Даже у самодельной печи с элементом Пельтье отмечается, что она полностью справляется с поставленной задачей. А что касается газогенераторов, то здесь наглядным примером может выступить установка таких устройств даже на современных авто, что говорит об их эффективности.

Как сделать собственноручно

Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.

Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.

Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.

Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.

Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.

Особенности

Электростанция на дровах – изобретение далеко не новое, но современные технологии позволили несколько улучшить разработанные раньше устройства. Причем для получения электроэнергии используется несколько разных технологий.

К тому же, понятие «на дровах» несколько не точное, поскольку для функционирования такой станции подойдет любое твердое топливо (дрова, щепа, паллеты, уголь, кокс), в общем все, что может гореть.

Сразу отметим, что дрова, а точнее процесс их сгорания, выступает только в качестве источника энергии, обеспечивающего функционирование устройства, в котором происходит генерация электричества.

Основными достоинствами таких электростанций является:

• Возможность использовать самое разное твердое топливо и его доступность;
• Получение электроэнергии в любом месте;
• Использование разных технологий позволяет получать электроэнергию с самыми разными параметрами (достаточной только для обычной подзарядки телефона и до запитки промышленного оборудования);
• Может выступать и в качестве альтернативы, если перебои подачи электроэнергии – обычное дело, а также основным источником электричества.

Полупроводниковые материалы для прямого преобразования энергии

Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик (тысячи сплавов и соединений), но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии. Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует

термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент. Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:

• КПД: Желателен как можно более высокий КПД;
• Технологичность: Возможность любых видов обработки;
• Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких элементов или их меньшее количество, достаточная сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
• Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
• Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен) или их инертное состояние (в составе сплавов);
• Рабочие температуры: Желателен как можно более широкий температурный диапазон для использования высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения преобразуемой тепловой мощности.

Перспективы

В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.

Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:

• нанотехнологий;
• ям квантования и т.п.

Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.

• Солнечная батарея своими руками — пошаговая инструкция как изготовить и провести монтаж солнечной батареи в домашних условиях (фото и видео-инструкция)

• Как подобрать солнечную электростанцию: готовые решения, принцип работы, как выбрать и установить своими руками (фото + видео-инструкция)

• Солнечные коллекторы для отопления дома: преимущества, недостатки, мифы, правда и отзывы владельцев (130 фото + видео)

Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.