Термоэлектрический генератор своими руками: схемы, проекты, принцип работы и сборка самодельного устройства (155 фото и видео)
Большинство начинающих электриков интересуется о возможности создания не затратного и автономного источника электроэнергии. Зачастую, например, выехав на пикник, рыбалку либо просто отдохнуть на свежем воздухе, критически не хватает электричества для зарядки какого-либо прибора или освещения в темное время суток.
В таких случаях может помочь самостоятельно сделанный термоэлектрический генератор, для дома такой прибор не подойдет, если только в крайних случаях.
При помощи его можно вырабатывать электрического напряжение до пяти вольт, этого будет достаточно для зарядки гаджетов и подключения лампочки.
Для визуального ознакомления с ТЭГ нужно лишь посмотреть в любых источниках фото термоэлектрического генератора.
Краткое содержимое статьи:
Что такое ТЭГ
Данное устройство, дает возможность выработать электроэнергию из энергии тепла.
Нужно пояснить, что выражение «Тепловая энергия» не совсем правильное, так как тепло, это метод отдачи, не являющийся отдельным типом энергии. Этим определением обозначают общую кинетику структурных элементов:
- молекул;
- атомов;
- иных частиц, которые входят в состав вещества.
Отличие ТЭГ от ТЭС
На ТЭС применяют топливо для выделения из жидкости пара, вращающий турбину электрогенератора.
С помощью теплоэлектрического генератора электроэнергия генерируется без посреднических преобразований.
Принцип работы
В девятнадцатом веке одним ученым обнаружилось возникновение электродвижущей силы в замкнутой цепи, при изменениях температуры в среде контактировании сурьмы с проводником.
Нагревая один из контактов, возникает магнитное поле, что вызывает ЭДС. При нагревании второго контакта, поток ЭДС противоположно изменяется.
Разорвав цепь, фиксируется противоположность потенциалов на ее краях. Это и является основным принципом работы термоэлектрических генераторов.
Спустя двенадцать 12 лет другой физик выявил противоположный эффект. Пропустив ток по цепи термопары, в контактах создается перепады температур.
В принципе эти оба эффекта разные стороны одного и того же явления, дающего возможность непосредственно получить электричество из тепла.
Перспективы
В данное время продолжают ставить опыты, подбирая оптимальные термопары, позволяющие повысить коэффициент полезного действия.
Большая вероятность того, что скоро разработки усовершенствования доброкачественности термических элементов, обретут высший статус производства материала для повышения взаимодействия термопар, с применением высоких технологий:
- нанотехнологий;
- ям квантования и т.п.
Вполне возможен вариант изобретения совсем другого принципа, с применением нестандартных материалов.
Были попытки соединения микроскопических проводников из золота искусственно синтезированной молекулой. Этот опыт в дальнейшем вполне может добиться успеха.
Сфера применения и виды
Учитывая низкий коэффициент полезного действия для теплоэлектрического генератора существуют два обстоятельства его использования:
- там, где отсутствуют иные источники электрической энергии;
- в местах, обладающими избытком тепла.
Как сделать собственноручно
Далее вкратце повествуем, как сделать генератор своими руками, который можно использовать в природных условиях или обесточенных местах.
Конечно, мощность этих приборов не сравнится с радиоизотопным экземпляром, но из-за трудной доступности плутония и его вредным качествам для человеческого организма, приходится радоваться и этому.
Потребуется элемент термоэлектричества. Лучше их использовать не в единственном экземпляре, подключив параллельно, это увеличит мощность.
Однако есть большая проблема, необходимо подбирать элементы с похожими параметрами, что достаточно затруднительно либо дорого обходится, легче приобрести готовый прибор.
Используя один элемент, мощности может не хватить даже зарядить самый простой гаджет.
Еще нужен будет корпус из металла, к примеру, бывшего в употреблении и уже ненужного блока питания от персонального компьютера и элемент охлаждения процессора.
Главные нюансы сборки
Изначально нужно нанести на основание термопасту там, где предназначена фиксация основного элемента, прислонить его и прижать охлаждающей деталью. В итоге получается конструктивное изделие.
Сухой спирт, пожалуй, станет лучшим топливом для этого приспособления. Далее нужно подсоединить к сделанному прибору устройство стабилизирующие напряжение.
Схему возможно посмотреть на сайтах в интернете либо в иных источниках предлагающих эту тему.
Изделие готово, теперь осталось только произвести испытание.
Заключение
В заключении можно сказать, что изготовление данного устройства лучше доверить специалистам либо приобрести его. Попытка создать его самостоятельно может привести к неудаче.
Фото термоэлектрического генератора своими руками
Источник
Что такое термоэлектрический генератор?
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 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.
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 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 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:
- В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
- 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.
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» 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 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 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.
Источник