Опубликовано

Электричество от тепла

Термоэлектричество: история

Томас Иоганн Зеебек

У термоэлектричества – два отца: немец и француз. Первым из них был немец. 14 декабря 1820 года Томас Иоганн Зеебек (Thomas Johann Seebeck), академик Прусской академии наук, выступил перед коллегами с докладом и демонстрацией опыта. Зеебек обнаружил, что если взять проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, и нагреть одно из двух мест их соединения, то стрелка компаса, находящегося рядом, отклонится. Он назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» и в 1822 году описал его в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».

Зеебек отметил, что угол отклонения стрелки компаса и направление ее поворота зависели как от разности температур нагретого и ненагретого мест спайки, так и от того, какие вещества были взяты. Он экспериментировал, например, с висмутом, медью и сурьмой. Позднее ученые узнали, что изменение магнитного поля вызывается появляющимся в тот момент в веществе электрическим током, а само явление стали называть «эффектом Зеебека».

Позднее, в 1834 году, Жан Шарль Пельтье (Jean-Charles Peltier) решил посмотреть, что будет, если между двумя электродами поместить каплю воды и пустить электрический ток. Результат поразил ученого: вода превратилась в лед. Это явление стало известным под названием «эффект Пельтье». Вместе с эффектом Зеебека его относят к термоэлектрическим явлениям.

Как эффект Зеебека, так и эффект Пельтье наблюдаются, когда электрическая цепь состоит из двух разных материалов. Проявления эффектов обратны друг другу. При эффекте Зеебека от разницы температур возникает электрический ток. При эффекте Пельтье при пропускании тока меняется температура. Стоит уточнить, что, если поменять полярность тока, проводник будет не охлаждаться, а напротив разогреваться. Оба эффекта незначительно проявляются при контакте двух металлов, зато весьма заметны, если мы имеем дело с двумя полупроводниками.

Практическую пользу из двух столь замечательных явлений научились извлекать далеко не сразу. Но сейчас и эффект Пельтье, и эффект Зеебека находят активное применение в технике. Для охлаждения можно использовать «элементы Пельтье» (по-английски они называются thermoelectric cooler — термоэлектрический охладитель, TEC). Это две или несколько пар полупроводников, соединенных перемычками. При подсоединении к электрической сети, одна из сторон элемента Пельтье будет охлаждаться.

Юрий Петрович Маслаковец

А как работает эффект Зеебека? Пожалуй, первенство в его практическом применении принадлежит отечественным физикам. Сделано это было во время войны учеными Физико-технического института под руководством А. Ф. Иоффе. Необходим был способ, позволяющий партизанам заряжать аккумуляторы радиопередатчиков. Конечно, партизанским отрядам поставляли новые батареи с помощью самолетов, но этим способом не всегда удавалось воспользоваться. Также были сделаны динамо-машины для подзарядки, которые работали от двигателя автомобиля или от усилий человека, но и они не решили проблемы.

Термоэлектрогенератор ТГ-1

Когда началась Великая Отечественная война физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».

После войны А. Ф. Иоффе и Ю. П. Маслаковец продолжили работы в области термоэлектричества. В 1950 году Иоффе написал работу «Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников», где изучил свойства полупроводниковых материалов, позволяющие достичь максимально возможного КПД термогенератора. Промышленность СССР выпускала различные типы генераторов, предназначенных для удаленных местностей, где нет доступа к электрической сети. Был, например, создан, термогенератор ТГК-3, закреплявшийся на стекле керосиновой лампы и позволявший питать радиоприемник.

ТГК-3 (1954 год)

Позднее, с развитием электроснабжения и доступностью дешевого топлива, необходимость в термоэлектрогенераторах снизилась. Но и сейчас они находят применение. В первую очередь это происходит там, где другие источники питания труднодоступны: в автоматических маяках и метеорологических станция, в устройствах катодной защиты на нефтепроводах.

Современным разработкам, использующим термоэлектрические эффекты, будет посвящена вторая часть нашего рассказа, которую вы сможете прочитать на следующей неделе.

Накормить гаджеты из котелка

Разместил 16.07.2011 nik34

nik34 прислал:

Ура, товарищи, свершилось — хитромудрые японцы наконец-то освоили производство «партизанских котелков» времён Великой Отечественной войны. Теперь предлагают их как высокотехнологичную продукцию. Жаль в Россию не поставляют, считают, видно, что мы еще не доросли до столь высоких технологий. 😉

Поделиться этой страницей в:

Японская компания выпустила кастрюлю Hatsuden-Nabe, в днище которой встроены термоэлементы, для выработки электричества от тепла при приготовлении пищи.
Этот термогенератор предназначен для получения электричества от тепла костра, примуса и других подобных источников тепла. Как рекламируют производители, котелок не потерял своей способности готовить пищу, т.е. пока варится утренняя каша, можно заодно зарядить и какой-нибудь гаджет. Может это и актуально, особенно на фоне последних землетрясений и цунами в тех краях.

Устройство представляет собой обычный «партизанский котелок» с высокотемпературным термоэлектрическим модулем, встроенным в днище. Такой конструкцией пользовались еще наши партизаны во время войны с фашистами. Прошло столько лет, а ничего не поменялось в этом мире.

Комплектация.

1. Кастрюля-генератор.
2. Крышечка к ней (крайне необходима в походе).
3. USB модуль.
4. Металлическая сетка (заодно можно и подкоптить на ней что-нибудь.)
5. Металлическая пластина (похоже, вместо сковородки, на самом деле, чтобы защитить ручку от огня.)
Электрические характеристики:
Выходное напряжение: 5В.
Выходной ток: около 400мА.
Выходная мощность: около 2Вт
И немножно о «высоких технологиях». (взято )
«Эта 16-сантиметровая кастрюля изготовлена из специального термоэлектрического материала, разработанного TES NewEnergy Corp., а выработка электричества осуществляется благодаря так называемому эффекту Зеебека – ток силой 200-250 мА возникает между термоэлементами с разной температурой (примерно 550 градусов Цельсия у огня и 100 градусов у кипящей воды). Этого достаточно для полной зарядки среднестатистического смартфона в течение 3-5 часов.
Кастрюля Hatsuden-Nabe уже продается в Японии по цене примерно 280 американских долларов, когда она появится у нас, пока неизвестно, но наверняка многие туристы, рыбаки и другие любители активного отдыха ей будут очень рады.»
И напоследок, чертёжик с размерами и весом. Взято с изделия.

Всё, теперь за туристов можно не беспокоиться! 🙂

ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ТГК-10

Радио 1956 №9

В журнале «Радио» № 2 за 1954 год было рассказано о принципах действия термоэлектрогенераторов, там же приводились конструктивные данные и характеристики термоэлектрогенераторов типа ТГК-3, используемых для питания радиоприёмников.

В настоящее время начат мелкосерийный выпуск термоэлектрогенераторов типа ТГК-10 мощностью 10-12 вт, предназначенных для питания малых колхозных радиоузлов типа КРУ-2. В качестве источника нагрева в термоэлектрогенераторах применены обычные керогазовые горелки. В отличие от ТГК-3 в данном случае горючее расходуется только на нагрев термобатарей и не используется для освещения.

В этих термоэлектрогенераторах применены специальные термоэлементы со сравнительно высоким сроком службы и КПД, несколько отличающиеся от термоэлементов ТГК-3. Принципы изготовления термоэлементов разработаны в НИИТС Министерства связи.

На рис. 1, а приведён схематический чертёж, а в заголовке дан общий вид термоэлектрогенератора ТГК-10 разработанного в экспериментальных мастерских УПП Министерства связи. Над горелкой керогаза расположен восьмигранный алюминиевый теплопередатчик, снабжённый вертикальными радиаторами, по которым проходят горячие газы из горелки. Для усиления тяги над теплопередатчиком имеется небольшая жестяная трубка. На боковых гранях теплопередатчика установлены секции термобатареи таким образом, что нагреваемые спаи прижаты к поверхности теплопередатчика, а спаи, подлежащие охлаждению, обращены наружу. К последним прижаты алюминиевые радиаторные «ребра», служащие для воздушного охлаждения.

На рис. 1, б изображена часть термобатареи, т. е. несколько последовательно соединённых термоэлементов. Каждый элемент (рис. 1, в) состоит из двух термоэлектродов: положительного — угольного I и отрицательного II.

Рис. 1.

При разности температур между «спаями» порядка 300° каждый термоэлемент развивает ЭДС около 55 мв. Рабочее напряжение термоэлемента при токе нагрузки 1 а равно 30-35 мв. Коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии в электрическую составляет около 3,5%. Срок службы термоэлемента, определяющийся постепенным повышением переходного сопротивления в горячем «спае», достаточно велик, он превышает 4000 часов.

При нормальном режиме работы термоэлектрогенератора температура горячих «спаев» термоэлементов равна 400-420°, а температура «холодных спаев» — 90-100°.

Термоэлектрогенератор имеет две самостоятельные термобатареи, одна из которых служит для питания цепей накала, а вторая — для питания анодных цепей от вибропреобразователя, имеющегося в радиоузле КРУ-2.

Всего в термоэлектрогенераторе установлено 410 термоэлементов, 36 из которых составляют батарею накала, а 374 — батарею вибропреобразователя.

По техническим условиям гарантируются следующие характеристики термоэлектрогенератора:

Батареи Ток нагрузки, А Напряжение, В Мощность, Вт
Накала 0,7 1.2 0,84
Вибропреобразователя 1 10 10

Общая мощность термоэлектрогенератора, таким образом, должна быть не менее 10,8 Вт. Фактически она равна 11-12 Вт.

На рис. 2 приведены нагрузочные характеристики батарей ТГК-10. Как видно из этих характеристик, рабочий режим термоэлектрогенератора соответствует приблизительно режиму наибольшей мощности, при котором ток нагрузки равен 0,5 Iкз, а рабочее напряжение — 0,5 ЭДС.

Рис. 2.

Ввиду того что напряжение батарей термоэлектрогенератора довольно сильно изменяется при колебаниях тока нагрузки, батарею вибропреобразователя рекомендуется использовать совместно с параллельно подключённой 10-вольтовой аккумуляторной батареей, работающей в этом случае в качестве буферной.

При работе ТГК-10 расходует 100-105 г керосина в час. Исходя из этого, общий коэффициент полезного действия термоэлектрогенератора равен приблизительно 1,0%.

Термоэлектрогенератор ТГК-10 можно использовать также в качестве резервных источников питания в тех случаях, когда основными источниками служат ветроэлектрические установки.

Значительное количество термоэлектрогенераторов ТГК-10 уже находится в эксплуатации в различных, в том числе самых удалённых уголках нашего Союза.

В. Даниэль-Бек, С. Курфирст, Н. Рогинская

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *