Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.

Вид термоэлектрического генератора

Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.

Модули «Пельтье» разных размеров

Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

Эффект «Пельтье» заключается в выделении тепла в месте контакта разнородных проводников при протекании по ним электрического тока.

Принцип действия модулей

На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.

Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).

Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.

Модуль «Пельтье»

Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.

Схема принципа работы модуля

В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.

Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.

Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.

На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.

Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.

Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.

На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.

Как выглядит структура модуля

Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.

В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.

Достоинства и недостатки ТЭМ

К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:

• малые размеры;
• возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
• обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
• отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.

Недостатки модулей:

• малый КПД (2-3%);
• необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
• значительное потребление электроэнергии;
• высокая стоимость.

Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:

• охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
• использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
• создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
• термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.

При малой производительности ТЭГ целесообразно применять в походных условиях, где требуется получить электричество для зарядки сотового телефона или светодиодной лампочки. Простота конструкции позволяет изготовить электрогенератор своими руками.

Альтернативными источниками также являются солнечные батареи или ветрогенератор . Для первых требуются особые условия – наличие солнечного освещения, которое может быть не всегда. Другой источник имеет большие габариты и для него необходим ветер. Ещё одним недостатком у них является наличие подвижных частей, снижающих надёжность и имеющих большой вес.

Термогенераторы промышленного изготовления

Компания BioLite разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного ТЭГ.

Компактная переносная печка на дровах

Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит.

При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. Красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

Схема работы ТЭГ компании BioLite на дровах

Печь-генератор «Индигирка», разработанная петербургским предприятием Криотерм, имеет характеристики:

• тепловая мощность – 6 кВт;
• вес – 56 кг;
• габариты – 500х530х650 мм;
• эл. мощность при напряжении 5В – 60 Вт.

Печь является обычной отопительно-варочной, где с двух сторон закреплены термоэлектрогенераторы.

Как выглядит печь-термоэлектрогенератор «Индигирка»

Устройство довольно удобное, но впечатляет цена – 50 тыс. руб. Хоть печь, и предназначена для походных условий, но рядовым охотникам и рыболовам она будет явно не по карману. Как отопительная, она ничем не лучше обычных и более дешёвых моделей.

Если пристроить ТЭГ к простой печи, устройство, изготовленное своими руками, будет работать отлично.

ТЭГ своими руками

Чтобы термоэлектрический генератор собрать своими руками, необходимы следующие элементы:

1. Модуль. Для генерирования электрического тока можно применять не все модули, а только те, которые способны выдержать нагрев до 300-400 0 С. Наличие запаса по нагреву необходимо, поскольку даже при незначительном перегреве элемент выходит из строя. Наиболее распространены модели типа ТЕС1-12712 в виде квадратных пластин с размером стороны 40, 50 или 60 мм.

Если взять максимальный размер, достаточно в конструкции, сделанной своими руками, применить один элемент. Первые 3 цифры маркировки – 127 означают, сколько элементов содержится в 1 пластине. Последние цифры показывают величину максимально допустимого тока, который составляет 12 А.

1. Повышающий преобразователь. Он необходим для получения постоянного напряжения 5В. Генератор может выдавать меньшее напряжение, которое необходимо увеличить. Устройства выпускают зарубежные (типы 5V NCP1402 и MAX 756) и отечественные (3.3В/5В ЕК-1674). Для зарядки мобильника следует подобрать устройство с USB разъёмом.
2. Нагреватель. Простейшими вариантами являются костёр, свеча, самодельная лампа или миниатюрная печка.
3. Охладитель. Проще всего применять воду или в зимнее время – снег.
4. Соединительные элементы. Необходимо оборудование для создания максимально возможного температурного перепада между двумя сторонами пластины. Здесь выбор за умельцами, они чаще всего применяют 2 кружки или кастрюли разных размеров, у которых отпиливаются ручки и где одна вставляется внутрь другой. Между ними помещается модуль и крепится на термопасту. К нему припаиваются 2 провода и подключаются к преобразователю напряжения.

Для повышения КПД генератора, днища металлических поверхностей кружек или кастрюль, контактирующие с пластиной генератора, следует отполировать. Кроме того, на места между донышками меньшей и большой кружек наносится термостойкий герметик. Тогда тепло от нагрева будет локализовано в месте нахождения модуля.

Провода между модулем и преобразователем защищаются термостойкой изоляцией и герметиком.

Во внутреннюю кружку наливается вода, и вся конструкция ставится на огонь. Через несколько минут можно проверить выходное напряжение мультиметром.

Для того чтобы собрать термоэлектрический генератор самостоятельно, понадобятся материалы:

1. элемент «Пельтье»;
2. корпус от старого блока питания компьютера для изготовления мини-топки;
3. преобразователь напряжения с USB выходом на 5В при входном 1-5 В;
4. радиатор с кулером от процессора;
5. термопаста.

Затраты здесь небольшие и устройство вполне способно зарядить мобильный телефон. Генератор, собранный своими руками, является аналогом зарубежной модели фирмы BioLite. Если его собрать аккуратно, устройство будет надёжно работать долгое время, поскольку ломаться здесь нечему. Важно только не перегреть элемент «Пельтье», отчего он может выйти из строя.

При использовании куллера для охлаждения радиатора его следует подключить к генератору, после чего часть вырабатываемой энергии будет расходоваться на охлаждение.

Несмотря на дополнительные энергозатраты, КПД установки возрастёт. Если радиатор будет сильно нагреваться в процессе работы, необходимо принять меры по его охлаждению. Иначе эффективность работы генератора будет низкой.

Характеристики генератора следующие:

• выходное напряжение – 5В;
• мощность нагрузки – 0,5А;
• тип выхода – USB;
• топливо – любое.

Устройство изготавливается следующим образом:

• разобрать блок питания, оставив корпус;
• приклеить термопастой модуль «Пельтье» к радиатору. Клеить надо холодной стороной, где нанесена маркировка;
• зачистить и отполировать наружную боковую поверхность корпуса блока питания и приклеить к ней элемент другой стороной (вместе с радиатором);
• припаять провода от входа преобразователя напряжения к выводам пластины.

Проверить ТЭГ можно, если наложить внутрь топки тонких веточек и поджечь их. Через несколько минут можно подключать телефон, для подзарядки которого требуется разница температуры сторон модуля 100 0 С. На рисунке ниже изображён генератор в сборке.

Термоэлектрогенератор в сборке, изготовленный своими руками

При использовании ТЭГ необходимо соблюдать полярность подключения модулей.

Видео. Термоэлектрический генератор

Эффект «Пельтье» позволяет создать небольшие генераторы и холодильники, работающие без подвижных частей. Повышение качества модулей и снижение энергопотребления мобильных устройств позволяет создать своими руками термоэлектрогенератор для зарядки аккумуляторов и снабжения небольшим количеством энергией различные устройства, где КПД не имеет особого значения.

Преобразование электрической энергии в тепловую пли электронагрев имеет четыре основные разновидности, по которым классифицируются промышленные электропечи; 1) электронагрев через сопротивление; 2) дуговой электронагрев; 3) смешанный электронагрев; 4) индукционный нагрев.
Электронагрев металлургических печей имеет существенные преимущества по сравнению с нагревом в результате сжигания углеродистого топлива: возможность получения весьма высоких температур до 3000° и более при концентрации зон высоких температур в определенных участках рабочего пространства печей; легкость и плавность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве; чистота рабочего пространства и возможность избежать загрязнения его золой, серой, газами и различными примесями: низкие потерн металлов со шлаками, пылью, газами и вследствие угара; высокий термический к. п. д., достигающий 70-85%; малое количество газов и пыли; возможность комплексной механизации и автоматизации; культура и чистота рабочих мест; возможность применять любую газовую среду и вакуум.
К недостаткам электронагрева относятся: высокое потребление электроэнергии, значительно превосходящее потребление в других отраслях народного хозяйства, и конструктивное ограничение производительности и мощности для некоторых типов электропечей. в дальнейшем в связи с увеличением мощности и числа электростанций, снижением стоимости электроэнергии и увеличением мощности и производительности электропечей перечисленные недостатки утратят свое значение.
Общая активная, или ваттная мощность трехфазной электропечной установки Р определяется по формуле

Электронагрев через сопротивление

Этот тип электронагрева имеет несколько разновидностей. По способу выделения тепла различают косвенный и прямой нагрев; наибольшее значение и распространение в печной технике имеет косвенный нагрев, характеризующийся тем, что тепло выделяется в специальных нагревательных элементах (сопротивлениях) и передается от них к обрабатываемому материалу теплоотдачей. По температуре рабочего пространства печей различают нагрев; низкотемпературный в интервале 100-700°, среднетемпературный 700-1200° и высокотемпературный 1200-2000°.
При низкотемпературном нагреве весьма большое значение имеет теплообмен между нагревателем и материалом конвекцией, которая всемерно интенсифицируется принудительной циркуляцией с большими скоростями газа или воздуха внутри печен. При среднетемпературном и высокотемпературном нагреве, особенно при отсутствии принудительной циркуляции газов, основное количество тепла передается от нагревателей к обрабатываемым материалам излучением. Для электрических печей сопротивления высокотемпературный нагрев имеет лишь ограниченное значение.
Электронагрев сопротивлением нашел наибольшее применение для сушки и обжига материалов, нагрева и термической обработки металлов и сплавов, плавки легкоплавких металлов - олова, свинца, цинка, алюминия, магния и их сплавов, а также для лабораторных и бытовых нужд. Поскольку, однако, при косвенном нагреве размер нагревательных элементов увеличивается, а размещение их в рабочем пространстве печи оказывается затруднительным, верхний предел мощности электрических печей сопротивления ограничивают величиной 600-2000 квт.
Для нормального протекания процесса преобразования электрической энергии в тепловую и длительной устойчивой работы нагревательные элементы должны обладать следующими качествами: большим удельным электрическим сопротивлением, допускающим достаточное поперечное сечение элементов и ограниченную их длину; малым электрическим температурным коэффициентом, ограничивающим разницу в электрическом сопротивлении нагретого и холодного нагревателя, постоянством электрических свойств во времени; жаростойкостью и неокисляемостью; жаропрочностью, т. е. достаточной механической прочностью при высоких температурах; постоянством линейных размеров; хорошей обрабатываемостью материала (свариваемость, пластичность и др.). Этим требованиям наиболее удовлетворяют сплавы никеля, хрома, железа (нихром, фехраль и жаропрочная сталь), применяемые в электропечах сопротивления в виде проволоки или ленты, и углеродистые материалы, применяемые в виде угольных, графитовых или карборундовых стержней.
Определение размеров нагревательных элементов можно научно обосновать совместным решением двух основных уравнений, описывающих существо работы нагревателей - уравнения мощности и уравнения теплообмена. Поскольку нагревательный элемент является составной частью электрической цели, то для получения необходимой мощности он должен обладать определенными размерами и сопротивлением. С другой стороны, вся тепловая энергия, полученная в нагревательном элементе в результате преобразования электроэнергии, должна быть передана теплоотдачей к перерабатываемым материалам и футеровке печи, для чего необходимо иметь определенную поверхность, температуру и коэффициент теплоотдачи. Если теплоотдача нагревательного элемента не соответствует происходящему в нем тепловыделению - элемент будет перегреваться, а его температура может превысить допустимые для материала пределы, что приведет к разрушению нагревателя.
На основании решения уравнения мощности для нагревательных элементов любой формы и материала выведена общая формула

При расчете размеров нагревателя величина w должна точно соответствовать его удельной теплоотдаче, которую находят решением соответствующего уравнения теплообмена нагревателя, кладки и материала А.Д. Свенчанский проанализировал условия теплоотдачи для различных реальных нагревателей и составил графики и таблицы, с помощью которых можно находить величину w.

Дуговой электронагрев

Этот вид электронагрева применяется в высокотемпературных электрических печах большой мощности преимущественно для плавки различных материалов. Если дуга горит между электродом и перерабатываемым в печи материалом, то такие печи называются печами прямого действия с зависимой дугой: открытой - видимой (рис. 20, а) или закрытой - невидимой дугой, погруженной в слой шихты или расплава (рис. 20, б). Если дуга горит между электродами и непосредственно не соприкасается с перерабатываемыми в печи материалами и продуктами, то такие печи называются печами косвенного действия с независимой дугой (рис. 20, в). Наибольшим термическим к. п. д. обладают дуговые печи прямого действия, особенно с закрытой дугой, поскольку в них имеются наилучшие условия для теплообмена между дугой и материалом, позволяющие быстро и с ограниченными потерями тепла нагревать материал до весьма высокой температуры.

Дуговые печи прямого действия получили наибольшее применение для выплавки стали и ферросплавов, плавки и рафинирования меди и никеля и переработки различного рудного сырья. При плавке металлов или сплавов с высокой (металлической) электропровадностью можно работать только с открытой дугой, горящей на поверхности материала, так как погружение электродов в слой материала поведет к короткому замыканию. Работа с закрытой дугой возможна, когда перерабатываемые материалы и продукты имеют ограниченную (не металлическую) электропроводность. Дуговые печи непрямого действия применяются в тех случаях, когда соприкосновение перерабатываемого материала с дугой ухудшает качество продуктов или увеличивает потери, например при плавке некоторых цветных металлов и сплавов (латунь, бронза и др.). Следует особо подчеркнуть, что дуговой электронагрев в отличие от нагрева сопротивлением не имеет каких-либо ограничений по общей мощности печей.
Дуговой электронагрев слагается из процесса преобразования электроэнергии в тепловую, протекающего в горящей дуге, и процесса теплообмена между дугой, материалом и футеровкой. Описание закономерностей первого процесса является предметом так называемой теории дуги и особенно дуги переменного тока большой мощности. Значительный вклад в разработку теории дуги внесли В.В. Петров, В.Ф. Миткевич, С.И. Тельный, И.Т. Жердев, К.К. Хренов, Г.А. Сисоян и др. Вопросами теплообмена между дугой, материалом и футеровкой занимались Д.А. Диомидовский, Н.В. Окороков и др.
Электрическая дуга может быть получена при постоянном и переменном токе, но все промышленные печи работают обычно на переменном токе. Для устойчивого горения дуги и ограничения толчков тока при коротких замыканиях последовательно с ней в электрическую цепь включается индуктивное сопротивление, поглощающее небольшую долю активной мощности. При переменном токе в течение каждого полупериода напряжение сети и сила тока достигают максимума и проходят через нуль. На рис. 21, а показаны теоретические кривые мгновенного значения силы тока и напряжения дуги Iд и Uд и напряжения питающего источника Uист. Когда напряжение источника после перехода через нуль начинает расти, дуга зажигается только при достижении величины напряжения зажигания U1. С этого момента в цепи появляется ток, возрастающий по периодической кривой, отличной От синусоиды. Дуга затухает при напряжении затухания т. е. раньше перехода через нуль напряжения источника, и в этот момент прекращается ток. После перехода через нуль все описанные явления повторяются. Таким образом, ток в дуге идет прерывисто и дуга то зажигается, то погасает. Длительность перерывов в горении дуги зависит от многих факторов и, в частности, от материала электродов, степени разогрева печного пространства и др. Понятно, что прерывистая дуга снижает эффективность дугового нагрева и поэтому должны создаваться условия, обеспечивающие непрерывное горение дуги переменного тока. Основным средством для непрерывного горения дуги переменного тока является последовательное включение в цепь дуги индуктивного сопротивления, что видно из рис. 21, б и в.
Исследование дифференциального уравнения дуги переменного тока, имеющей в цепи активное и индуктивное сопротивления, определило соотношение величин индуктивного X и активного R сопротивлений, обеспечивающее непрерывное горение дуги при заданных напряжениях источника Uист и дуги Uд (рис. 22).

Эффективность дугового нагрева в весьма большой степени зависит от электрического режима горящей дуги и, в первую очередь, от величин напряжения и силы тока.
В настоящее время еще не создана научно обоснованная методика определения наивыгоднейшего напряжения для питания дуговых печей. Поэтому напряжение выбирают по данным заводской практики в пределах от 100 до 600 в, причем более высокое напряжение обычно принимается для дуговых печей большой мощности и для печей с закрытой дугой. Связь максимального рабочего напряжения Uлин и номинальной мощности печи Рном принято выражать эмпирической формулой

где k и n - эмпирические коэффициенты, имеющие различные значения в зависимости от типа печи и характера процесса. Например для дуговых сталеплавильных печей к = 15; n = 0,33. Работа на повышенном напряжении более рациональна, так как снижает потери электроэнергии и увеличивает длину и тепловое излучение дуги. Верхний предел напряжения (600 в) обусловлен в основном условиями электрической изоляции печи и безопасности обслуживающего персонала.
После определения величины напряжения выбор других показателей электрического режима электропечной установки с дуговым нагревом - оптимальной силы тока, cos φ и к. п. д. - производится по ее рабочим характеристикам. Рабочие характеристики дуговых печей нaxодят построением круговых диаграмм: для действующих заводских печей снимают с натуры, для вновь проектируемых печей - по расчетным данным.
Для теории дугового нагрева и расчета дуговых печей весьма большое значение имеет процесс теплообмена между горящей дугой и перерабатываемыми в печи материалами. Однако теория теплообмена в рабочем пространстве дуговых печей находится еще в начальной стадии своего развития и требует дальнейшей углубленной разработки.

Смешанный электронагрев

Этот тип нагрева, являющийся результатом совместного тепловыделения в электрической дуге и в сопротивлении слоя шихты или расплавов, имеет основное значение для рудно-термических печей, выплавляющих ферросплавы, чугун и перерабатывающих рудное сырье и полупродукты цветной металлургии и химической промышленности.
в наиболее сложном случае электрический ток, проходящий через дугу и слои шихты, шлака и металла, преобразуется в них в тепловую энергию Qдуги, Qшихты, Qшлака, Q металла, печи Робщ представляет сумму перечисленных тепловыделений. Принципиальная схема расчета всех этих тепловыделений и связь их с геометрией горна рудно-термических печей была в свое время освещена автором но для точного расчета тепловыделений не достает еще очень многих данных по термической характеристике дуги, электросопротивлениям шихты и расплавов, форме и размерам токопроводящих участков и т. п. Соответственно предложенный автором методом расчета руднотермических электропечей носит пока ориентировочный характер и имеет ограниченное применение.
Для цветной металлургии наибольшее значение имеют рудно-термические печи, работающие с электродами, погруженными в толстый слой шлака, в которых происходит смешанный электронагрев, складывающийся из двух основных составляющих: Qдуги и Qшлака.
М.С. Максименко предложил разделять все электротермические процессы на две основные группы; 1) процессы, в которых доля энергии, поглощаемая в дуге р, больше доли энергии, поглощаемой в шихте и расплавах 2) процессы, у которых р

Индукционный электронагрев

Индукционный электронагрев осуществляется по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка замкнута на. себя, в результате чего индуктируемый электрический ток преобразуется в тепловую энергию. Роль вторичной обмотки играет обычно сам нагреваемый материал. Электрическая энергия, подводимая в первичную обмотку (индуктор), совершает сложный переход в энергию быстропеременного магнитного поля, которая, в свою очередь, вновь переходит во вторичной цепи в электрическую энергию, преобразуемую здесь за счет сопротивления цепи в тепловую энергию. Если нагреваемый материал ферромагнитен, те часть энергии переменного магнитного поля преобразуется в тепловую энергию непосредственно, без перехода в электрическую энергию.
Наибольшее распространение в технике имеют два типа индукционных печей: 1) печи с железным сердечником; 2) печи без сердечника - высокочастотные.

Печи с железным сердечником имеют принципиальную схему (рис. 23, а), похожую на схему обычного трансформатора, у которого первичная обмотка насажена на железный сердечник, а вторичная представлена замкнутым кольцом расплавленного металла, т. е. совмещена с нагрузкой. В результате энергичной циркуляции металл, нагреваемый в кольцевом канале, поднимается вверх в рабочее пространство печи и, соприкасаясь с находящейся там шихтой, нагревает и расплавляет ее.
Печи без сердечника по своей схеме представляют воздушный трансформатор (рис. 23, б), первичной обмоткой которого является медная катушка - индуктор, а вторичная-сама металлическая шихта, загруженная в тигель.
Действующее значение индуктируемой электродвижущей силы Е. в, зависит от амплитудной величины полезного магнитного потока Фм, вб, частоты переменного тока f, пер/сек, числа витков обмотки w, и выражается формулой

В печах с железным сердечником величина достаточно большая благодаря концентрации полезного магнитного потока в сердечнике, а в печах без сердечника величина мала из-за большого магнитного рассеивания. Вследствие этого в индукционных печах с железным сердечником необходимая величина электродвижущей силы Е легко достигается на переменном токе с нормальной и пониженной частотой (f Основные преимущества индукционного нагрева следующие: выделение тепла прямо в массе нагреваемого материала, что уменьшает роль теплообменных процессов, обеспечивает более равномерный прогрев материала и значительно повышает термический к. п. д. индукционных печей; исключительная чистота рабочего пространства печей (обусловленная отсутствием загрязняющих его продуктов горения топлива, материалов нагревательных элементов и электродов), позволяющая получать особо чистые металлы и сплавы; возможность полной изоляции рабочего пространства печей от окружающего воздуха и ведения плавки в вакууме или в газовой защитной атмосфере; возможность получения весьма высокой температуры, лимитируемой только свойствами нагреваемого материала и огнеупорной кладки; энергичное перемешивание расплавов электромагнитными и тепловыми потоками, позволяющее получать сплавы равномерного химического состава; высокая удельная производительность индукционных печей; большая скорость нагрева и плавления; малые потери металлов от угара; высокая техническая культура печных агрегатов, отсутствие пыли и газов.
К недостаткам индукционного нагрева относятся: пониженный коэффициент мощности, поскольку для печей с железным сердечником соs φ = 0,3/0,8 и для бессердечниковых печей соs φ = 0,03/0,1; ограниченные размеры, мощность и емкость индукционных печей по сравнению с другими агрегатами; сложность электрического оборудования бессердечниковых печей, требующих специальных источников переменного тока высокой частоты и конденсаторных батарей значительной емкости; ограниченная стойкость футеровки каналов печей с железным сердечником и тиглей бессердечниковых печей: низкая температура нагрева шлаков.
Преимущества индукционного нагрева обусловили его широкое распространение. Индукционные печи с железным сердечником являются в настоящее время основным агрегатом для плавки и литья цветных металлов и производства цветных сплавов. Индукционные печи без сердечника применяются для плавки цветных и благородных металлов и для получения качественных стальных отливок. В металлургии меди, никеля и цинка также применяются индукционные печи, работающие на конечных переделах. Индукционный нагрев широко применяется на машиностроительных заводах при термической обработке различных металлических заготовок и изделий.
Теория индукционных печей с железным сердечником базируется на теории однофазного двухобмоточного трансформатора с железным сердечником. Отличие обычного трансформатора от индукционной печи с железным сердечником заключается в том, что у трансформатора вторичная обмотка и сеть потребления (нагрузка) находятся на значительном расстоянии одна от другой, а в индукционной печи вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и представлена кольцом расплавленного металла.
Преобразуемая мощность Рпр может быть выражена через вторичный ток I2 и фактическое активное сопротивление металла в канале r2 формулой

Мощность, теряемая в индукторе (электрические потери) Рэл, выражается через первичный ток I1 и фактическое активное сопротивление обмотки индуктора

Полная активная (ваттная) мощность индукционной печи с железным сердечником Р будет

В теории индукционных печей без железного сердечника эти печи рассматриваются как воздушные трансформаторы, у которых в результате отсутствия замкнутого железного магнитопровода магнитные потоки проходят по перерабатываемой шихте и по воздуху.
Частота питающего индуктор переменного тока f зависит от емкости (мощности) индукционной печи и удельного сопротивления перерабатываемой шихты р2. Исследования показывают, что чем больше емкость печи и ее размеры, в частности диаметр шихты d, см, и чем меньше удельное сопротивление расплавленного металла р2. ом/см3, тем меньше может быть минимальная частота fмин, гц; указанная зависимость выражается формулой

Каждой емкости печи и сопротивлению соответствует определенная оптимальная частота питающего тока, при которой к. п. д. печи достигает возможного максимального значения. Для бессердечниковых печей большой емкости (мощности) оказалось возможным применять пониженную частоту переменного тока, вплоть до нормальной 50 гц.
Активная мощность бессердечниковой печи Ра состоит из мощности, преобразуемой в шихте, и мощности, теряемой в индукторе, и выражается формулой

На основании закономерностей процессов горения топлива и преобразования электрической энергии в тепловую могут решаться следующие наиболее важные задачи по теории, эксплуатации и проектированию металлургических печей:
а) выбор системы нагрева печей (углеродистое топливо или электроэнергия);
б) выбор типа и сорта топлива и системы его сжигания;
в) выбор параметров электроэнергии и системы ее преобразования в тепловую энергию;
г) расчеты процессов горения топлива;
д) выбор и расчет топочных устройств;
е) расчет и конструирование электрических печей.

Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, поскольку она используется во всех секторах экономики, сопровождает большинство промышленных процессов и жизнедеятельность людей. В большинстве случаев отработанное тепло теряется безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс уже ничего не стоит, поэтому повторное его использование будет способствовать как уменьшению энергетического кризиса, так и защите окружающей среды. Поэтому новые способы преобразования тепловой в электрическую энергию и конверсия отработанного тепла в электричество сегодня как никогда актуальны.

Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, чтобы снизить объемы выбросов СО 2 . Существуют различные способы преобразование тепловой энергии в электрическую, зависящие от типов первичной энергии.

Среди ресурсов энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), а уран путем ядерного деления (ядерной энергии), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. Десять крупнейших стран производителей электроэнергии на 2017 год представлены на фото.

Таблица эффективности работы существующих систем преобразование тепловой энергии в электрическую.

Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства. Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO 2 , отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO 2 , требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Тепловые электростанции

На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученный от нагрева воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), вращает турбину, подключенную к генератору. Таким образом он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую. Рабочие компоненты тепловой электростанции:

1. Котел с газовой топкой.
2. Паровая турбина.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Охлаждающие башни.
6. Циркуляционный водяной насос.
7. Насос подачи воды в котел.
8. Принудительные вытяжные вентиляторы.
9. Сепараторы.

Типовая схема представлена ниже.

Паровой котел служит для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах с нагревом от сжигания топлива. Процессы горения непрерывно проводятся в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.

Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой толкает лопатки турбины, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижается до насыщенного состояния. Насыщенный пар попадает в конденсатор, а роторная мощность применяется для вращения генератора, вырабатывающего ток. Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсаторный тип.

Конденсаторы - это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Такая конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, площади поверхности труб и разности температур между водяным паром и охлаждающей водой. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае конденсатор находится под вакуумом, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуре, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.

Генератор преобразует механическую энергию в состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушки, а магнитная полевая роторная станция состоит из сердечника, содержащего катушку.

По виду вырабатываемой энергии ТЭС делятся на конденсационные КЭС, которые производят электрическую энергию и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно выпускающие тепловую (пар и горячая вода) и электрическую энергию. Последние, имеют возможности преобразования тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.

Атомные электростанции

АЭС используют тепло, выделяемое во время ядерного деления, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс протекает внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран 235. Топливо для АЭС получают из урана, имеющего в своем составе изотоп 235U (0,7%) и неделящегося 238U (99,3 %).

Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран - относительно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и обрабатывается до использования в качестве топлива.

Виды деятельности, связанные с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на АЭС. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается удалением ядерных отходов. При переработке использованного топлива в качестве опции для ядерной энергии, его этапы образуют настоящий цикл.

Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:

1. Выгорание урана 235.
2. Шлакование - 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
3. В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.

Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.

После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.

Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире - на фото ниже.

Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен работе паротурбинной электростанции. Единственное различие заключается в том, что на паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной силовой установке - газ.

Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.

В газотурбинной электростанции воздух сжимают в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, повышается температура сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температурой и высоким давлением проходит через газовую турбину. В турбине она резко расширяется, получая кинетическую энергию достаточную для вращения турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика вспомогательной энергии на гидроэлектростанции. Он генерирует вспомогательную мощность во время запуска гидроэлектростанции.

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Термоэмиссионные преобразователи

Они также называются термоэлектронным генератором или термоэлектрическим двигателем, которые непосредственно преобразуют тепло в электричество, используя термоэмиссию. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высокой эффективностью через индуцированный температурой процесс электронного потока, известный как термоэлектронное излучение.

Основным принципом работы термоэлектронных преобразователей энергии является то, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме и затем конденсируются на более холодном аноде. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэлектронные преобразователи энергии использовались с различными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах - выше 1500 К. В то время как работа термоэлектронных преобразователей энергии при относительно низкой температуре (700 К - 900 К) возможна, эффективность процесса, которая обычно составляет > 50%, значительно уменьшается, поскольку количество излучаемых электронов на единицу площади от катода зависит от температуры нагрева.

Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, число испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование демонстрирует, что температура тепла может быть снижена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Полученные данные показывают, что катодный термоэлектронный преобразователь на основе графена, работающий при 900 К, может достичь КПД 45%.

Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на фото.

TIC на основе графена, где Tc и Ta - температура катода и температура анода, соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, чтобы конвертер энергии катода на основе графена мог найти свое применение при повторном использовании тепла промышленных отходов, которое часто достигает температурного диапазона от 700 до 900 K.

Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может принести пользу конструкции преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном являются термоэлектрическими генераторами, обычно работают неэффективно в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%).

Утилизация отходов энергии стала популярной целью для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрические устройства на основе нанотехнологий, которые выглядят, как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло известно, как термоэлектричество, основанное на эффекте Пельтье. Если быть точным, эффект называется именем двух физиков - Жана Пельтье и Томаса Зеебека.

Пельтье обнаружил, что ток, посылаемый в два разных электрических проводника, которые соединены на двух переходах, приведет к нагреву одного соединения, в то время как другое соединение охладится. Пельтье продолжил исследования, установил, что каплю воды можно заставить замерзнуть на стыке висмута-сурьмы (BiSb), просто изменив ток. Пельтье также обнаружил, что электрический ток может протекать, когда имеет место разность температур размещается поперек соединения разных проводников.

Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником электроэнергии из-за его способности преобразовывать тепловой поток непосредственно в электричество. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко масштабируются и не имеют движущихся частей или жидкого топлива, что делает их применимыми практически в любой ситуации, когда большое количество тепла, как правило, направляется в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.

Наноструктуры, используемые в материалах полупроводниковых термоэлементах, помогут поддерживать хорошую электропроводность и уменьшить теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличена за счет использования материалов на основе нанотехнологий, с применением эффекта Пельтье. Они обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами и хорошими поглощающими способность солнечной энергии.

Применение термоэлектричества:

1. Поставщики энергии и датчики в диапазонах.
2. Сжигающая масляная лампа, управляющая беспроводным приемником для удаленной связи.
3. Нанесение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS/GSM и импульсные счетчики с теплотой тела.
4. Быстро охлаждающие сиденья в роскошных автомобилях.
5. Уборка отработанного тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество.
6. Преобразование отработанного тепла на заводах или промышленных объектах в дополнительную мощность.
7. Солнечные термоэлектрики могут быть более эффективнее, чем фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньшим солнечным светом.

Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.

Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).

Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.

Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).

Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.

Как известно, все тела состоят из молекул, и эти молекулы не находятся в покое, а непрерывно движутся. Чем выше температура тела, тем быстрее движение молекул вещества этого тела. При прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с двигающимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к нагреву проводника.

Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Ранее (см. § 13) было получено выражение для работы электрического тока (электрической энергии)

А = I 2 rt джоулей.

Эта зависимость была первоначально (в 1841 г.) установлена результате опытов английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) независимо от него русским академиком Ленцем.

Для того чтобы количество полученной тепловой энергии было выражено в калориях, необходимо дополнительно ввести множитель 0,24, так как 1 дж = 0,24 кал. Тогда Q = 0,24I 2 rt. Это уравнение выражает закон Джоуля-Ленца.

Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) установил законы теплового действия тока, обобщил опыты по электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде "правила Ленца". В своих трудах по теории электрических машин Ленц описал явление "реакции якоря" в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Таким образом, количество тепла, выделенного током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления r самого проводника, квадрата тока I 2 и длительности его прохождения t.

Пример 1 . Определить, сколько тепла выделит ток в 6 а, проходя по проводнику сопротивлением 2 ом в течение 3 мин.

Q = I 2 rt = 36 ⋅ 2 ⋅ 180 = 12960 дж.

Формулу закона Джоуля-Ленца можно написать так.

На 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 , 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.

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 . 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.

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.

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.

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.