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Termogeneratori: come "saldare" l'elettricità su una stufa a gas
Uno dei forum elettrici ha posto la seguente domanda: "Come posso ottenere l'elettricità usando il normale gas domestico?" Ciò è stato motivato dal fatto che il gas di questo compagno, e in effetti, come molti, è pagato semplicemente da standard senza un contatore.
Indipendentemente da quanto utilizzi, paghi comunque un importo fisso e perché non trasformare il gas già pagato ma inutilizzato in elettricità autonoma? Quindi un nuovo argomento è apparso sul forum, che è stato raccolto dal resto dei partecipanti: una conversazione intima aiuta non solo a ridurre la giornata lavorativa, ma anche a uccidere il tempo libero.
Sono state suggerite molte opzioni. Basta acquistare un generatore di benzina e riempirlo con benzina ottenuta per distillazione di gas domestico, oppure rifare il generatore per lavorare immediatamente sul gas, come un'auto.
Invece di un motore a combustione interna, fu proposto un motore Stirling, noto anche come motore a combustione esterna. Qui ci sono solo un antipasto (quello che ha creato il nuovo tema) che ha richiesto un potere generatore di almeno 1 chilowatt, ma è stato razionalizzato, dicendo che un tale stirling non si adatterebbe nemmeno nella cucina di una piccola sala da pranzo. Inoltre, è importante che il generatore sia silenzioso, altrimenti, bene, tu stesso sai cosa.
Dopo molti suggerimenti, qualcuno ha ricordato di aver visto una foto in un libro che mostrava una lampada a cherosene con un dispositivo a stella multi-raggio per alimentare un ricevitore a transistor. Ma questo sarà discusso un po 'più avanti, ma per ora ...
generatore termoelettrico. Storia e teoria
Per ricevere elettricità direttamente da un bruciatore a gas o altra fonte di calore, vengono utilizzati generatori di calore. Proprio come una termocoppia, il loro principio di funzionamento si basa su Effetto Seebeckaperto nel 1821.
L'effetto menzionato è che in un circuito chiuso di due conduttori diversi appare un emf se le giunzioni dei conduttori sono a temperature diverse. Ad esempio, una giunzione calda è in una nave di acqua bollente e l'altra in una tazza di ghiaccio che si scioglie.
L'effetto deriva dal fatto che l'energia degli elettroni liberi dipende dalla temperatura. In questo caso, gli elettroni iniziano a muoversi dal conduttore, dove hanno un'energia più alta nel conduttore, dove l'energia delle cariche è inferiore. Se una delle giunzioni viene riscaldata più dell'altra, allora la differenza nelle energie delle cariche su di essa è maggiore rispetto a quella fredda. Pertanto, se il circuito è chiuso, si genera una corrente, esattamente la stessa potenza termica.
Approssimativamente l'entità della potenza termica può essere determinata con una semplice formula:
E = α * (T1 - T2). Qui, α è il coefficiente termoelettrico, che dipende solo dai metalli di cui è composta la termocoppia o termocoppia. Il suo valore è solitamente espresso in microvolt per grado.
La differenza di temperatura delle giunzioni in questa formula (T1 - T2): T1 è la temperatura della giunzione calda e T2, rispettivamente, del freddo. La formula sopra è chiaramente illustrata nella Figura 1.
Figura 1. Principio della termocoppia
Questo disegno è classico, può essere trovato in qualsiasi libro di testo di fisica. La figura mostra un anello composto da due conduttori A e B. La giunzione dei conduttori si chiama giunzioni. Come mostrato nella figura, in una giunzione calda T1, la potenza termica ha una direzione dal metallo B al metallo A. A in una giunzione fredda T2 dal metallo A al metallo B. La direzione della potenza termica indicata nella figura è valida nel caso in cui la potenza termica del metallo A sia positiva rispetto al metallo B .
Come determinare la potenza termoelettrica di un metallo
La potenza termoelettrica di un metallo è determinata rispetto al platino. Per questo, una termocoppia, uno dei cui elettrodi è platino (Pt), e l'altro è il metallo di prova, viene riscaldata a 100 gradi centigradi. Il valore in millivolt ottenuto per alcuni metalli è mostrato di seguito.Inoltre, va notato che non cambia solo l'entità della potenza termica, ma anche il suo segno rispetto al platino.
In questo caso, il platino svolge lo stesso ruolo di 0 gradi sulla scala della temperatura e l'intera scala dei valori di potenza termica è la seguente:
Antimonio +4,7, ferro +1,6, cadmio +0,9, zinco +0,75, rame +0,74, oro +0,73, argento +0,71, stagno +0,41, alluminio + 0,38, mercurio 0, platino 0.
Dopo il platino sono i metalli con una potenza termoelettrica negativa:
Cobalto -1,54, nichel -1,64, costante (una lega di rame e nichel) -3,4, bismuto -6,5.
Utilizzando questa scala, è molto semplice determinare il valore della potenza termoelettrica sviluppata da una termocoppia composta da vari metalli. Per fare ciò, è sufficiente calcolare la differenza algebrica nei valori dei metalli di cui sono realizzati i termoelettrodi.
Ad esempio, per una coppia antimonio-bismuto, questo valore sarà +4.7 - (- 6.5) = 11.2 mV. Se si utilizza una coppia ferro-alluminio come elettrodi, questo valore sarà solo +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, che è quasi dieci volte inferiore a quello della prima coppia.
Se la giunzione fredda viene mantenuta a una temperatura costante, ad esempio 0 gradi, la potenza termica della giunzione calda sarà proporzionale alla variazione di temperatura, che viene utilizzata nelle termocoppie.
Come sono stati creati i termogeneratori
Già a metà del XIX secolo, furono fatti numerosi tentativi di creare generatori di calore - dispositivi per la generazione di energia elettrica, ovvero per alimentare vari consumatori. Come tali fonti, si supponeva che usassero batterie di termocoppie collegate in serie. Il design di tale batteria è mostrato nella Figura 2.
Figura 2. Batteria termica, schematica
Il primo batteria termoelettrica creato a metà del XIX secolo dai fisici Oersted e Fourier. Bismuto e antimonio furono usati come termoelettrodi, proprio la stessa coppia di metalli puri con la più alta potenza termoelettrica. Le giunzioni calde sono state riscaldate dai bruciatori a gas, mentre le giunzioni fredde sono state collocate in una nave con ghiaccio.
Negli esperimenti con la termoelettricità, furono successivamente inventati i termopili, adatti per l'uso in alcuni processi tecnologici e persino per l'illuminazione. Un esempio è la batteria Clamone, sviluppata nel 1874, la cui potenza era abbastanza per scopi pratici: ad esempio per la doratura galvanica, nonché per l'uso in tipografie e officine di incisione solare. Più o meno nello stesso periodo, anche lo scienziato Noé fu coinvolto nello studio delle termopili; anche le sue termopili erano piuttosto diffuse all'epoca.
Ma tutti questi esperimenti, sebbene riusciti, furono destinati al fallimento, poiché le termopili create sulla base di termocoppie fatte di metalli puri avevano un'efficienza molto bassa, che ne ostacolava l'applicazione pratica. I fumi puramente metallici hanno un'efficienza di pochi decimi di percento. I materiali a semiconduttore hanno un'efficienza molto maggiore: alcuni ossidi, solfuri e composti intermetallici.
Termocoppie a semiconduttore
Una vera rivoluzione nella creazione di termocoppie è stata fatta dalle opere dell'Accademico A.I. Joffe. All'inizio degli anni '30 del XX secolo, avanzò l'idea che usando i semiconduttori è possibile convertire l'energia termica, incluso il solare, in energia elettrica. Grazie alla ricerca già nel 1940, fu creata una fotocellula a semiconduttore per convertire l'energia della luce solare in energia elettrica.
Prima applicazione pratica termocoppie a semiconduttore dovrebbe essere considerato, apparentemente, un "lanciatore partigiano", che ha permesso di fornire energia ad alcune stazioni radio partigiane portatili.
La base del termogeneratore era costituita da elementi di Constantan e SbZn. La temperatura delle giunzioni fredde è stata stabilizzata dall'acqua bollente, mentre le giunzioni calde sono state riscaldate dalla fiamma di un incendio, mentre è stata assicurata una differenza di temperatura di almeno 250 ... 300 gradi. L'efficienza di un tale dispositivo non era superiore all'1,5 ... 2,0%, ma la potenza per alimentare le stazioni radio era abbastanza.Naturalmente, in quei tempi di guerra, il design del "bowler" era un segreto di stato, e anche ora, il suo design è in discussione su molti forum su Internet.
Generatori di calore domestici
Già negli anni cinquanta del dopoguerra, l'industria sovietica iniziò la produzione generatori termici TGK - 3. Il suo scopo principale era quello di alimentare le radio alimentate a batteria in aree rurali non elettrificate. La potenza del generatore era di 3 W, il che ha permesso di alimentare i ricevitori della batteria, come Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 e alcuni altri.
L'aspetto del termogeneratore TGK-3 è mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Generatore termico TGK-3
Design del generatore termico
Come già accennato, il generatore di calore era destinato all'uso nelle aree rurali, dove veniva utilizzata l'illuminazione lampade a cherosene "lampo". Una tale lampada, dotata di un generatore termico, divenne non solo una fonte di luce, ma anche elettricità.
Allo stesso tempo, non erano richiesti costi di carburante aggiuntivi, perché esattamente quella parte del cherosene che semplicemente volava nel tubo si trasformava in elettricità. Inoltre, un tale generatore era sempre pronto per il funzionamento, il suo design era tale che semplicemente non c'era nulla da irrompere. Il generatore poteva semplicemente giacere inattivo, lavorare senza carico, non aveva paura dei cortocircuiti. La vita del generatore, rispetto alle batterie galvaniche, sembrava semplicemente eterna.
Il ruolo del tubo di scarico della lampada a cherosene "lampo" è svolto dalla parte cilindrica allungata del vetro. Quando si utilizzava la lampada insieme al generatore di calore, il vetro veniva accorciato e al suo interno veniva inserita un'unità di trasferimento termico del metallo 1, come mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Lampada a cherosene con generatore termoelettrico
La parte esterna del trasmettitore di calore ha la forma di un prisma sfaccettato su cui sono montate le termopili. Per aumentare l'efficienza del trasferimento di calore, il trasmettitore di calore all'interno aveva diversi canali longitudinali. Passando attraverso questi canali, i gas caldi sono entrati nel tubo di scarico 3, riscaldando contemporaneamente la termopila, più precisamente, le sue giunzioni calde.
Un radiatore raffreddato ad aria è stato utilizzato per raffreddare le giunzioni fredde. È una nervatura metallica attaccata alle superfici esterne dei blocchi di termopila.
Termogeneratore - TGK3 consisteva in due sezioni indipendenti. Uno di essi ha generato una tensione di 2 V con una corrente di carico fino a 2 A. Questa sezione è stata utilizzata per ottenere la tensione anodica delle lampade mediante un trasduttore di vibrazioni. Un'altra sezione con una tensione di 1,2 V e una corrente di carico di 0,5 A è stata utilizzata per alimentare il filamento delle lampade.
È facile calcolare che la potenza di questo generatore di calore non ha superato i 5 watt, ma è stata sufficiente per il ricevitore, il che ha permesso di illuminare le lunghe serate invernali. Ora, ovviamente, questo sembra ridicolo, ma a quei tempi un tale dispositivo era senza dubbio un miracolo della tecnologia.
Nel 1834, il francese Jean Charles Atanaz Peltier scoprì l'effetto opposto all'effetto Seebick. Il significato della scoperta è che quando la corrente fluisce attraverso la giunzione da materiali diversi (metalli, leghe, semiconduttori), il calore viene rilasciato o assorbito, che dipende dalla direzione della corrente e dai tipi di materiali. Questo è descritto in dettaglio qui: Effetto Peltier: l'effetto magico della corrente elettrica
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