- Co je to termoelektrický generátor?
- Princip činnosti
- Perspektivy
- Rozsah použití a typy termoelektrických generátorů
- Jak vyrobit termoelektrický generátor vlastníma rukama?
Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Podle světových statistik, z celkového počtu vyrobené elektřiny, tvoří tepelné elektrárny více než 60%. Jak je známo, provoz tepelných elektráren vyžaduje organické palivo, jehož zásoby nejsou nekonečné. Kromě toho není základní technologie procesu šetrná k životnímu prostředí. Ale nízké náklady na organické palivo a vysokou účinnost tepelných elektráren, vám umožní získat "levné" elektřinu, což odůvodňuje použití této technologie. Výchozí situací jsou alternativní zdroje energie, jako jsou termoelektrické generátory (dále jen TEG), o nichž bude pojednáno v tomto článku.
Co je to termoelektrický generátor?
Takzvané zařízení, které umožňuje převádět tepelnou energii na elektrickou energii. Mělo by být objasněno, že termín "termální" není zcela přesný, protože teplo je způsob přenosu, a nikoli samostatný typ energie. Touto definicí se rozumí celková kinetická energie molekul, atomů a dalších strukturních prvků, které tvoří látku.
Navzdory tomu, že TPP spaluje palivo pro výrobu elektřiny, nelze jej přičítat TEG. Na těchto stanicích je tepelná energie nejprve přeměněna na kinetickou energii a již na elektrickou energii. To znamená, že palivo je spalováno za účelem výroby páry z vody, která otáčí turbínu elektrického generátoru.
Na základě výše uvedeného by mělo být objasněno, že TAG by měla vyrábět elektřinu bez přechodných transformací.
Princip činnosti
TEG je založen na termoelektrickém jevu popsaném německým fyzikem Thomasem Johannem Seebeckem na počátku 20. let 19. století. Objevil výskyt EMF v uzavřeném okruhu, který se skládá z vodiče a antimonu, s výhradou vzniku teplotních rozdílů v místech, kde jsou tyto materiály v kontaktu. Obrázek zařízení, se kterým byl tento efekt zaznamenán, je uveden níže.
Legenda:
- 1 - měděný vodič.
- 2 - antimonový vodič.
- 3 - jehla s kompasem.
- A a B jsou body kontaktu dvou vodičů.
Když byl jeden z kontaktů zahříván, šipka byla vychýlena, což indikovalo přítomnost magnetického pole způsobeného EMF. Při zahřívání jiného kontaktu se směr EMF změnil na opačný. Proto, když je obvod přerušen, je možné fixovat potenciální rozdíl na jeho koncích.
O 12 let později, poté, co Seebeck zveřejnil výsledky svých experimentů, francouzský fyzik Jean Peltier objevil opačný efekt. Pokud proud prochází termočlánkovým obvodem, pak dochází k teplotnímu rozdílu na kontaktních místech těchto látek. Nebudeme uvádět popis Peltierovy zkušenosti, stejně jako údaje o moderních prvcích stejného jména, tyto informace naleznete na našich webových stránkách.
Oba tyto účinky jsou ve skutečnosti opačné strany stejného termoelektrického jevu, který umožňuje přímo vyrábět elektřinu z tepelné energie. Před objevením polovodičů však termoelektrický efekt nenašel praktické uplatnění v důsledku nepřijatelně nízké účinnosti. Bylo možné ji zvýšit na 5% pouze uprostřed vulgárního století. Bohužel i v moderních polovodičových prvcích zůstává tento indikátor na úrovni 8% - 12%, což neumožňuje považovat generátory tohoto typu za vážné konkurenty TPP.
Perspektivy
V současné době experimenty pokračují ve výběru optimálních termočlánků, což zvýší účinnost. Problém je v tom, že je obtížné poskytnout teoretický základ pro tyto studie, takže se musíte spoléhat pouze na výsledky experimentů. Vzhledem k tomu, že vliv je ovlivněn procentuálním poměrem a složením slitin materiálu pro termočlánky, je mluvení o blízké budoucnosti nevděčný úkol.
Je pravděpodobné, že v blízké budoucnosti ke zlepšení kvality termočlánků se vývojáři přesunou na další úroveň výroby slitin pro termočlánky s využitím nanotechnologií, kvantovacích vrtů atd.
Je možné, že s použitím netradičních materiálů bude vyvinut zcela jiný princip. Jako příklad můžeme citovat experimenty prováděné na Kalifornské univerzitě, kde byla použita umělá syntetizovaná molekula jako náhrada termočlánku, který spojoval dva zlaté mikroelektronické vodiče.
První experimenty ukázaly možnost implementace myšlenky, jak slibné to je, čas ukáže.
Rozsah použití a typy termoelektrických generátorů
Vzhledem k nízké účinnosti pro TEG zůstávají dvě aplikace:
- V místech, kde nejsou k dispozici jiné zdroje elektřiny.
- V procesech, kde je přebytek tepla.
Zde je několik příkladů takových zařízení.
Energopechi
Data, zařízení, která kombinují následující funkce:
- Varná deska.
- Ohřívač
- Zdroj elektřiny.
Jedná se o vynikající vzorek, který kombinuje všechna dvě použití.
V energetické peci znázorněné na obrázku jsou následující parametry:
- Hmotnost - o něco více než 50 kg (bez paliva).
- Rozměry: 65x43x54 cm (s demontovaným komínem).
- Optimální plnění organického paliva - 30 litrů. Použití tvrdého dřeva, rašeliny, vrtání (ne kámen!) Uhlí je povoleno.
- Průměrný tepelný výkon zařízení je asi 4, 5 kW.
- Výkon elektrického zatížení od 45-50 wattů.
- Stabilizované stejnosměrné výstupní napětí - 12 V.
Jak vidíte, tyto parametry jsou zcela přijatelné pro podmínky, kde není elektřina, topení a plyn. Pokud jde o malou elektrickou energii, je zcela dostačující nabíjet mobilní zařízení nebo napájet další přístroje prostřednictvím adaptéru z zapalovače cigaret.
Radioizotop TEG
Zdroj tepla uvolněný během rozpadu nestabilních prvků může působit jako zdroj tepla pro TEG. Tyto zdroje se nazývají radioizotopy. Jejich hlavní výhodou je, že není vyžadováno stálé nakládání paliva. Nevýhodou je potřeba instalovat ochranu proti ionizujícímu záření, nemožnost tankování paliva a potřebu likvidace.
Životnost takových zdrojů přímo závisí na poločasu rozpadu látky použité jako palivo. Následující požadavky jsou předloženy: \ t
- Vysoký koeficient objemové aktivity, to znamená malé množství látky, by měl poskytovat požadovanou úroveň uvolňování energie.
- Dlouhodobě udržujte požadovanou úroveň výkonu. Tento parametr reaguje, jak je uvedeno výše, je ovlivněn poločasem rozpadu, například, je to 29 let pro stroncium-90, proto zdroj ztratí v tomto čase polovinu svého výkonu.
- Ionizační záření by mělo být vhodné pro likvidaci, to znamená, že by v něm měly převažovat a-částice.
- Požadovaná úroveň zabezpečení. To znamená, že ionizující záření by nemělo poškodit životní prostředí (v případě provozu na zemi) ani zařízení poháněné tímto zdrojem.
Izotopy Curium-244, plutonium-238 a stroncium-90, uvedené výše, splňují tato kritéria.
Rozsah použití RITEG
Navzdory vážným požadavkům na tyto zdroje je jejich rozsah poměrně různorodý, používají se jak ve vesmíru, tak i na Zemi. Pod fotkou je RITEG, který pracoval na sondě Cassini. Jako palivo byl použit izotop Plutonium-238. Poločas tohoto prvku je mírně přes 87 let. Na konci 20 let staré, zdroj produkoval 650 wattů elektřiny.
Cassini byl citován jako příklad a na úkor hmotného charakteru lze konstatovat, že prakticky všechny kosmické lodě používají RITEG pro napájení zařízení. Charakteristiky radioizotopových energetických zdrojů kosmických lodí však bohužel nejsou zveřejňovány.
Situace na Zemi je zhruba stejná. Technologie RITEG je známa, ale její detaily jsou utajované informace. Je spolehlivě známo, že taková zařízení jsou využívána jako zdroj energie pro navigační zařízení v oblastech, kde z technických důvodů není možné elektřinu získat jiným způsobem. To znamená, že jde o těžko dostupné regiony.
Tyto zdroje bohužel nejsou z hlediska životního prostředí nejvhodnější alternativou k tepelným elektrárnám.
Jak vyrobit termoelektrický generátor vlastníma rukama?
Na konci vám povíme, jak vytvořit TAG, který lze použít v kempování, lovu nebo rybaření. Samozřejmě, že síla těchto zařízení bude horší než radioizotopové generátory energie, ale vzhledem k nepřístupnosti plutonia a jeho nepříjemné vlastnosti způsobovat škody na lidském těle budou muset být spokojeny s malými.
Budeme potřebovat termoelektrický prvek, například TEC1 12710. Pro zvýšení výkonu se doporučuje použít několik prvků zapojených paralelně. Bohužel je zde velmi vážná nuance, bude nutné vybrat prvky s podobnými parametry, což je prakticky nemožné pro čínské výrobky, a je dražší používat značkové výrobky, je jednodušší koupit hotový generátor. Pokud používáte jeden modul Pelte, pak je jeho výkon sotva dostačující k nabíjení telefonu nebo jiného přístroje. Budeme potřebovat také kovové pouzdro, například použitý napájecí zdroj PC a chladič od procesoru.
Hlavní body montáže:
Termopaste naneste na těleso v místě, kde bude namontován termoelektrický prvek, nakloňte jej a upevněte ho radiátorem. Výsledkem je stavba, jak je uvedeno na obrázku dole.
Jako palivo je nejlepší použít "suchý alkohol".
Nyní je nutné k našemu zdroji připojit regulátor napětí (okruh lze nalézt na našich webových stránkách nebo v jiných tematických zdrojích).
Design je připraven, můžete začít testovat.