- Co to jest generator termoelektryczny?
- Zasada działania
- Perspektywy
- Zakres zastosowania i rodzaje generatorów termoelektrycznych
- Jak zrobić generator termoelektryczny własnymi rękami?
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Zgodnie ze światowymi statystykami całkowitej liczby wytwarzanych energii elektrycznej elektrownie cieplne stanowią ponad 60%. Jak wiadomo, działanie elektrowni cieplnych wymaga paliwa organicznego, którego zasoby nie są nieskończone. Ponadto podstawowa technologia procesowa nie jest przyjazna dla środowiska. Jednak niski koszt paliwa organicznego i wysoka wydajność elektrowni cieplnych pozwala uzyskać „tanią” energię elektryczną, co uzasadnia stosowanie tej technologii. Wyjściem z obecnej sytuacji są alternatywne źródła energii, takie jak generatory termoelektryczne (zwane dalej TEG), które zostaną omówione w tym artykule.
Co to jest generator termoelektryczny?
Tak zwane urządzenie, które pozwala przekształcić energię cieplną w energię elektryczną. Należy wyjaśnić, że termin „termiczny” nie jest całkowicie dokładny, ponieważ ciepło jest metodą transmisji, a nie oddzielnym rodzajem energii. Przez tę definicję rozumie się całkowitą energię kinetyczną cząsteczek, atomów i innych elementów strukturalnych tworzących substancję.
Pomimo faktu, że TPP spala paliwo w celu wytwarzania energii elektrycznej, nie można go przypisać TEG. Na takich stacjach energia cieplna jest najpierw przekształcana w energię kinetyczną, a już w energię elektryczną. Oznacza to, że paliwo jest spalane w celu wytworzenia pary z wody, która obraca turbinę generatora elektrycznego.
Na podstawie powyższego należy wyjaśnić, że TAG powinien wytwarzać energię elektryczną bez pośrednich transformacji.
Zasada działania
TEG opiera się na zjawisku termoelektrycznym opisanym przez niemieckiego fizyka Thomasa Johanna Seebecka na początku lat 20. XIX wieku. Odkrył pojawienie się EMF w obwodzie zamkniętym składającym się z przewodnika i antymonu, z zastrzeżeniem tworzenia różnic temperatur w miejscach, w których te materiały stykają się. Obraz urządzenia, za pomocą którego zarejestrowano ten efekt, przedstawiono poniżej.
Legenda:
- 1 - przewód miedziany.
- 2 - przewodnik antymonowy.
- 3 - igła kompasu.
- A i B to punkty styku dwóch przewodników.
Gdy jeden ze styków został podgrzany, strzałka została odchylona, co wskazywało na obecność pola magnetycznego spowodowanego przez EMF. Podczas ogrzewania innego kontaktu kierunek EMF zmienił się na przeciwny. Odpowiednio, gdy obwód jest uszkodzony, możliwe jest ustalenie różnicy potencjałów na jego końcach.
12 lat później, po opublikowaniu przez Seebecka wyników swoich eksperymentów, francuski fizyk Jean Peltier odkrył przeciwny efekt. Jeśli prąd jest przepuszczany przez obwód termopary, wówczas występuje różnica temperatur w punktach styku tych substancji. Nie podamy opisu doświadczenia Peltiera, a także danych dotyczących nowoczesnych elementów o tej samej nazwie, informacje te można znaleźć na naszej stronie internetowej.
W rzeczywistości oba te efekty są przeciwnymi stronami tego samego zjawiska termoelektrycznego, które umożliwia bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej z energii cieplnej. Jednak przed odkryciem półprzewodników efekt termoelektryczny nie znalazł praktycznego zastosowania z powodu niedopuszczalnie niskiej wydajności. Możliwe było podniesienie go do 5% tylko w środku wulgarnego stulecia. Niestety, nawet w nowoczesnych elementach półprzewodnikowych wskaźnik ten utrzymuje się na poziomie 8% -12%, co nie pozwala uznać generatorów tego typu za poważnych konkurentów dostawców TPP.
Perspektywy
Obecnie trwają eksperymenty nad wyborem optymalnych termopar, które zwiększą wydajność. Problem polega na tym, że trudno jest stworzyć podstawy teoretyczne dla tych badań, więc musisz polegać tylko na wynikach eksperymentów. Biorąc pod uwagę, że wpływ na ten wpływ ma stosunek procentowy i skład stopów materiału na termopary, mówienie o najbliższej przyszłości jest niewdzięcznym zadaniem.
Jest prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości, aby poprawić jakość termoelementów, programiści przeniosą się na inny poziom wytwarzania stopów do termopar przy użyciu nanotechnologii, studni kwantowych itp.
Możliwe, że zostanie opracowana zupełnie inna zasada przy użyciu niekonwencjonalnych materiałów. Jako przykład możemy przytoczyć eksperymenty przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim, gdzie sztuczna syntetyzowana cząsteczka została użyta do zastąpienia termopary, która łączyła dwa złote mikroprzewodniki.
Pierwsze eksperymenty pokazały możliwość wdrożenia idei, jak obiecujące, czas pokaże.
Zakres zastosowania i rodzaje generatorów termoelektrycznych
Ze względu na niską wydajność TEG pozostają dwie aplikacje:
- W miejscach, w których inne źródła energii elektrycznej nie są dostępne.
- W procesach, w których występuje nadmiar ciepła.
Oto kilka przykładów takich urządzeń.
Energopechi
Dane, urządzenia, które łączą następujące funkcje:
- Kuchenka.
- Grzejnik
- Źródło energii elektrycznej.
Jest to doskonała próbka, która łączy wszystkie dwa zastosowania.
W piecu energetycznym pokazano na rysunku następujące parametry:
- Waga - nieco ponad 50 kilogramów (bez paliwa).
- Wymiary: 65x43x54 cm (z rozmontowanym kominem).
- Optymalne ładowanie paliwa organicznego - 30 litrów. Zastosowanie twardego drewna, torfu, wiercenia (nie kamienia!) Węgiel jest dozwolony.
- Średnia moc cieplna urządzenia wynosi około 4, 5 kW.
- Moc obciążenia elektrycznego od 45-50 watów.
- Stabilizowane napięcie wyjściowe DC - 12 V.
Jak widać, parametry te są całkiem akceptowalne w warunkach, w których nie ma prądu, ogrzewania i gazu. Jeśli chodzi o małą moc elektryczną, wystarczy ładować urządzenia mobilne lub zasilać inne gadżety przez adapter z zapalniczki samochodowej.
Radioizotop TEG
Źródło ciepła uwalniane podczas rozpadu niestabilnych elementów może działać jako źródło ciepła dla TEG. Takie źródła nazywane są radioizotopami. Ich główną zaletą jest to, że nie jest wymagane stałe ładowanie paliwa. Wadą jest konieczność zainstalowania ochrony przed promieniowaniem jonizującym, niemożność tankowania paliwa i konieczność utylizacji.
Żywotność takich źródeł zależy bezpośrednio od okresu półtrwania substancji stosowanej jako paliwo. Następujące wymagania są przedstawione temu ostatniemu:
- Wysoki współczynnik aktywności objętościowej, to znaczy niewielka ilość substancji, powinna zapewnić pożądany poziom uwalniania energii.
- Utrzymuj wymagany poziom mocy przez długi czas. Ten parametr odpowiada, jak zauważono powyżej, na okres półtrwania, na przykład, wynosi 29 lat dla strontu-90, dlatego źródło straci połowę swojej mocy w tym czasie.
- Promieniowanie jonizujące powinno być wygodne do utylizacji, tzn. Przeważać w nim cząstki α.
- Wymagany poziom bezpieczeństwa. Oznacza to, że promieniowanie jonizujące nie powinno szkodzić środowisku (w przypadku pracy na ziemi) i urządzeniom zasilanym przez takie źródło.
Wspomniane powyżej izotopy Curium-244, pluton-238 i stront-90, spełniają te kryteria.
Zakres zastosowania RITEG
Pomimo poważnych wymagań dla takich źródeł, ich zakres jest dość zróżnicowany, są one używane zarówno w przestrzeni kosmicznej, jak i na ziemi. Poniżej zdjęcie pokazuje RITEG, który pracował nad sondą Cassini. Jako paliwo zastosowano izotop plutonu-238. Okres półtrwania tego pierwiastka wynosi nieco ponad 87 lat. Pod koniec 20-letniej panienki źródło wyprodukowało 650 watów energii elektrycznej.
Jako przykład przytoczono Cassini, a kosztem charakteru masowego można stwierdzić, że praktycznie wszystkie statki kosmiczne używają RITEG do zasilania sprzętu. Niestety, charakterystyki radioizotopowych źródeł energii statków kosmicznych z reguły nie są publikowane.
Na ziemi sytuacja jest prawie taka sama. Technologia RITEG jest znana, ale jej szczegóły są informacjami niejawnymi. Wiadomo, że takie instalacje są wykorzystywane jako źródło zasilania urządzeń nawigacyjnych w obszarach, w których ze względów technicznych nie można uzyskać energii elektrycznej w inny sposób. Oznacza to, że chodzi o regiony trudno dostępne.
Niestety, takie źródła nie są najbardziej odpowiednią alternatywą dla elektrowni cieplnych z punktu widzenia ochrony środowiska.
Jak zrobić generator termoelektryczny własnymi rękami?
Na koniec powiemy Ci, jak stworzyć TAG, który można wykorzystać na kempingu, polowaniu lub wędkowaniu. Naturalnie, moc takich urządzeń będzie gorsza od radioizotopowych generatorów mocy, ale z powodu niedostępności plutonu, a jego nieprzyjemna właściwość powodowania szkód dla ludzkiego ciała będzie musiała być zadowolona z małych.
Potrzebny będzie element termoelektryczny, na przykład TEC1 12710. Zaleca się użycie kilku elementów połączonych równolegle w celu zwiększenia mocy. Niestety, istnieje tu bardzo poważny niuans, konieczne będzie wybranie elementów o podobnych parametrach, co jest praktycznie niemożliwe dla chińskich produktów, a korzystanie z markowych produktów jest droższe, łatwiej jest kupić gotowy generator. Jeśli używasz jednego modułu Pelte, to jego moc jest ledwo wystarczająca do naładowania telefonu lub innego gadżetu. Potrzebujemy również metalowej obudowy, na przykład używanego zasilacza komputera i radiatora z procesora.
Najważniejsze elementy montażu:
Zastosuj termopastę na ciele w miejscu, w którym zostanie zamontowany element termoelektryczny, pochyl go i zamocuj za pomocą grzejnika. W rezultacie mamy konstrukcję, jak w dolnej figurze.
Jako paliwo najlepiej jest używać „suchego alkoholu”.
Teraz należy podłączyć regulator napięcia do naszego źródła (obwód można znaleźć na naszej stronie internetowej lub w innych źródłach tematycznych).
Projekt jest gotowy, możesz rozpocząć testowanie.