Термопара электричество: Термогенератор, получаем электричество из тепла

Содержание

Термогенератор, получаем электричество из тепла

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяется термогенератор. Так же, как и у термопары, его принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году. Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется ЭДС, если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, один 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 рис. 1.

   Рис. 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 градусов Цельсия. 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 рис. 2.

   Рис. 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.

Бытовой термогенератор

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпускать термогенератор ТГК – 3. Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в не электрифицированной 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 рис. 3.

 

   Рис. 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 рис. 4.

   Рис. 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 термогенератор имел мощность не превышающую 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.

Видео

 

Смотрите также по теме:

   Ветрогенератор. Как выбрать, смонтировать и избежать разочарования?

   Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

мир электроники — Термопара- источник электричества

категория
Альтернативная энергетика
материалы в категории

Юный Техник 1992 №7

На новых садовых участках электроэнергия, как правило, подводится в последнюю очередь, что, согласимся, очень неудобно. Здесь-то и выручит нас энергетическая установка, которую мы предлагаем. Она позволит послушать радио и даже освещать помещение.

Установка использует эффект появления ЭДС в цепях, состоящих из различных металлов или полупроводников. Вы уже прочитали об этом не страницах журнала в статье А. Савельева.

Возьмем два электрических проводника, которые изготовлены из разных металлов, и спаяем их концы. Теперь при нагревании одного и охлаждении другого конца в цепи проводников — термоэлементов (термопар) потечет электрический ток. Созданная ЭДС будет зависеть от разницы температур, а также от подбора материалов, составляющих термоэлемент. КПД таких преобразователей не превышает 5-6%. Максимальная температура, до которой можно нагревать термопару, определяется точкой плавления элементов. К примеру, пару медь — константен можно нагревать до 350 градусов, сталь — константан до 315… 649 градусов — в зависимости от диаметра проволоки, а пару хромель — алюмель до 700… 1152 градусов. Для увеличения КПД, как вы понимаете, надо максимально увеличить разницу температур между холодным и горячим спаем. Но при этом при подборе пар надо учитывать теплопроводность материалов. Лучше, если соотношение между средней теплопроводностью и средней электропроводностью будет минимальным.

При подборе материалов удобно пользоваться таблицей, приведенной ниже. Лучше выбрать те из них, что максимально удалены а столбце друг от друга. Например, сталь (наверху), константан (внизу) дадут хорошие результаты, а медь и серебро — малоактивные элементы. Пара сурьма-висмут наилучшая, но практически недоступна любителю. Хотя и дает она самое большое термоэлектрическое напряжение — около 112 мкВ/град., материалы слишком специфичны и редки.

















РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ГРАД. ЦЕЛЬСИЯ
100500900
сурьмахромельхромель
хромельнихромнихром
стальмедьсеребро
нихромсереброзолото
медьзолотосталь
серебростальплатинородий
платинородийплатинородийплатина
платинаплатинакобальт
палладийкобальталюмель
кобальтпалладийникель
алюмельалюмельпалладий
никельникельконстантан
константанконстантан
висмут

Кроме того, каждый материал, указанный в таблице, обладает отрицательным потенциалом по отношению ко всем другим, находящимся выше. Например, в паре сталь — константен сталь будет иметь относительный потенциал плюс, а константан — минус. В термопаре хромель — алюмель хромель имеет плюс, а алюмель минус.

Для изготовления батареи потребуются два куска проволоки (стальной и константановой) диаметром 1,3 мм, длиной 18 м каждый. Концы каждого элемента зачищают и скручивают вместе, затем сваривают. Элементы крепят на асбоцементной панели (рис. 1). При проверке отдельные термопары должны давать ток около 22 мА от нагревания спичкой и около 30 мА при нагревании спиртовой горелкой. При нормальном горении спиртовки батарея даст 1,5 В при тоне 0,3 А (рис 2). Изготовив набор таких батарей и соединив их параллельно, можно получить постоянный электрический ток мощностью, достаточной для питания транзисторного приёмника и схожих электроприборов. Надо лишь помнить о том, что при последовательном подключении растёт внутреннее сопротивление батареи.

Набор, состоящий из нескольких батарей, можно использовать с керосиновой лампой, металлической печной трубой или другими похожими источниками тепла.

К. ВЛАДИМИРОВ
Рисунки автора

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭССхема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта ЗеебекаТермопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеровСовременный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопарыМолекула вместо термопары

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

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одномИндигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» КассиниРадиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле СахалинаРИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГТуристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

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

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

  • Самойлович А.Г. «Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии» 2007
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е.А. «Термоэлектрическая энергетика» 1974
  • Бернштейн А. С. «Термоэлектричество» 1957
  • Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства» 1979

Ток из тепла: Термопара против пара

Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии — без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа,» — поясняет Арунава Майумдар (Arunava Majumdar) из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во‑первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».

По публикации Science Daily

Термоэлектрический генератор — конвертируем тепло в электричество термогенератором

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

  1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
  2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
  3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
  4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
  5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
  6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
  7. Резак для резки тонких металлов
  8. Ножницы по металлу
  9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
  10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
  11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
  12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
  13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
  14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
  15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
  16. Толстая медная проволока
  17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т.д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Файлы

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

  1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
  2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
  3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
  4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
  5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
  6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
  7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
  8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Термоэлектрический генератор: история, развитие, конструкция

Термоэлектрический генератор – это прибор, получающий электрическую энергию из тепла. Превосходный источник энергии, к несчастью, характеризуется низким КПД. Вдобавок постоянный ток не преобразуется трансформаторами.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по иным данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. КПД преобразования составил 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора соперничал с паровыми машинами того времени. Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не начинал эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив собственное открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений исследователь предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Принцип действия термоэлектрического генератора объяснялся магнитной поляризацией. Зеебек исследовал массу образцов, включая полупроводники, и выстроил материалы в ряд по способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и поныне для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как учёные с радиоактивными металлами, так Зеебек обращался с образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, раздался приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы практически руками соударяли куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Большинство в скором времени погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, как некогда Гальвани, наблюдал «животное электричество». Зеебек почти поверил в собственные замечательные трансцендентные способности, но домработница заставила его думать, что причина в нагреве образцов. Когда карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту давали необычное и называли магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить подобную позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании об открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет. Учёный не спешил: заметив странное поведение стрелки морского компаса, долго изучал, оценивал, потом написал нескольким прогрессивно мыслившим современникам… Дальнейшие открытия посыпались чередой:

  1. Закон Ома.
  2. Электромагнит.
  3. Электрокомпас.
  4. Гальванометр.
  5. Индуктивность.
  6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но открытое Зеебеком термоэлектричество оказалось удивительным. Известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали понятия заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора – и все! Неизвестны были понятия разницы потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Это повлияло на название открытия Зеебека.

Накануне Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата, тогда ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса обнаруживал Земной шар. Неудивительно, что Зеебек приписал собственной установке подобное странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса как планета Земля.

В течение года удалось найти правильное объяснение. Георг Ом использует термопару как источник стабилизированного напряжения для открытия известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Пришла пора открывать эру термоэлектричества.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало понятно, что тепло не способно непосредственно превращаться в магнетизм, наконец, отвергли идею образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать в электролизе (1831 год). Но термин пребывал неустойчивым. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине XIX века. Считались просто лабораторными установками для исследований различных процессов, именовались по-иному.

В Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи помещались термопары, с достаточными напряжением и током. Объединяя питающие элементы последовательно, поднимали вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток. Каждая термопара сконструирована по образу использованной Зеебеком (сурьма – антимонид цинка). Тогда уже узнали батарею Гюльхера (предположительно, 1898 год).

Термин батарея ввёл для лейденских банок (конденсаторов) Бенджамин Франклин.

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первыми прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения мощного источника питания. Дальнейшее развитие концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии опытов по исследованию инфракрасного спектра они создали тепловой мультипликатор. Идея пришла обоим после внесения прогрессивных изменений в конструкцию Швейггера (1825 год).

Задумка первого гальванометра: эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом собирался «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя стала стрелка компаса.

Временная линейка развития изобретений

Вслед первым ласточкам эффект Зеебека применялся и дальше. Патент на применение термоэлектрических генераторов взамен обычных взят в 1843 году Мозесом Пулом.

Пергелиометр для измерения солнечной активности

Пергелиометр предназначен для измерения интенсивности солнечного излучения по степени нагрева термопары. Изобретённый Клодом Пулье между 1837 и 1838 годами прибор позволил учёному вычислить с высокой степенью точности солнечную константу, равную 1228 Вт/кв. м. Изначально пергелиометр не предполагалось использовать как термоэлектрический генератор. Отдельные наработки конструкции служили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Приведём данные по изобретению, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют свойства мощнее в сочетании металлов, нежели каждый из простых материалов по отдельности. В составе одной части цинка и двух – сурьмы образец давал разницу потенциалов 22,7. Потенциалы компонентов, взятых по отдельности:

  • Сурьма – 7 – 10.
  • Цинк – 0,2.

Единственным исключением стал сплав висмута с оловом. При составе его 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать исследования с пары из нейзильбера (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС не оказалась велика. Тогда я испробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 цинка и 1 висмута. Результат получился хрупким и с ярко выраженной кристаллической структурой.

Чтобы сгладить указанные недостатки, добавлял мышьяк. В результате обнаружено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет гораздо большую пластичность при аналогичных термоэлектрических свойствах, которые наблюдаются у сплава Маркуса. Второй частью пары оставлен нейзильбер.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса приравнивалась к одной двадцатой от ячейки Даниэля, предоставляя 55 мВ постоянного напряжения. Негативной «обкладкой» служил сплав из меди, цинка и никеля в соотношении 10:6:6, похожий по внешнему виду на нейзильбер; положительной – соединение сурьмы, цинка и висмута в соотношении 12:5:1. По данным “Electricity in The Service of Man”, 3-ей редакции, 1896, в мае 1864 года Маркус получил премию от Венского научного общества за термоэлектрический генератор. Составленные шалашом термопары в верхней части объединялись нагреваемой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. К сожалению, сплавы на воздухе быстро окислялись с грандиозным повышением омического сопротивления контактов.

Вклад Беккереля

Доподлинно неизвестно, когда появился на свет термоэлектрический генератор Эдмонда Беккереля, но историки относят открытие на период 1867-1868 года. В его конструкции переход образован сульфидом меди и нейзильбером. На изображении: в ближний резервуар закачивалась холодная вода, в дальний – раскалённый газ. Напряжение термоэлектрического генератора снималось со спиралевидных выводов.

Термогенераторы Клэмонда

По поводу термоэлектрических генераторов доктор Стоун высказал: «Применение железа даёт неплохой эффект, который нивелируется быстрым ржавлением изделия.»

  • Термоэлектрический генератор (предположительно 1874 года выпуска) Клэмонда и Мура сконструирован из антимонида цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Подогреваемый прибор позволял за час получить примерно унцию меди, потребляя 6 кубических футов газа. Использовался для плакирования металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрического генератора изменял величину получаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы из антимонида цинка, треугольные листовые лопасти – железные.
  • В 1789 году термоэлектрический генератор Клэмонда оказался сильно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом выдавал напряжение 109 В при токе 1,75 А, потребляя за час 22 фунта угля. Коммутацией соединений вольтаж уменьшался до 54 В. Ток термоэлектрического генератора возрастал до 3,5 А. Подогреваемая угольной печью конструкция высотой под 2,5 метра и диаметром в пределах метра, напоминающая кулер современных процессоров, снаружи содержала многочисленные железные крылья. Газы проходили внутри, раскаляя антимонид цинка. По отдельным сообщениям, 20 термопар генератора выдавали 1 В напряжения.
  • Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 год) больше напоминает современную турбину ТЭС по форме. Центральная часть термпопар подогревается горелкой, а периферия охлаждается за счёт излучения и конвекции. Это сравнительно маленькое подобие генератора Клэмонда с внутренним сопротивлением 0,2 Ом, рассчитанное на напряжение 2 В и состоящее из 128 термопар. Эффективность термоэлектрического генератора сильно снижали нейзильберовые промежуточные контакты, рассеивающие тепло. В современных термоэлектрических генераторах используется p-n-переход без промежуточных материалов между полупроводниками.
  • Переносной термоэлектрический генератор Хоука (вероятно, 1874 год) рассчитан на 110 мВ (одна десятая ячейки Даниэля) и включал 30 термопар, с половинками, объединёнными платиновой проволокой длиной 1,2 дюйма. Горелка сильно напоминала бунзеновскую, а холодный конец погружали в воду. Конструкция сильно напоминает изобретения Ноэ и в меньшей степени Клэмонда. Ключевое отличие заключается в промышленном выпуске изделий для массового круга потребителей. Генераторы продавались двойками и тройками, размещёнными на едином основании.
  • Угольный термоэлектрический генератор изобретён Гарри Бэрринджером, и авторские права закреплены патентом US434428 от 1890 года.

Аккумулятор Гюльхера

Последняя конструкция из придуманных в XIX веке. Историки относят её на 1898 год. 50 термопар давали напряжение в 1,5 В при токе 3 А и внутреннем сопротивлении 0,5 Ом. На указанные цели тратится ежечасно 5 кубических футов газа. По мнению исследователей, хороший прибор выдавал бы втрое больше при идентичном расходе.

Натурный эксперимент показал средний срок службы в 200 часов, хотя один образец проработал 500, наконец, нашёлся экземпляр, прослуживший целых два года. В 1903 году некий журнал опубликовал сведения об общих испытаниях аккумулятора Гюльхера. В ходе работы зажжённая горелка грела термопары, пока напряжение на достигло 3,5 В. Потом прибор выключили и смотрели на характеристики после прекращения подачи газа. При снижении напряжения до 1,5 В ток резко оборвался. Вывод:

– Термонапряжение стабильное, что обусловлено значительной тепловой инерцией. Температурные изменения происходят неспешно, плавно опускается напряжение при остывании.

Впрочем, аналогичное заметил ещё Поггендорф, советовавший Георгу Ому использовать термопару вместо вольтова столба. Аккумулятор Гюльхера оказался популярен в начале XX века. К примеру, Лихайский Университет сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году закупили три термобатареи Скотта и одну – Гюльхера.

Конструкция напоминает устаревший сегодня радиатор отопления. Подобные встречаются в общественных зданиях, построенных и оборудованных в СССР. Это переносной прибор: с каждой стороны расположена Т-образная рукоятка для транспортировки.

Переносной генератор

Переносной термоэлектрический генератор Шудре напоминает по внешнему виду масляный фильтр грузового автомобиля. Для получения тепла требуется разжечь газовую горелку. Сохранилось чрезвычайно мало сведений о приборе. В изданиях 1898 года нашлась информация о совместных испытаниях изделия с упоминавшимися выше по тексту:

«Профессор Кольраух заметил в 70-е, что вольтаж термоэлектрического генератора зависит от числа пар, включённых последовательно. Это подтверждается опытами на конструкциях Клэмонда, Ноэ и Шудре, изготовленных и проданных за истекшие 20 лет. Они выдают 2, 4, 6 и 8 вольт, имея, соответственно, 36, 72, 108 и 144 пары в составе. Видно, что напряжение строго пропорционально общему числу. Шудре сконструировал экземпляр, состоящий из 720 элементов. Как следовало ожидать, результирующее напряжение составило 40 В, способное поддержать горение разрядной лампы».

В заметке говорилось, что начинающие электрики вправе взять представленный на фото образец за пример коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудре изготавливается в 6 типоразмерах, на токи 1,3 – 2,5 А при напряжении 3 – 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

XX век

В XX веке большая часть термоэлектрических генераторов снабжалась патентом, а топливом стал газ. Особенностью периода считаются попытки теоретически объяснить наблюдаемое явление. Первым рассчитал КПД термоэлектрических генераторов Рэйли, хотя результат оказался ошибочным. В 1909 и 1911 годах предпринимались попытки дать теоретические исследования материалов: Альтенкирх показал, что термоэлектрические материалы должны обладать большим коэффициентом Зеебека и малым омическим сопротивлением контакта для сокращения потерь на тепло.

Забавно, но используемые сегодня для создания мощных приборов полупроводники остались за пределами интересов Зеебека, целиком сосредоточившего внимание на чистых металлах и сплавах. В перечисленных материалах, согласно закону Видеманна-Франца-Лоренца, отношение тепловой проводимости к электрической признано константой. Подходящими металлами для термопар признаются металлы, где коэффициент Зеебека максимальный.

Значительные сдвиги в отрасли пришлись на период синтеза в 30-е году полупроводников со значениями коэффициента Зеебека, превышающими 100 мкВ/К. В результате после Второй мировой войны (1947 год) на сцене появился генератор М. Телкеса с КПД в 5%. Через пару лет Абрам Федорович Иоффе разработал теорию полупроводниковых термоэлементов. К сожалению, интересы великих держав расходились, не сразу осознали, что полупроводники таят большой потенциал. В 1956 году Иоффе с сотрудниками показали, что слишком большое отношение термической и электрической проводимости уменьшается сплавлением материалов с различными компаундами. Из-за большого военного значения многие разработки остались в тайне, к примеру, исследования RCA.

Современный генератор представляет сандвич из заключённого между керамическими пластинами слитка n и p полупроводников. При создании нужной разницы температур устройство вырабатывает энергию. Керамика считается достойным электрическим изолятором, но проводит тепло, обосновывая успешность указанной конструкции. В вакууме, с одной стороны обогреваемый Солнцем, а с другой – охлаждаемый блеском звёзд, термоэлектрический генератор показывает фантастическую разницу температур между поверхностями. Что закономерно увеличит отдаваемую мощность. Следовательно, это неплохой источник питания, простой и удобный, для любых космических объектов.

В начале 60-х из космоса термоэлектричество потихоньку спустилось на Землю. Преимущественными сферами стали медицина и исследования поверхности планеты (включая полезные ископаемые). Ключевыми достоинствами новой технологии стали простота, надёжность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, а недостатками – немалая цена и низкая эффективность (прежние 5%). Примерный расчёт целесообразности применения новых материалов:

  1. В присутствии воздуха полагается задуматься об углеводородных ресурсах.
  2. На движущихся объектах в первую очередь экономят место. При этом энергетическая плотность жидкого топлива в 50 раз выше свинцовых аккумуляторов или батареек.
  3. Следовательно, при эффективности термоэлектрических полупроводников выше 2% их применение становится оправданным. А нефть потихоньку выгорает, снижая общую массу объекта.

В отдельных случаях подогрев термоэлектрического генератора удаётся вести радиоактивными изотопами, открывая новые горизонты. Подобный источник использовался на Вояжере (1977 год) и проработал свыше 17 лет. С удорожанием нефти (кризис 1973 года) правительство США обратило внимание на новые источники энергии: отходы сливных вод мощных предприятий, содержащие огромные потенциальные возможности. В ходе исследований затрагивались интереснейшие вещи: сверхпроводимость полупроводников при относительно высоких температурах (150 – 170 К) для улучшения свойств термопар. Потом усилия сосредоточились на доведении до кондиции элементной базы из германия и кремния.

Открытые сегодня термоэлектрические материалы делятся условно на три группы по рабочей температуре:

  1. Теллурид висмута и сплавы демонстрируют наилучшие показатели качества в области 450 К.
  2. Теллуриды свинца и сплавы обнаруживают пониженные показатели, но работают при температурах 1000 – 1300 К.
  3. Наконец, композиции кремния и германия обладают низкой эффективностью, но хорошо отработанной технологией изготовления. Работают при температурах 1000 – 1300 К.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года характеризуется сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Строгость обусловлена фактом: прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора стоит ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния на выходное напряжение. Отдельные авторы предполагают большие флуктуации, но по тексту уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. В отсутствии электричества оно получается в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями либо оставались без названия. Рекламка говорит: когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции в любой точке мира. Такие времена: доза каменного угля, и новости всегда рядом.

Этот термоэлектрический генератор представляет блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не даст большое напряжение, но, набрав побольше соединений проводов, остаётся возможность получить удовлетворительный результат.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Прогревая приёмник, достигается напряжение до 40 мВ. Если включить последовательно 50 термопар, образуется 2 В, чего хватит для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Истинный друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

XXI век

Приятная новость! В 2005 году Джейсон Хопкинс доказал, что КПД термоэлектрического генератора способен приблизиться к идеальному. Нас ждут новинки в этой области.

практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар

вопрос:
Можно ли получать электричество от термомодулей Пельтье?

Thermoelectric generator of electrical current: Peltier modules or Thermocouples?

Конструкция термоэлементов, принцип работы, технические полезности — Конструкция и работа термоэлемента Пельтье.

Рассказы про то, что термоэлектрические модули Пельтье (Peltier modules) генерируют электрический ток — сильно преувеличены.
Реальность выработки электричества полупроводниковыми Пельтье модулями намного труднее.

0. Вольтаж металлических термопар имеет порядок десятков микровольт (не милливольт!) на градус Кельвина, а вольтаж элементов Пельтье (полупроводники) — десятки милливольт на градус

Например, популярная хромель-константановая термопара (thermocouple type E, chromel-constantan, ТХКн — на кириллице) дает напряжение 68 µV/°C.
То есть, 1 термопара — контакт при разнице температур горячего и холодного спаев в 1000 градусов Цельсия даст всего 68 милливольт напряжения.

Вольтаж полупроводниковых термомодулей больше, чем у термопар:
Например, Пельтье-модуль TEG1-12611-6.0 имеет около 0,032 вольт/градус **.
Модуль — это сборка из полупроводниковых кристаллов, например, сборка из 128 микроэлементов-полупроводников, включенных последовательно.
Или термомодуль TEC1-12706 (в режиме холодильника — максимальная потребляемая мощность 92 ватта; в режиме генерации напряжения ни вольт/градусы, ни мощность не нормированы). В реальности модуль TEC1-12706 при разнице температур между холодной и горячей сторонами в около 20 градусов C выдает напряжение 0,5 вольта, при температуре холодной стороны керамики в 22 градуса Ц — 0,017 вольт/градус.

* Здесь указаны градус на вольты при разомкнутой цепи термоэлементов, при нулевом токе и нулевой генерируемой электрической мощности.

Но зато термопары способны работать и при 1800 °C, чего нельзя сказать про полупроводниковые термомодули. Зато вольтаж у термомодулей выше!
Разброс параметров по напряжению/температуре у полупроводниковых сборок составляет около +-40%. Все кристаллы полупроводники такие — точность достигается выбраковкой продукции.

** Зависимость температура/напряжение у термопар и тем более полупроводниковых термопар является немного нелинейной.

1. Полупроводниковые модули Пельтье имеют малую теплостойкость, обычно ограниченную примерно 150 градусами, и маленькую допустимую разность рабочей температуры между горячей и холодной сторонами — часто менее 100 градусов температурного градиента

Термогенераторы-охладители Пельтье чаще собираются на керамических платах — две пластины с медными дорожками, между которыми организуются спаи с полупроводником. Понятно, что при высокой температуре полупроводниковые кристаллы ускоренно деградируют, а при изменениях разницы температур между пластинами — сторонами элемента Пелтие — возникают механические напряжения, через спаи с полупроводниками.

2. Модули Пельтье имеют высокую теплопроводность

Обратимость эффекта Зеебека (Peltier — Seebeck and Thomson thermoelectric effect):
При разнице температур между холодным и горячим спаями (сторонами термоэлемента) возникает разница электрических потенциалов.
И наоборот, при протекании электрического тока одна сторона термомодуля нагревается, вторая сторона охлаждается.

Но!
Термомодули Пельтье имеют высокую теплопроводность — энергия теплового потока через термо-элементы обычно превышает более, чем в 10 раз генерируемую электрическую мощность.
(Причина — в конструкции термомодулей — см. выше. Если бы «половинки» кристаллов в термомодуле находились на гибких проводниках между собой, а жесткий спай только к одной плате-пластине, то температурный диапазон, долговечность «вечных» модулей Пельтье была бы намного выше, а теплопроводность — ниже.)

Например, TEG1-12611-6.0 при hot side temperature 300 C и cold side temperarure 30 C при согласованной нагрузке имеет тепловой поток 365 ватт, а выходную электрическую мощность 14,6 ватт.

Этот КПД полупроводниковых термоэлектрических модулей как источников тока 3-5% является типичным.

Достижения термоэлектричества и КПД

термоэлектрический генератор постоянного тока
thermoelectric-generator.com/products/teg-thermoelectric-power-generators-for-sale/:
TEG 12 VDC-24 AIR
Max 20 Watt Output
Cost $429

Но 20 ватт это термоэлектрическое устройство из 8 модулей Пельтье и электронного стабилизатора дает примерно при температуре 400 °C.

Таким образом, модули Пельтье, изготовленные как впаянные полупроводниковые кристаллы между керамическими пластинами, являются в 25 раз больше теплообменниками (на примере TEG1-12611-6.0), чем электрическими генераторами термоэлектричества.

Из чего я делаю вывод: использовать модули Пельтье в самодоме по прямому назначению, для теплопередачи. А электричество — как побочный продукт. В этом случае коэффициент полезного действия пп-термомодулей достигает почти 100 процентов. Подробно — читайте статью в Самодоме «Полупроводниковые термоэлементы как жидкостные теплообменники, попутно дающие электроэнергию».

Отсутствие в электрическом термогенераторе:
движущихся частей
высоких температур
бесшумность, отсутствие вибрации
является огромным плюсом,
но высокая цена ватта является не менее огромным минусом.
Но при низкой температуре и низкой разнице температур между горячей и холодной сторонами термоэлемента, и их постоянстве, время эксплуатации термомодуля стремится к бесконечности, следовательно, себестоимость термоэлектрического электричества стремится к нулю.
При условии бесплатного тепла и холода — тепловой энергии.

А этого добра (бесплатной тепловой энергии) есть вокруг самодома… очень много. (см. иллюстрацию-схему www.envirociety.org)

Отмечу, что эффективный теплообмен с пластинами-сторонами термоэлектрических модулей на практике возможен только с принудительной циркуляцией жидкости — тепло-холод носителя, то есть работа термоэлектрических модулей все-таки сопряжена с механикой — ротором циркуляционного насоса.

И еще о КПД:
Максимальную мощность термомодуль Пельтье дает, естественно, на согласованной нагрузке.
(В омическом упрощении с абстракцией «постоянный ток» максимальная полезная мощность на нагрузке выделяется тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению электрического генератора, а сопротивление подводящих проводов стремится к нулю. Этот максимум и есть согласованнная нагрузка.)
Согласованная нагрузка термоэлемента — немного сложнее, ибо само понятие постоянное омическое сопротивление является неприменимым к термозависимым полупроводникам.

В Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0 приведен график напряжения и электрической мощности модуля термогенератора:
(сайт thermoelectric-generator.com)
Классический «горб» по закону Ома, но немного «кривой» из-за термоэффектов.
(график «Output Voltage (V) — Output Power (W)»)
Обратите внимание: при температуре холодной стороны термомодуля 30 градусов Ц и температуре горячей стороны термомодуля 300 градусов Ц.

На примере канадского «печного» термоэлектрического электрогенератора TEG 12 VDC-24 AIR видно, что 1 ватт термоэлектричества стоит 21,45 доллара, при 400 градусах Ц.

Кстати, термоэлектрический генератор может оказаться прекрасным дополнением к каминной и печной трубам, если отвод тепла с холодной стороны термоэлементов делать в воздух около пола — вниз, и подальше от печки.
См: stove.netnotebook.net — Каминные и печные работы.
(Печь или камин с водяной рубашкой «в СССР» называют котлом.)

Термоэлементы:
Китайская потребляемая мощность термоэлектрического холодильника никак не равна генерируемой электрической мощностью термоэлектрического генератора. Соотношение примерно 7:1 (потребляемая электрическая мощность : генерируемая электрическая мощность), для современных полупроводниковых модулей.

источники:

(1)
Specifications TEG Module TEG1-12611-6.0
www.Thermoelectric-generator.com

(2)
Собственные измерения параметров термоэлементов

(3)
Обслуживание термопар как средств измерений

 
последние изменения статьи 27сен2013, 01мар2015

Что такое термопара? — Определение, принцип работы, конструкция, преимущества и недостатки

Определение: Термопара — это устройство для измерения температуры. Он используется для измерения температуры в одной конкретной точке. Другими словами, это тип датчика, который используется для измерения температуры в виде электрического тока или ЭДС.

Термопара состоит из двух проволок из разных металлов, сваренных на концах. Сваренная часть создавала стык, где обычно измеряли температуру.Изменение температуры провода вызывает появление напряжения.

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары зависит от трех эффектов.

Обратный эффект — Обратный эффект возникает между двумя разными металлами. Когда тепло подводится к любому из металлов, электроны начинают переходить от горячего металла к холодному. Таким образом, в цепи возникает постоянный ток.

thermocouple-instrument

Короче говоря, — это явление, при котором разница температур между двумя разными металлами вызывает разность потенциалов между ними .Эффект Зее-Бека производит небольшие напряжения на один градус температуры.

Эффект Пельтье — Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. Эффект Пельтье утверждает, что разница температур может быть создана между любыми двумя разными проводниками путем приложения разности потенциалов между ними.

Эффект Томпсона — Эффект Томпсона утверждает, что , когда два разнородных металла соединяются вместе, и если они создают два соединения, тогда напряжение индуцирует всю длину проводника из-за температурного градиента .Температурный градиент — это физический термин, который показывает направление и скорость изменения температуры в определенном месте.

Конструкция термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы свариваются в месте соединения. Это соединение считается точкой измерения. Точки соединения подразделяются на три типа.

  1. Незаземленный переход — В незаземленном переходе проводники полностью изолированы от защитной оболочки .Используется для работ с высоким давлением. Основное преимущество использования такого типа перехода заключается в том, что он снижает влияние паразитного магнитного поля.
  2. Заземленный переход — В таком переходе металлы и защитная оболочка свариваются друг с другом. Заземленный переход используется для измерения температуры в агрессивной среде. Этот переход обеспечивает устойчивость к шуму.
  3. Открытое соединение — Такой тип соединения используется там, где требуется быстрое срабатывание.Открытый спай используется для измерения температуры газа.

thermocouple-junctions-11 Материал, из которого изготовлена ​​термопара, зависит от диапазона измерения температуры.

Работа термопары

Схема термопары показана на рисунке ниже. Схема состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы соединены вместе таким образом, что создают два соединения. Металлы прикрепляются к стыку посредством сварки.

iron-consonant-thermouple Пусть P и Q — два спая термопар.T 1 и T 2 — температуры на стыках. Поскольку температуры спаев отличаются друг от друга, в цепи генерируется ЭДС.

Если температура в переходе становится равной, в цепи генерируется равная и противоположная ЭДС, и через нее протекает нулевой ток. Если температуры соединения становятся неравными, в цепи возникает разность потенциалов. Величина индукции ЭДС в цепи зависит от типа материала, из которого изготовлена ​​термопара.Полный ток, протекающий по цепи, измеряется измерительными приборами.

ЭДС, наводимая в цепи термопары, определяется уравнением equation-for-thermocouples где Δθ — разница температур между горячим спаем термопары и эталонным спаем термопары.
а, б — постоянные

Измерение выхода термопары

Выходная ЭДС, полученная от термопар, может быть измерена следующими методами.

  1. Мультиметр — это более простой метод измерения выходной ЭДС термопары. Мультиметр подключается к холодным спаям термопары . Прогиб стрелки мультиметра равен току, протекающему через счетчик.
  2. Потенциометр — Выход термопары можно также измерить с помощью потенциометра постоянного тока.
  3. Усилитель с устройствами вывода — Выходной сигнал, получаемый от термопар, усиливается через усилитель и затем подается на регистрирующий или показывающий прибор.

Преимущества термопары

Ниже приведены преимущества термопар.

  1. Термопара дешевле, чем другие приборы для измерения температуры.
  2. Термопара имеет быстрое время отклика.
  3. Имеет широкий температурный диапазон.

Недостатки термопар

  1. Термопара имеет низкую точность.
  2. Повторная калибровка термопары затруднена.

Никелевый сплав, сплав платина / родий, сплав вольфрама / рения, хромель-золото, сплав железа — это названия сплавов, используемых для изготовления термопары.

,

Что такое прибор для термопар? — Определение, принцип и конструкция

Определение: Прибор , в котором использует термопару для измерения температуры , тока и напряжения , такой тип прибора известен как термопарный прибор. Это , используемое для как для измерения переменного, так и постоянного тока .

Термопара — это электрическое устройство, в котором используются два провода из разных металлов.Эта работа основана на том, что тепловая энергия преобразуется в электрическую на стыке, который сделан из разных металлов.

thermocouple-definition

Ток, величина которого используется для измерения, проходит через спай термопары. Ток вызывает тепло в нагревательном элементе, а термопара создает электродвижущую силу на выходных клеммах. Эта ЭДС измеряется прибором PMMC. Величина ЭДС пропорциональна температуре и действующему значению тока.

Самым значительным преимуществом термопары является то, что он используется для высокочастотного измерения тока и напряжения. Инструмент более точен для частоты выше 50 Гц.

Принцип действия термоэлектрического прибора

Цепь, в которой генерируется термоэдс, сделана из двух разнородных металлов. Температура на их стыке записывается как

thermocouple-equation-1

Где a и b постоянны, и их значение зависит от свойств металла, используемого в термопаре.Приблизительное значение a составляет от 40 до 50 микровольт, а b — от нескольких десятых до сотен микровольт / C 2 .

Пусть = Δθ разность температур горячего и холодного спая. Таким образом, их температура выражается как

thermocouple-equation-2

Нагреватель производит тепло, которое прямо пропорционально I 2 R. Где I — действующее значение тока, а R — сопротивление нагревательного элемента. Повышение температуры пропорционально теплу, выделяемому нагревательным элементом.

thermocouple-equation-3

Термопара имеет два спая: холодный и горячий. Разница между этими двумя соединениями выражается как

thermocouple-equation-2

Значение b очень мало по сравнению с a, поэтому им пренебрегают. Температура на стыке выражается как

thermocouple-equation-6

Отклонение прибора PMMC прямо пропорционально индукции ЭДС на клеммах. Отклонение инструментов с подвижной катушкой выражается как

thermocouple-equation-5

Где K 3 — aK 1 K 2 R = постоянная.

Прибор показывает квадратичный ответ.

Конструкция термоэлектрического прибора

Термоэлектрический элемент и индикаторный прибор являются двумя основными частями термоэлектрического прибора.

Термоэлементы

В приборе для термопар используются четыре типа термоэлектрических элементов. Их типы подробно описаны ниже.

1. Тип контакта — Элемент контактного типа использует отдельный нагреватель.Спай термопары контактирует с нагревателем, показанным на рисунке ниже.

thermo-electric-element

Электрический нагревательный элемент используется для следующих целей.

  1. Нагревательный элемент преобразует электрическую энергию в тепловую.
  2. Тепловая энергия преобразуется в тепловую с помощью эффекта Зеебека.
  3. Выходная клемма термопары подключена к прибору PMMC. Наименьшее количество электроэнергии используется для отклонения стрелки инструмента PMMC, и эта энергия сохраняется в пружине инструмента.

2. Прибор бесконтактного типа — В этом приборе нет электрического контакта между нагревательным элементом и термопарой. Он отделен электроизоляцией. Изоляция делает систему менее чувствительной и медленной по сравнению с приборами контактного типа.

3. Вакуумный термоэлемент — В приборе с вакуумной трубкой нагреватель и термопара помещены в вакуумированную стеклянную трубку. Эта вакуумная трубка увеличивает эффективность инструментов, поскольку нагреватель остается горячим в течение длительного времени.

vacuum-type-thermo-element

4. Мостовой тип — В приборе мостового типа ток напрямую проходит через термопары и повышает их температуру. Температура термопары прямо пропорциональна действующему значению тока.

bridge-type-thermocouple-instrument

Преимущества термоэлектрического прибора

Ниже приведены преимущества термоэлектрического прибора.

  1. Он напрямую указывает среднеквадратичное значение напряжения и тока на осциллограмме.
  2. Прибор такого типа не подвержен влиянию паразитного магнитного поля.
  3. Термоэлектрический элемент используется для измерения тока в широком диапазоне.
  4. Прибор имеет высокую чувствительность.
  5. Используется для калибровки потенциометра с помощью стандартной ячейки.
  6. Термический элемент не имеет погрешности по частоте и, следовательно, используется в самом широком диапазоне частот.

Недостатки термоэлектрического прибора

Единственным недостатком термоэлектрического прибора является меньшая перегрузочная способность по сравнению с другим элементом.

,

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Термопара , подключенная к мультиметру, отображающая комнатную температуру в ° C

Термопара , сокращенно TC, представляет собой устройство, которое преобразует тепло непосредственно в электричество. Термопара также может работать в обратном направлении — используя электрический ток для преобразования в тепло, а также в холод.

Представьте, что на одном конце соединены два провода из разных металлов. Если место соединения двух проводов нагревается, через провод будет протекать электричество.

Электроны при нагревании начнут самостоятельно пересекать переход. Из-за различных свойств разных металлов электроны будут терять потенциальную энергию и приобретать кинетическую энергию, как мяч, катящийся по холму в более низкую область. Хотя напряжение, создаваемое термопарой, очень мало (в диапазоне милливольт), многие термопары можно соединить вместе, чтобы получить большее напряжение. Это называется термобатареей.

Термопары вырабатывают электроэнергию не только из тепла.Они также могут вырабатывать тепло от электричества и даже холод от электричества, как холодильник. Если два разных провода подключены к обоим концам, и какой-то источник напряжения пропускает ток через петлю, одно соединение станет горячим, а другое — холодным. Электроны в горячем спайе приобретают кинетическую энергию, когда они пересекают переход. Вот почему они нагревают металл. Электроны на холодном спайе теряют кинетическую энергию, когда пересекают переход. Вот почему они делают стык холодным.

Интересно, что трудно точно измерить напряжение, которое создает термопара, когда к ее спайу прикладывается тепло. Это связано с тем, что любые провода вольтметра, которые подключены к термопаре, вероятно, будут сделаны из другого материала, чем провода термопары. Это означает, что соединение между вольтметром и термопарой само по себе является другой термопарой. Инженеры, разрабатывающие микрочипы, сталкиваются с проблемой, что практически каждое электрическое соединение на микрочипе представляет собой термопару, хотят они этого или нет.

Газовые обогреватели с запальным пламенем — один из самых известных примеров использования термопар. Термопары уложены друг на друга, образуя термобатарею, которая может генерировать достаточно напряжения из тепла пилотного пламени, чтобы держать газовый клапан открытым, который, в свою очередь, подает газ для пилотного пламени. Если газ заканчивается, пламя гаснет, и напряжение на термобатареи падает, что приводит к закрытию электрического газового клапана. Многие космические зонды получают электроэнергию от термопары в радиоизотопном термоэлектрическом генераторе.

Термопары также используются и в других целях. Например, они контролируют температуру в кондиционерах и холодильниках, а также процессоры в компьютерах, которые могут быть повреждены из-за перегрева.

Существуют сотни термопар, но только 8 из них стандартизированы на международном уровне.
Тип E (хромель-константан), тип J (железо-константан), тип N (никросил-нисил), тип T (медь-константан) и тип K (хромель-алюмель) являются неблагородными металлами. В термопарах
типов B, R и S используется платина или платина-родий.

,

Эффект Зеебека: превратите тепло в электричество, а затем измерьте его с помощью термометра-термопары

Области науки Электричество и электроника
Сложность
Требуемое время Короткая (2-5 дней)
Предварительные требования Понимание или готовность изучить концепции температуры, тепла, электрического тока, электрического потенциала и различные теории моделирования электрических проводников.
Наличие материалов Легко доступны.
Стоимость Низкая (20–50 долларов)
Безопасность Нет проблем.

Абстрактные

Всем известно, что электричество может создавать тепло, особенно потому, что наши электрические приборы имеют свойство нагреваться при включении.Но разве не было бы круто сделать наоборот — вырабатывать электричество из тепла? В этом научном проекте вы изучите, почему это происходит, измерите эффект, а затем воспользуетесь этим явлением для создания своего собственного устройства, термометра с термопарой, которое позволит вам преобразовывать тепло в электрическую энергию.

Объектив

Изучите термоэлектричество, в частности явление, называемое эффектом Зеебека, чтобы определить электрический потенциал, генерируемый на стыке проводов, сделанных из различных проводящих материалов, и его изменение в зависимости от температуры.

Поделитесь своей историей с друзьями по науке!

Да,
Я сделал этот проект!

Пожалуйста, войдите в систему (или создайте бесплатную учетную запись), чтобы сообщить нам, как все прошло.

Планируете ли вы сделать проект от Science Buddies?

Вернитесь и расскажите нам о своем проекте, используя ссылку «Я сделал этот проект» для выбранного вами проекта.

Вы найдете ссылку «Я сделал этот проект» на каждом проекте на веб-сайте Science Buddies, так что не забудьте поделиться своей историей!

Кредиты

Сабина де Брабандере, доктор философии.D., Друзья науки

Венделл Виггинс, волонтер Science Buddies

Цитируйте эту страницу

Здесь представлена ​​общая информация о цитировании. Обязательно проверьте форматирование, включая использование заглавных букв, для метода, который вы используете, и обновите цитату по мере необходимости.

MLA Стиль

Сотрудники Science Buddies.

«Эффект Зеебека: превратите тепло в электричество, а затем измерьте его с помощью термометра термопары». Друзья науки ,
23 июня 2020,
https: // WWW.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p072/electricity-electronics/measure-seebeck-effect-with-a-thermocouple-thermometer.
По состоянию на 15 августа 2020 г.

APA Style

Сотрудники Science Buddies.

(2020, 23 июня).
Эффект Зеебека: превратите тепло в электричество, а затем измерьте его термометром с термопарой.
Полученное из
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Elec_p072/electricity-electronics/measure-seebeck-effect-with-a-thermocouple-thermometer

Дата последнего редактирования: 2020-06-23

Введение

Человечество знает примерно единиц тепловой энергии на дольше, чем большинство других видов энергии.На протяжении веков люди довольно легко создавали тепловую энергию как конечный продукт или побочный продукт других процессов производства энергии. Подумайте о пожаре, при котором химическая энергия преобразуется в тепловую энергию, или о трении, когда механическая энергия преобразуется в тепло, и о джоулевом нагреве, при котором часть электрической энергии рассеивается в виде тепла. Можем ли мы обратить эти процессы вспять? Не все из них, но в 1821 году Томас Иоганн Зеебек открыл, как преобразовать тепловую энергию в электрическую, и именно этим мы и займемся в этом научном проекте.

Поскольку преобразование тепла в электричество довольно необычно, убедитесь, что вы понимаете некоторые фундаментальные аспекты физики, прежде чем углубляться в эту тему. Вы чувствуете себя уверенно, отвечая на следующие вопросы?

  • Что такое тепловая (или тепловая энергия) и как она соотносится с температурой ?
  • Что такое электрический ток и как он протекает через электрический провод ?
  • Что такое разность электрических потенциалов и как она измеряется?

Для концепций, в которых вы не уверены, проведите небольшое исследование.Вам нужно будет знать эти концепции, чтобы понять, что происходит в вашем проекте. Проверьте свои учебники, местные библиотеки и просмотрите библиографию для некоторых предлагаемых учебных материалов. Вы также можете узнать больше об основах электричества в Руководстве по электричеству, магнетизму и электромагнетизму.

Ваше предварительное исследование должно было помочь вам визуализировать электроны, свободно перемещающиеся в пространствах между атомами электрического проводника. Рассмотрим эти электроны с другой стороны, в которой мы не показываем отдельные атомы проводника, а скорее рассматриваем общую среду, которую эти атомы создают.Атомный каркас проводника взаимодействует с свободными электронами , давая им среднюю энергию. Несмотря на то, что они могут свободно перемещаться внутри проводника, их электрический заряд по-прежнему удерживается электрическими силами каркаса. Подобно тому, как вас тянет вниз чистое гравитационное поле Земли без заметного вклада каждой песчинки, электроны удерживаются электрическими силами каркаса проводника без заметного вклада со стороны каждого отдельного атома.

Величина притяжения электрона к каркасу варьируется от одного проводника к другому, измеряется полной энергией притяжения каждого электрона и сохраняется как потенциальная энергия. Некоторые проводники крепко удерживают свои свободные электроны; это как если бы электрон находится в глубокой впадине, и электрону требуется много энергии, чтобы преодолеть ее наклон и освободиться от силы притяжения проводника. Другие проводники удерживают электроны менее плотно, как будто электроны находятся в более мелкой долине.Энергия на один электрон, необходимая для того, чтобы полностью вытащить электрон из проводника (или через наклон), называется его работой выхода .

Теперь давайте манипулируем нашим проводником (-ами) двумя способами и наблюдаем, что происходит с этой потенциальной энергией.

Поскольку наша цель — преобразовать тепловую энергию в электрическую, давайте добавим немного тепловой энергии, нагревая один конец электрического проводника, и посмотрим, что произойдет. Тепло заставит свободные электроны двигаться быстрее, а это означает, что им будет легче избежать сил притяжения проводника.Другими словами, повышение температуры проводника снижает работу выхода. Если мы сможем сохранить разницу температур в проводнике, свободные электроны на теплом конце будут скатываться вниз по наклону энергии к более холодному концу, где они удерживаются более сильным притяжением к положительной структуре. Передача создает скопление отрицательно заряженных электронов на более холодном конце и, следовательно, разность электрических потенциалов (ΔV) на проводнике. Как только достаточное количество электронов скатывается вниз по энергетическому холму, создаваемая ими разность электрических потенциалов противодействует любым электронам, спускающимся по холму, что приводит к равновесию.

Образование разности электрических потенциалов в результате разницы температур в проводнике — это именно то, что Зеебек открыл в 1821 году. Он называется эффектом Зеебека , измеряется коэффициентом Зеебека или S и определяется по следующей формуле:

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

S — это мера разности электрических потенциалов, наведенной на проводник разностью температур в один градус для конкретного проводника при определенной температуре.Этот эффект не зависит от температуры, поэтому коэффициент Зеебека зависит от температуры. Обычно это выражается в
микровольт на градус кельвина (мкВ / ° K).

Ранее мы упоминали электроны, движущиеся внутри проводника. Так мы просто создали ток, нагревая один конец проводника? Превратили ли мы тепловую энергию в электрическую? Да, эффект Зеебека выражает то, как разница температур, создаваемая добавлением тепловой энергии к одному концу проводника, создает разность потенциалов (или электрическую энергию) на проводнике.Достаточно ли этого, чтобы сделать такой прибор, как термометр, на основе эффекта Зеебека? Вернитесь к этому вопросу позже; Давайте сначала обсудим, как мы будем измерять эффект.

Чтобы измерить разность электрических потенциалов (или созданную электрическую энергию), нам нужно включить в цепь вольтметр — это создаст соединения (или переходы) между проводниками. Давайте сначала посмотрим, что происходит со средней свободной энергией на электрон, когда мы соединяем проводники вместе. На рис. 1 показана свободная энергия, приходящаяся на один электрон на контакте или переходе между двумя проводниками с разными функциями выхода.Есть идеи, что произойдет?

Рисунок 1.
Средняя энергия свободных электронов зависит от материала их хозяина. Внутри проводящих металлов электроны имеют более низкую свободную энергию на электрон, чем в свободном пространстве, потому что часть энергии сохраняется в виде потенциальной энергии из-за притяжения основной атомной основы. Электроны могут иметь разную среднюю свободную энергию в разных металлах. На этом рисунке показана средняя свободная энергия, приходящаяся на один электрон на стыке двух металлов.

Когда образуется такой контакт, некоторые электроны в проводнике 2 (проводник, в котором электроны менее прочно связаны — Металл 2 на Рисунке 1) будут «катиться вниз по склону» к проводнику 1, потому что их средняя свободная энергия там ниже. ; Другими словами, они ощущают большее притяжение каркасом проводника 1. Переключающиеся электроны вносят избыточный отрицательный электрический заряд в проводник 1, который можно измерить как разность электрических потенциалов на переходе.Как только достаточное количество электронов переместится в проводник 1, электрический потенциал, который они создают, предотвращает дальнейшее движение электронов вниз по склону, что приводит к равновесию .

А теперь — вернемся к теплу. Что произойдет, если мы повысим температуру перехода? Будет ли у большего количества электронов теперь достаточно энергии, чтобы пересечь энергетический холм и скатиться вниз, создавая большую разницу электрических потенциалов? В большинстве случаев да! А сколько еще электронов перекатывается (или какой электрический потенциал создается) зависит от разницы между коэффициентами Зеебека проводников в переходе.

Вы видите, как все это связано, как мы можем преобразовать тепло в электричество? Добавление или отвод тепла от проводящего перехода изменит его температуру, что приведет к перераспределению электронов и вызовет небольшое, но измеримое изменение разности электрических потенциалов на стыке.

Отлично — так что мы можем с этим сделать? Как мы можем это применить? Одно из распространенных применений эффекта Зеебека — термопары . Эти термометры измеряют разность потенциалов на стыке для расчета температуры на стыке.Спай (или соединение между двумя проводниками) в этих устройствах называется термопарой . Давайте рассмотрим эффект Зеебека более подробно, сделав термометр самостоятельно, сначала в теории, а затем на практике.

Для создания термометра нам понадобится измерительный зонд. Зонд — это устройство, в котором два разных металла соединяются вместе и зависят от температуры окружающей среды. Как отмечалось ранее, индуцированная разность электрических потенциалов, создаваемая на зонде, будет зависеть от используемых материалов.В этом научном проекте вы будете использовать зонд коммерческой термопары в качестве датчика. В качестве продолжения вы можете изучить различные проводники или полупроводники.

Во-вторых, нам нужно создать устройство для измерения разности электрических потенциалов на зонде, потому что измеренная разность электрических потенциалов будет индикатором температуры зонда. На рисунке 2 показана установка для измерения разности электрических потенциалов.

Спай термопары соединяет провода термопары из алюминия и железа.Оба этих вывода затем подключаются к соединениям при комнатной температуре, которые подключаются к медным разъемам, вставленным в вольтметр.

Рисунок 2.
На рисунке показано, как соединение двух разных металлов, в данном случае алюминия (Al) и железа (Fe), может быть соединено с вольтметром, чтобы сформировать термометр с термопарой. В этом примере разъемы вольтметра изготовлены из меди (Cu). Чтобы использовать термометр с термопарой, вольтметр и его соединения должны поддерживаться при известной температуре (здесь комнатная температура).Температура на стыке термопары зонда — это неизвестная температура, которую необходимо измерить.

Будет ли выход вольтметра (именуемый

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

) быть такой же, как разность потенциалов на стыке? Или нам нужно добавить больше терминов, поскольку в цикл добавлено больше стыков? Наблюдаемая вольтметром разность потенциалов представляет собой сумму потенциалов, создаваемых соединениями металлов. Мы считаем, что электрический потенциал вне металлов равен нулю, поэтому, складывая потенциалы, мы считаем их положительными при входе в металл и отрицательными при выходе из металла.Начиная с левого контакта измерителя, сумма вокруг контура (при условии, что неизвестная температура равна 100 ° C) на рисунке 2, тогда будет:

Уравнение 1.

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Нижний индекс обозначает тип металла, а число в скобках обозначает температуру. Вы видите, какие условия отменяются? Перестановка других терминов обеспечивает:

Уравнение 2.

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

Читая уравнения, вы можете увидеть, как наблюдаемый электрический потенциал в
вольтметр (

[Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

) зависит от того, насколько потенциал в каждом металле изменяется с температурой и от используемых металлов?

Отлично, но как мне перевести значение электрического потенциала на моем вольтметре в температуру? Это довольно просто: так же, как жидкостной термометр использует измерение того, насколько жидкость расширяется при заданном изменении температуры, чтобы преобразовать измерение объема в измерение температуры, термометр термопары использует ожидаемое изменение электрического потенциала на стыке для данного изменения температуры. для перевода измеренного электрического потенциала в значение температуры.Так же, как нам нужно откалибровать наш жидкостной термометр (например, указать объем для температуры 0 ° C), нам потребуется откалибровать термометр термопары (например, показание электрического потенциала для 0 ° C). Термометр с термопарой немного сложнее, чем жидкостной термометр, потому что ожидаемый электрический потенциал на стыке не изменяется линейно с температурой. По этой причине необходимы списки данных электрических потенциалов перехода для набора температур. Эти списки были опубликованы для различных коммерчески используемых металлов термопар; пример термопар типа K можно найти в
Паспорт термопары типа К.

Звучит сложно? Может быть. Но продолжайте, следуйте инструкциям, и все станет на свои места.

Термины и понятия

  • Тепловая энергия
  • Тепло
  • Температура
  • Электрический ток
  • Электропроводник
  • Разность электрических потенциалов
  • Эффект Зеебека
  • Коэффициент Зеебека
  • Термометр термопарный
  • Термопара

Вопросы

  • Что означает отрицательный коэффициент Зеебека?
  • Если два металла образуют зонд термопары, подходящий для термометра термопары, должны ли они иметь существенно разную работу выхода или сильно различающийся коэффициент Зеебека, или и то, и другое?
  • Каковы некоторые применения эффекта Зеебека? Если я никогда не вижу приложение, почему мне важно о нем узнать?
  • Какие характеристики термопарного термометра могут сделать его интересным для использования в приложениях? Вот некоторые вещи, о которых стоит подумать:
    1. Точность
    2. Способность измерять температуру газа, жидкости и / или твердых тел
    3. Время реакции (как быстро можно получить точное измерение)

Библиография

Следующий сайт — хорошее место, чтобы освежить свои знания по теплофизике и электричеству:

  • Хендерсон Т.(Н.о.). Physics.Topics Урок физики. Проверено 23 октября 2012.
  • .

  • Лаубе, П. (19 сентября 2012 г.). Основы: проводники, полупроводники, изоляторы. Полупроводниковые технологии от А до Я. Проверено 23 октября 2012 г.,
  • Winder, E.J., A.B. Эллис и Г. Лисенский (1996, октябрь). Термоэлектрические устройства: твердотельные холодильники и электрогенераторы в учебных классах. Журнал химического образования, вып. 73, нет. 10. Получено 23 октября 2012 г., из
    / Научно-Фаир-проекты / project_ideas / Phys_p070.pdf
  • Яррис, Л. (февраль 2007 г.). Измерение эффекта Зеебека. Science @ Berkeley Lab. Проверено 31 октября 2012 г..

Лента новостей по этой теме

An aluminum and iron thermocouple are both connected to a voltmeter and a thermocouple junction

Примечание: Компьютерный алгоритм сопоставления предлагает указанные выше статьи. Это не так умно, как вы, и иногда может давать юмористические, смешные или даже раздражающие результаты! Узнать больше о ленте новостей

Методика эксперимента

Примечание перед началом: Этот проект научной ярмарки требует подключения
одно или несколько устройств в электрической цепи.Базовую помощь можно найти в
Электроника Праймер. Однако, если у вас нет опыта сборки
электрические схемы, возможно, вам будет полезно иметь кого-то, кто сможет ответить на вопросы
и поможет устранить неполадки, если ваш проект не работает. Учитель естествознания или родитель
может быть хорошим ресурсом. Если вам нужно найти другого наставника, попробуйте найти кого-то, у кого есть хобби, например, робототехника, электроника или сборка и ремонт компьютеров. Возможно, вам также придется продвигаться к этому проекту, начав с проекта электроники, который имеет более низкий уровень сложности.

Сделать термометр для термопары

В этом научном проекте голый штекер термопары будет заменен двумя банановыми штекерами или контактами разъема. (Обратите внимание, что в следующем тексте вы можете заменить любую ссылку на банановый штекер на контактный разъем , если в вашем мультиметре используются контакты). Это обеспечит прямое соединение между щупом и мультиметром. В качестве дополнительного примечания можно использовать разъемы (например, зажимы типа «крокодил») для подключения выходных лезвий термопары к мультиметру.В этом научном проекте такие разъемы намеренно не используются, чтобы обеспечить более точные показания.

  1. Используйте кусачки, чтобы отрезать штекер термопары рядом с штекером, и выбросьте штекер. Сделайте разрез близко к вилке, так как провод должен быть достаточно длинным. Зачем? Зонд (или один конец провода) должен находиться в месте, где можно измерить неизвестную температуру (например, в духовке или холодильнике). Измеритель будет прикреплен к другому концу провода и должен иметь комнатную температуру для проведения точных измерений.Более длинный провод сделает счетчик более практичным.
  2. Снимите примерно 1 дюйм покрытия с провода термопары возле разреза. Если вам нужно научиться зачищать провода, см. Учебное пособие по зачистке проводов.
    1. Внешнее покрытие скрепляет два электрических провода, называемых выводами термопары , каждый со своим покрытием, как показано на рис. 3. Снимите внешнее покрытие с помощью приспособлений для зачистки проводов, чтобы увидеть внутренние провода и покрытие.

Рисунок 3.
На этом рисунке показан провод термопары, разделенный на два вывода термопары.

Если на одной или обеих проволоках осталось покрытие, удалите внутреннее покрытие наждачной бумагой. Вырежьте 2-дюймовый квадратный кусок наждачной бумаги и сложите его пополам грубой стороной внутрь этого «бутерброда». Поместите проволоку в складку бутерброда и протрите проволоку взад и вперед между бутербродами, слегка надавливая. Достаточно нескольких мазков, чтобы удалить все оставшееся покрытие.

  1. Присоедините банановую вилку к каждому проводу, убедившись, что есть хорошее электрическое соединение (т.е.е., оголенный провод подключается к проводящей части банановой вилки). На рисунке 4 показана установка для одного конкретного типа банановой пробки.

Рисунок 4.
Выводы термопары прикреплены к банановым пробкам. В этом случае хорошее электрическое соединение было достигнуто путем пропуска провода через отверстие и вокруг банановой пробки обратно в отверстие. Винты удерживают провод на месте и фиксируют соединение.

  1. Вставьте банановые штекеры в мультиметр, чтобы определить разность электрических потенциалов между штекерами.Если вы плохо знакомы с мультиметрами,
    Ресурс Science Buddies «Как пользоваться мультиметром» вместе с руководством к мультиметру поможет вам сделать первые измерения. Обратите внимание, что этот научный проект имеет дело с очень небольшими разностями электрических потенциалов и токами; это безопасное место для экспериментов с вашим глюкометром.
    На рис. 5 показано, как термометр с термопарой будет выглядеть, когда он не используется.

Рисунок 5.
Пример термометра с термопарой, созданного в рамках этого научного проекта, с датчиком термопары, прикрепленным к электрическому мультиметру с банановыми вилками.Мультиметр будет настроен на измерение милливольт (мВ) при использовании. Измеренная разность электрических потенциалов будет переведена в автономную температуру. При использовании в качестве термометра необходимо поддерживать комнатную температуру счетчика и его соединений при известной температуре. Только датчик термопары следует размещать там, где его можно использовать для измерения неизвестной температуры.

Калибровка термопары Термометр

Как и любой термометр, термометр термопары необходимо откалибровать.Он будет измерять электрический потенциал относительно электрического потенциала при комнатной температуре (при условии, что соединения мультиметра находятся при комнатной температуре).

  1. С помощью термометра измерьте температуру в помещении и запишите ее в таблицу данных, например в таблице 1.
Комнатная температура
(° C)
Разница потенциалов комнатной температуры
(ΔV Комната )
мВ
Показания счетчика
(ΔV Всего )
мВ
Разность потенциалов соединения
(ΔV Junc.)
мВ
Температура перехода
(° C)
Измерение Из технического паспорта Измерение Рассчитано:
ΔV Junc = ΔV Итого + ΔV Помещение
Из технического паспорта
Ледяная вода
Кипяток
Духовка
при 250 ° F
Холодильник или морозильник

Таблица 1. Таблица данных, объединяющая все измерения, расчеты и результаты.

  1. Найдите разность термоэлектрических электрических потенциалов для наблюдаемой комнатной температуры для термопары типа K в этом
    Паспорт термопары типа К.
    Обратите внимание на значение в вашей таблице данных. Обратите внимание на знак (отрицательный или положительный)!

Проверка термометра термопары

Теперь, когда вы откалибровали термометр термопары, вы готовы его проверить.

  1. Возьмите стакан, наполните его кубиками льда и водой (желательно кубиками льда небольшого размера).
  2. Вставьте зонд в ледяную воду.
  3. Переведите мультиметр в режим измерения напряжения.
    1. Какой диапазон измерения вы ожидаете? Микровольт (мкВ), милливольт (мВ) или вольт (В)? Обратитесь к паспорту термопары типа K, чтобы получить представление.
    2. Отрегулируйте диапазон измерения вашего мультиметра до ожидаемого диапазона измерения.
  4. Наблюдайте за показаниями счетчика и отметьте значение электрического потенциала для 0 ° Цельсия (температура или ваша смесь воды и льда) в таблице данных,
    колонка

    [Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

    ,

  5. Рассчитайте разность электрических потенциалов перехода (

    [Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

    ).
    Как? Как объяснялось во введении (см. Уравнение 2 на вкладке «Фон»), выполняется следующее равенство (при условии, что соединения счетчика находятся при комнатной температуре):

    [Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

    или

    [Пожалуйста, включите JavaScript для просмотра уравнения]

    Сделайте немного алгебры, и вы на месте.Однако не забудьте обратить внимание на признаки потенциальных различий. Отметьте результат в своей таблице данных.

  6. Найдите, при какой температуре термопара K создает термоэлектрический потенциал, который вы только что вычислили, используя лист данных термопары типа K. Запишите эту температуру в свою таблицу данных.
  7. Наблюдаемая температура ледяной воды соответствует вашим ожиданиям? Если нет, то вот несколько советов, которые помогут понять, что пошло не так:
    1. Вы настроили мультиметр на измерение милливольт (мВ)?
    2. Проверить знаки электрических потенциалов.Как видно из техпаспорта, термоэлектрическая разность потенциалов отрицательна для отрицательных температур и положительна для положительных.
    3. Вернитесь к листу данных и посмотрите, понимаете ли вы, как его читать. Пример: для комнатной температуры 19 ° C вы должны прочитать термоэлектрический потенциал 0,758 мВ с листа.
    4. Проверьте надежность электрического соединения на обоих банановых штекерах.

Измерения с помощью термометра термопары

  1. Измерьте температуру кипящей воды или другой холодной или горячей жидкости, поместив зонд в жидкость.Не забудьте записать свои наблюдения в таблицу данных, такую ​​как Таблица 1.
  2. Измерьте температуру воздуха в холодильнике, морозильной камере или духовке, установленной на 250 ° F. В этих случаях датчик должен находиться в холодильнике, морозильной камере или духовке, в то время как мультиметру и его соединениям требуется поддерживать при комнатной температуре. Помните об ограничениях зонда термопары; покрытие проволоки может расплавиться при очень высоких температурах. Не забудьте записать свои наблюдения в таблицу данных, как в таблице 1.
  3. Перед тем, как начать, еще один совет: не забудьте дать глюкометру прогреться до комнатной температуры и измерять комнатную температуру каждый раз, когда вы переносите глюкометр в другую комнату или начинаете снова в другое время.

Пища для размышлений

Теперь, когда вы знаете, как пользоваться термометром, вот несколько вещей, которые стоит изучить:

  1. Настройте вольтметр на измерение в милливольтах.
  2. Нагрейте банановую пробку пальцем или тканью, смоченной горячей водой.Вы видите чтение? Почему нагрев спая, в котором выводы термопары соединяются с металлом в банановом штекере, вызывает измерение? Это тоже термоэлектрическая пара?
  3. Таким же образом нагрейте вторую банановую пробку. Вы читаете? Если да, то это то же самое? Если нет, то почему бы иначе? Это другая термоэлектрическая пара?

,

Если вам нравится этот проект, возможно, вам понравятся следующие родственные профессии:

Инженер по электротехнике и электронике

Подобно тому, как гончар лепит глину, а сталелитейщик — расплавленную сталь, инженеры-электрики и электронщики собирают и формируют электричество и используют его для изготовления изделий, передающих энергию или информацию.Инженеры-электрики и электронщики могут специализироваться на одном из миллионов продуктов, которые производят или используют электричество, таких как сотовые телефоны, электродвигатели, микроволновые печи, медицинские инструменты, навигационная система авиакомпаний или портативные игры.
Читать далее

Ученый и инженер-материаловед

Что позволяет создавать высокотехнологичные объекты, такие как компьютеры и спортивное снаряжение? Это материалов, внутри этих продуктов.Материаловеды и инженеры разрабатывают материалы, такие как металлы, керамика, полимеры и композиты, которые нужны другим инженерам для их проектов. Материаловеды и инженеры мыслят атомарно (то есть они понимают вещи на наномасштабном уровне), но они проектируют микроскопически (на уровне микроскопа), а их материалы используются макроскопически (на уровне, который может видеть глаз) ). От теплозащитных экранов в космосе, протезов конечностей, полупроводников и солнцезащитных кремов до сноубордов, гоночных автомобилей, жестких дисков и форм для выпечки — материаловеды и инженеры создают материалы, которые делают жизнь лучше.Читать далее

Техник-электрик

Техники-электрики помогают проектировать, тестировать и производить электрическое и электронное оборудование. Эти люди являются частью команды инженеров и ученых-исследователей, которые поддерживают и развивают наш мир высоких технологий.Читать далее

Инженер-энергетик

Как вы думаете, сколько энергии потребляют все дома и здания в Соединенных Штатах? Оказывается, они съедают 40% всей энергии, которую США потребляют за год. Цифра высока, потому что все эти дома и здания необходимо отапливать, охлаждать, освещать, вентилировать и снабжать водой и электричеством с подогревом для работы всех видов электрических устройств, приборов и компьютеров.Инженеры по энергоэффективности помогают снизить потребление энергии в домах и зданиях. Это экономит деньги семей и предприятий и снижает выбросы парниковых газов, которые способствуют глобальному потеплению.
Читать далее

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о