Эффект Зеебека для малой генерации электроэнергии применяется достаточно давно. До появления солнечных батарей это был достаточно распространенный способ получения хотя бы какого-то электропитания. Многие до сих пор помнят так называемый «партизанский» котелок. При помощи такого котелка можно было питать радиостанцию. Котелок с водой устанавливался на костре. Внутри днища котелка были установлены термопары. За счет теплового потока от огня к воде через термопары пользователь получал электрический ток.
Современный аналог «партизанского» котелка:
Термоэлектрический «партизанский» котелок
Широко применялись в свое время и керосиновые лампы с аналогичным эффектом электрической мощностью около 5 Вт.
Керосиновая лампа с установленным на нее термоэлектрическим генератором:
Керосиновая термоэлектрическая лампа
В настоящее время, с опозданием в десятилетия, похожие продукты начали выпускать и китайские, и американские фирмы. Однако у них есть существенный недостаток. Применяемые там термоэлектрические модули изготовлены по технологии элементов Пельтье, а не по технологии термоэлектрических батарей Зеебека. В итоге данные изделия получаются очень недолговечными.
Периодические приходится слышать, как изобретательные люди пытаются получить автономно электроэнергию путем вроде «обклеить печь элементами Пельтье». Однако они не учитывают то, что недостаточно нагреть термоэлектрический модуль. Необходимо пропустить через него как можно больше тепла. То есть с одной стороны эффективно нагреть, а с другой очень эффективно охладить. И чем выше будет разница температур, тем больше процентов тепла превратится в электроэнергию. Можно приобрести в сети термоэлектрические модули на керамике, которые продают с пометкой генераторные термоэлектрические модули. Но нужно понимать, что для того, чтобы такой термоэлектрический модуль показал хотя бы 80% от заявленной на нем мощности необходимо его охлаждать постоянным потоком холодной воды через тщательно подогнанную алюминиевую пластину. Разумеется, такое охлаждение в бытовых устройствах маловероятно. Да и в любом случае ресурс таких термоэлектрических генераторных модулей крайне низок в силу несоответствия применяемых для их производства технологий условиям эксплуатации. А именно большой по сравнению с элементами Пельтье разнице температур. Генераторные модули, которые изготовлены по технологии, рассчитанной на длительную эксплуатацию в реальных условиях и с высоким КПД, вы можете увидеть на нашем сайте на странице Термоэлектрический генераторный модуль.
Еще одно изделие нашей разработки, предназначенное для быта. Это электрическая энергопечь или печь генератор. Это термоэлектрический генератор, вмонтированный в твердотопливную печь. Предназначен для отопления с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя. Такая печь может обеспечивать потребителя электроэнергией с электрической мощностью в пике до 2 кВт (напряжение 220 В), а также 5-7 кВт тепловой энергии.
Схема печи генератора с термоэлектрическим генератором.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧИ ГЕНЕРАТОРА
Электрическая мощность в пике — 2 кВт
Электрическая мощность постоянная номинальная — 150 Вт
Напряжение — 12 В и 220 В
Тепловая мощность — 5-7 кВт
Отопление — жидкостное
Стоимость — от 48 000 руб.
Существует вариант и для газового топлива. Нами был разработан газовый отопительный котел с термоэлектрической генерацией электроэнергии.
Схема работы термоэлектрического генератора – отопительного газового котла.
высокой термоЭДС и низкой теплопроводностью.
В начале войны в лаборатории Иоффе был создан «партизанский котел» - термоэлектрогенератор для питания портативных радиостанций. Это был котелок, на днище которого снаружи располагались термоэлементы. Их горючие спаи находились в огне костра, а холодные, прикрепленные ко дну котелка, охлаждались налитой в него водой.
Тщательный подбор материалов, применение регенерации позволили в наше время довести КПД термоэлемента до 15%. В начале века такую эффективность имели обычные электростанции, но теперь она возросла более чем в три раза. Термоэлементу в большой энергетике пока места нет. Но ведь есть и энергетика малая. Несколько десятков ватт требуется для питания радиорелейной станции, стоящей на горной вершине, или морского сигнального буя. Есть и отдаленные места, где живут люди, которым требуются электричество и тепло. В подобных случаях применение находят термоэлементы, подогреваемые газом или жидким топливом. Особенно ценно, что эти устройства можно поместить в небольшой подземный бункер и оставить совершенно без присмотра, лишь раз в год или реже пополнять запас топлива. Ввиду малой мощности расход его при любом КПД оказывается приемлем, а кроме того... нет выбора.
Любопытное применение для термоэлектрогенераторов нашли врачи. Уже более двух десятилетий тысячи людей носят имплантированный, помещенный под кожу ритмоводитель сердечной деятельности. Источником энергии для него служит крохотная (с наперсток) батарея из сотни соединенных последовательно термоэлементов, подогреваемых распадом безвредного изотопа. Несложная операция по ее замене производится раз в 5 - "О лет.
В Японии выпускаются электрон
ные часы, энергию которым от тепла руки дает термоэлемент.
Недавно одна итальянская фирма заявила о начале работы над электромобилем с термоэлектрогенератором. Этот источник тока значительно легче аккумуляторов, поэтому пробег у термоэлектрического автомобиля будет не меньше, чем у обычного. (Напомним, что электромобили способны с одной зарядкой пройти ISO км.) Полагают, что путем разных ухищрений расход топлива удастся сделать приемлемым. Главные достоинства экипажа нового типа - абсолютно безвредный выхлоп, бесшумное движение, применение самого дешевого жидкого (а возможно, и твердого) топлива, очень большая надежность.
В 30-е годы проводившиеся в нашей стране работы над термоэлементами были широко известны. Вероятно, поэтому писатель Г. Адамов описал в своем романе «Тайна двух океанов» подводную лодку «Пионер», получавшую энергию от тросов-батарей. Так он назвал термоэлектрические генераторы, выполненные в виде длинных тросов. Их горячие спаи при помощи буя поднимались в верхние слои океана, где температура достигает 20- 25°С, а холодные - охлаждались глубоководной водой с температурой 1-2°С. Так фантастический «Пионер» - лодка, способная дать сто очков вперед нынешним атомным, заряжал свои аккумуляторы.
Реально ли такое? Сообщение о прямых опытах подобного рода в печати нет. Впрочем, промелькнуло нечто любопытное. Создан термоэлектрогенератор на 1000 кВт, вырабатывающий энергию за счет тепла горячих подземных источников. Разность температур между горячим и холодным спаями 23°С, как в океане, удельный вес 6 кг на 1 кВт - много ниже, чем у энергетических установок обычных подводных лодок. Не на пороге ли мы новой энергетической революции, нового века электричества?
Томас Иоганн Зеебек
У термоэлектричества - два отца: немец и француз. Первым из них был немец. 14 декабря 1820 года Томас Иоганн Зеебек (Thomas Johann Seebeck), академик Прусской академии наук, выступил перед коллегами с докладом и демонстрацией опыта. Зеебек обнаружил, что если взять проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, и нагреть одно из двух мест их соединения, то стрелка компаса, находящегося рядом, отклонится. Он назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» и в 1822 году описал его в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур».
Зеебек отметил, что угол отклонения стрелки компаса и направление ее поворота зависели как от разности температур нагретого и ненагретого мест спайки, так и от того, какие вещества были взяты. Он экспериментировал, например, с висмутом, медью и сурьмой. Позднее ученые узнали, что изменение магнитного поля вызывается появляющимся в тот момент в веществе электрическим током, а само явление стали называть «эффектом Зеебека».
Позднее, в 1834 году, Жан Шарль Пельтье (Jean-Charles Peltier) решил посмотреть, что будет, если между двумя электродами поместить каплю воды и пустить электрический ток. Результат поразил ученого: вода превратилась в лед. Это явление стало известным под названием «эффект Пельтье». Вместе с эффектом Зеебека его относят к термоэлектрическим явлениям.
Как эффект Зеебека, так и эффект Пельтье наблюдаются, когда электрическая цепь состоит из двух разных материалов. Проявления эффектов обратны друг другу. При эффекте Зеебека от разницы температур возникает электрический ток. При эффекте Пельтье при пропускании тока меняется температура. Стоит уточнить, что, если поменять полярность тока, проводник будет не охлаждаться, а напротив разогреваться. Оба эффекта незначительно проявляются при контакте двух металлов, зато весьма заметны, если мы имеем дело с двумя полупроводниками.
Практическую пользу из двух столь замечательных явлений научились извлекать далеко не сразу. Но сейчас и эффект Пельтье, и эффект Зеебека находят активное применение в технике. Для охлаждения можно использовать «элементы Пельтье» (по-английски они называются thermoelectric cooler — термоэлектрический охладитель, TEC). Это две или несколько пар полупроводников, соединенных перемычками. При подсоединении к электрической сети, одна из сторон элемента Пельтье будет охлаждаться.
Юрий Петрович Маслаковец
А как работает эффект Зеебека? Пожалуй, первенство в его практическом применении принадлежит отечественным физикам. Сделано это было во время войны учеными Физико-технического института под руководством А. Ф. Иоффе. Необходим был способ, позволяющий партизанам заряжать аккумуляторы радиопередатчиков. Конечно, партизанским отрядам поставляли новые батареи с помощью самолетов, но этим способом не всегда удавалось воспользоваться. Также были сделаны динамо-машины для подзарядки, которые работали от двигателя автомобиля или от усилий человека, но и они не решили проблемы.
Термоэлектрогенератор ТГ-1
Когда началась Великая Отечественная война физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе - Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан - сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».
После войны А. Ф. Иоффе и Ю. П. Маслаковец продолжили работы в области термоэлектричества. В 1950 году Иоффе написал работу «Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников», где изучил свойства полупроводниковых материалов, позволяющие достичь максимально возможного КПД термогенератора. Промышленность СССР выпускала различные типы генераторов, предназначенных для удаленных местностей, где нет доступа к электрической сети. Был, например, создан, термогенератор ТГК-3 , закреплявшийся на стекле керосиновой лампы и позволявший питать радиоприемник.
ТГК-3 (1954 год)
Позднее, с развитием электроснабжения и доступностью дешевого топлива, необходимость в термоэлектрогенераторах снизилась. Но и сейчас они находят применение. В первую очередь это происходит там, где другие источники питания труднодоступны: в автоматических маяках и метеорологических станция, в устройствах катодной защиты на нефтепроводах.
Современным разработкам, использующим термоэлектрические эффекты, будет посвящена вторая часть нашего рассказа, которую вы сможете прочитать на следующей неделе.
Всех приветствую.
Представляю вам очередной набор для сборки наглядного пособия по урокам физики, раздел электричество или просто макет вентилятора с термоэлектрическим генератором. Содержит электродвигатель, источник питания в виде элемента Пельтье. Это наглядное пособие показывает, как можно использовать альтернативные источники энергии, да и просто расширяет кругозор. Игрушкой назвать можно, но с оговоркой, потому что используется горячая вода. Итак, тем кто заинтересовался, прошу под кат.
Согласно википедии, элемент Пельтье это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler - термоэлектрический охладитель).
Многие уже слышали о таких элементах, кто то уже использовал в своих целях. Наглядный пример применения элемента Пельтье - кулер с водой в офисе. Охлажденная вода получается как раз при помощи элемента Пельтье.
Но в нашем случае должно быть все наоборот. Мы должны получить электроэнергию из этого элемента.
В таком случае нам поможет эффект, обратный эффекту Пельтье, который называется эффектом Зеебека.
Эффект Зеебека - явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.
По простому при нагревании или охлаждении одной из сторон элемента вырабатывается электроэнергия. Как раз данный конструктор призван использовать эффект Зеебека и собрав его мы получим термоэлектрический генератор.
Яркий пример термоэлектрического генератора получившего распространение в послевоенные годы - термогенератор ТГК-3:
Источник тепла и попутно света являлся обычной керосиновой лампой. Развитое оребрение давало максимально возможный перепад температур для генерации электроэнергии.
Более ранний вариант термогенератора ТГ-1 применялся в период Великой Отечественной войны с 1943 года в партизанских формированиях и являлся хорошим подспорьем батареям и генераторам на базе автомобилей.
Партизанский котелок
Когда началась Великая Отечественная война физики Лениградского физико-технического института разработали специально для партизан и диверсионных групп, забрасываемых в тыл противника, термоэлектрогенератор ТГ-1, известный под названием «партизанский котелок». Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны. ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер. В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца. Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт. Выпуск генератора был налажен в марте 1943 года на «НИИ 627 с опытным заводом № 1».
С назначением и принципом работы мы ознакомились, теперь перейдем к нашему конструктору.
Доставка и упаковка:
Доставка транспортной компанией за 19 дней.
Я надеялся что с такой упаковкой мне ничего не грозит.
Стандартная упаковка из двойного пакета с насыпанными внутрь деталями.
Вскрываем пакет:
Фанерное основание, несколько одинаковых брусков. Часть из них используется как ножки. Брусок для стойки. Полипропиленовая защелка для крепления электромотора. Сам электромотор и тюбик клея. В эту фотографию не попала емкость с крышкой для холодной воды. Об этом чуть позже.
Стакан с крышкой для горячей воды. Выполнен из алюминия, хорошо передает тепло. Размеры 60х60 мм. внутри стакана спрятали энергетическую установку набора - элемент Пельтье с установленным радиатором. Вместимость стакана не менее 100 миллилитров.
Инструкция:
При сборке можно не соблюдать, поскольку деталей кот наплакал.
Немножко дегтя:
Несмотря на то, что пластиковая коробочка находилась в отдельном пакете, все же была повреждена. Достал осколки и приклеил на место с помощью дихлорэтана. Остались следы, немножко подравнял наждачной бумагой.
Источник электроэнергии - элемент Пельтье:
К сожалению маркировки какой либо нет, либо она была, но на другой стороне.
Элемент приклеен к радиатору размером 40х40х20 мм и имеет 11 ребер.
Кстати аналогичный радиатор можно добыть с моста (северного или южного) старенькой материнской платы.
Интересная деталь, ничего не напоминает?
Да, это держатель дюймовой полипропиленовой трубы. Впрочем с фиксацией электродвигателя справляется на ура.
Электродвигатель очень слабенький. Рабочее напряжение 5 Вольт.
100% такой же можно добыть разбирая старый CD-Rom в котором моторчик отвечает за перемещение лотка.
Вентилятор 3х лопастный, диаметр примерно 55 мм. Надевается напрямую на вал электродвигателя.
Почему то напомнило Карлсона, который живет на крыше.
Клей на этот раз действительно определяется как ПВА. Не замороженный. Склеивает хорошо и быстро.
Процесс сборки:
Фиксируем ножки на основании. Устанавливаем брусок, который ограничивает перемещение ванночки.
На двухсторонний скотч фиксируем ванночку и далее закрепляем длинный брусок перпендикулярно основанию. Далее, с применением клея ПВА закрепляем полипропиленовый зажим с предварительно установленным в него моторчиком с вентилятором. Для надежности можно зафиксировать небольшим шурупом.
Электрическая часть - провода электромотора по цвету соединяем с проводами элемента Пельтье и изолируем термоусадочной трубкой.
На этом сборку можно считать завершенной.
Для запуска конструктора необходимо налить холодную воду в прозрачную емкость где то на 2/3, опустить радиатор ребрами вниз и установить сверху алюминиевый стаканчик в который уже наливаем горячую воду. Для лучшего наглядного эффекта лучше наливать кипяток. В любом случае, чем больше перепад температур, тем больше мощности генератор отдаст мотору и выше будут обороты вентилятора.
Ванночка зафиксирована на основании посредством клея ПВА. По инструкции надо было применить двухсторонний скотч. Но поскольку я обработал поверхность наждачной бумагой, то приклеилось просто замечательно. Необходимость в прижимающем бруске отсутствует.
Допустил небольшую ошибку при сборке. Винт задевал прямоугольный брусок. Пришлось немного выдвинуть моторчик вперед. Так же брусок можно было бы не устанавливать.
Пробуем. Не работает! Легкий толчок по лопасти и вентилятор стремительно набирает обороты.
Температура у нас составляет: 5 и 72 градуса по Цельсию соответственно.
При этом вольтметр показывает 0.8 Вольта. Это значение под нагрузкой в виде электродвигателя.
Тахометр зафиксировал максимальные обороты около 1400 в минуту.
Для лучшего контакта стаканчика с элементом Пельтье я применил теплопроводящую пасту, которую купил когда то на алиэкспресс.
С ее использованием подталкивать крыльчатку вентилятора не требуется. моторчик раскручивается сам.
Можно немного увеличить эффективность и выровнять дно стаканчика. Оно хоть и штампованное и на вид не мятое, но его поверхность можно улучшить с помощью мелкой наждачной бумаги и ровной поверхности.
Ура, теперь работает самостоятельно и с меньшим перепадом температуры!
Хотите большего?! Совершите обкатку моторчика, обороты немного прибавятся. Так же можно увеличить разницу температур.
В видео демонстрация собранного макета со всех сторон, а так же в рабочем состоянии.
Остальная часть видео начиная с 1:28 посвящена сборке.
Предостережение:
Ввиду использования горячей воды пробные включения крайне желательно проводить под контролем взрослых.
Стакан из алюминия - так же может быть горячим как и вода внутри. Либо обклеить самоклеящимся изоляционным материалом, либо брать в перчатках или плоскогубцами.
Мощность мотора слабая, поэтому если даст крыльчаткой по пальцам - то ничего страшного. Больно не будет.
Выводы:
Интересный, простой набор. Можно занять ребенка на вечер и расширить кругозор. Не все же в игрушки на телефоне играть.
Деревянные детали - качественно напилены. Заусенцев так же нет. Древесина - липа или осина.
Конструктор рассчитан на ребенка от начальных классов и выше. Точность и аккуратность сборки на итоговый результат не влияет.
Рекомендую применить паяльник для пайки проводов. Альтернатива - скрутка проводов.
Затруднения вызвала фиксация колонны на основании, либо надо дольше ждать пока клей схватится, либо использовать шуруп.
Платформа достаточно универсальная. Вместо элемента Пельтье можно применить например фотоэлементы или сделать обратимый вариант - Электродвигатель вырабатывает электроэнергию и питает например светодиод.
А можно и сделать кораблик применив корпус из пенопласта. Получится аэроглиссер. Как настольный вентилятор идея вряд ли осуществима.
Как вы заметили, много деталей можно добыть локально. Остается купить элемент Пельтье и сделать все своими руками.
На этом все. Спасибо за уделенное время.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Планирую купить +18 Добавить в избранное Обзор понравился +46 +69«Академик Виноградов» - Поэтика" (1963). Фразеологические единства допускают вставку других слов (положить зубы на полку). С 14 лет давал частные уроки. В. В. Виноградов опубликовал „Исследования в области фонетики северно-русского наречия“. Детство. Лексикография. Заслуги перед отечеством. Особенности фразеологического единства.
«Абрам Фёдорович Иоффе» - Иоффе с сотрудниками. Открытие улицы Абрама Иоффе в Берлине. А.Иоффе и его земляк С.Тимошенко - студенты петербургских институтов. Фото Капицы. Шокли и Иоффе. Дом семьи Иоффе в г.Ромны. Роменское реальное училище. Заседание Ученого совета ФТИ. Физико-технический институт. У главного входа в Физико-технический институт.
«Партизанское движение 1812» - Начало войны. Герасим Курин. Крестьянские партизанские отряды. А.С. Пушкин. Жители Рославльского уезда создали несколько конных и пеших партизанских отрядов. С тобой Не хочу высоких званий, И мечты завоеваний Не тревожат мой покой! Армейские партизанские отряды. Партизанские отряды действовали в сложных условиях.
«Партизанская война» - Большую помощь партизанам оказывало командование фронтов и армий. Вступление. Безусловно. Как изменилось отношение советского проавительства к партизанскому движению в ходе войны? Партизаны Северной Осетии. 1942 г. Партизанское движение. Появилось централизованное руководство в Москве. Результат исследования.
«Стили руководства» - Теория жизненного цикла Херси и Бланшара. 1, 1 Обедненное управление. 1, 1. Обедненное управление. Руководитель излагает суть дела группе подчиненных. Поведение, ориентированное на человеческие отношения. Либеральное руководство: сниженный объем работы + предпочтение демократичному лидеру. Структура задачи.
«Партизанский отряд» - Великая Отечественная Война партизаны. Советские партизаны в Великой Отечественной войне. Диверсии занимали значительное место в деятельности партизанских формирований. Элементы партизанской войны. Действия партизан были преимущественно несогласованны. Расположение советских партизанских отрядов. Лжепартизаны.