3.1 Преобразование тепла в электричество. Элемент Пельтье.


     Проще всего преобразовать тепловую энергию в механическую, а потом в электричество. Это можно сделать с помощью двигателя Стерлинга, модель которого можно посмореть здесь. Но в нем есть движущиеся части, что во многих случаях неприемлемо.

    Элемент Пельтье (в некотором смысле, полупроводниковый аналог термопары), то же может быть использован для преобразования солнечной энергии в электричество. По жизни, он выглядит как на следующей картинке.

  В данном случае, это полупроводниковый элемент Пельтье, который используется в системе подогрева / охлаждения сидений в автомобиле. Размер – 40 х 40 мм. В машине, к нему "пристегнут" вентилятор, датчик температуры (обычный диод) и два радиатора. Работает следующим образом. Вентилятор постоянно «гонит» воздух через два радиатора, расположенные по обе стороны элемента Пельтье. С одного из них, воздух отводится под сиденье. С другого – выбрасывается наружу. В зависимости от полярности напряжения на элементе Пельтье, под сиденье подается либо горячий, либо охлажденный воздух.

  Обратите внимание на толщину проводов. В автомобиле, этот элемент работает при токах до 15А (средний рабочий ток от 5 до 10 Ампер).

    Но ни это главное. Элемент Пельтье – обратимый. Если одну сторону нагревать, а другую охлаждать, то он вырабатывает электричество. Вопрос сколько?

    Заморачиваться с серьезным испытательным стендом не было ни времени, ни желания. Поэтому, в качестве холодной стороны был выбран радиатор от процессора «Pentium», в качестве горячей – кружка с теплой водой.


  Дальше – без чудес.

  Элемент находится на радиаторе. Остатки теплопроводящей пасты помогают теплообмену.

  Обе стороны – холодные. Ток, соответственно – не вырабатывает.

  Температура радиатора, так же как и температура воздуха – около 10 град. Цельсия.

  Нагрев верхнюю часть элемента Пельте теплом руки, убеждаемся, что ток (хоть и небольшой) течет.


      Ставим чашку с теплой водой (60 - 80 гр.С') на элемент Пельтье и смотрим что получилось.


    Тут выяснились некоторые неприятные моменты. Чашка с водой - не самый хороший источник тепла. Прежде всего, она быстро остывает. В дополнение вода, в середине чашки, быстро расслаивается. То есть, нижний слой воды отдает тепло и охлаждается, а оставшаяся горячая вода находится сверху.

    Что бы сгладить эти неприятные эффекты сделаем следующее. Нагреем воду в чашке, до кипения, поставим на элемент Пельтье и будем помешивать воду для выравнивания температуры.

   На фотографии выше – результат, который удалось получить устойчиво (в течении 5 минут). Напряжение холостого хода 1,4В, ток короткого замыкания (на нагрузке 1 Ом) – 0,5А.

   Разницу температур холодной и горячей стороны элемента Пельтье измерить не так просто. Теплоемкость керамических пластин, верхней и нижней – очень маленькая. Поэтому пришлось использовать бесконтактный термометр, быстро снимать чашку и тут же измерять температуру верхней пластины. Опуская подробности смотрим что получилось (усредненные температуры в серии измерений на фото, ниже).

   Если свести все вместе, то в результате примитивного эксперимента, с элемента Пельтье удалось устойчиво получить не меньше 0,2 Ватт мощности, при разнице температур холодной и горячей стороны около 50 град. Цельия.
 
  Полупроводниковые элементы Пельтье (в данном случае, между керамическими пластинками размером 40х40мм, находятся 64 полупроводниковых элемента) имеют основное ограничение – температурное. Разница температур между холодной и горячей стороной не  может превышать 100 град. Цельсия. Ограничение чисто механическое, связанное с коэффициентом линейного расширения. При превышении этого диапазона элемент механически трескается и восстановить его невозможно. В дополнение, при изготовлении используется припой, с температурой плавления около 150 град. Цельсия ...

    Если в Ваши руки уже попал такой полупроводниковый преобразователь, то с ним надо что то делать. К примеру, сделать зарядку для мобильного телефона. А это значительно проще, чем кажется.
    Необходим приемник тепла, радиатор, который будет отводить тепло и элемент Пельтье, между ними.
    Один из вариантов на фотографии. Рассчитан на работу от горелки с "жидким парафином", но будет работать и от свечек. Простота не мешает этому устройству справляться со своей задачей - производить достаточно энергии для зарядки телефона.
    Более детально о конструкции.

    Промышленный тепловой преобразователь на элементах Пельтье, мне не приходилось держать в руках. А преобразователи напряжения для них – приходилось. Все они рассчитаны на входное напряжение 0,4 – 0,8 Вольт и входной ток – до 300А. Бывают самые разные. От отечественных, на германиевых транзисторах (П210!, работают до сих пор ("на дворе 2012 год!!!")), до особо продвинутых – на полевых, с запуском от литиевых батарей (в основном FUJI "Novel Lithium" и Panasonic "..."). Последние, гарантируют нормальный запуск преобразователя в течении 10 лет.


    Элементы Пельтье - не единственной способ получения дармовой энергии. К примеру светильник, на фото справа, в центре,  растворяет алюминний и вырабатывает электричество. Немного (20 - 80 mW), но долго. Мы говорим о неделе нерперывной работы.
 
     Устройство батареи на основе алюминия и углерода - более, чем простое. В банку из под пива опускается угольный электрод и заливается соленой водой. Бумажная мембрана, между электродами, разделяет  продукты реакции. Устройство можно посмотреть здесь.

     Но вернемся к термопреобразователям.


    При всей простоте, термоэлектрический преобразователь является одним из лучших источников электричества. Он будет работать в любом случае, при наличии разницы температур, конечно. Колебания температур день – ночь, позволяют уверенно получать энергию для работы удаленных датчиков и сенсоров. При преобразовании солнечной энергии приходится прибегать к схеме «солнце, нагрев, тепло в электричество». Но в ряде случаев это решение - достаточно эффективное, так как при нагреве, мы можем «собрать» до 95 процентов солнечной энергии (в отличии от полупроводниковый солнечных батарей, где удается «собрать» не более 15 %).


  Дополнительные материалы.

-  Tellurex. Frequently Asked Questions About Cooling And Heating Technology:  tellurex.com

  Три ссылки о генераторах выпускавшихся серийно.

-  Термоэлектрогенератор ТГК-3 ("Радио",№2 1954г., стр.24).  В.Даниель-Бек, А.Воронин, Н.Рогинская.  Копия этого материала находится здесь: tgk-3.rar )

-  Фотографии термогенератора ТГК-3, на radioscanner.ru

-  Внутренности термоэлектрогенератора ТЭГК-2-2 (поздняя модификация ТГК-3) на сайте mobipower.ru , и повышающего преобразователя к нему на странице сайта oldradio.cqham.ru



20.08.2011  SKootS

_

 
 
Make a Free Website with Yola.