Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение

Историческая справка

Термоэлектрические эффекты или термоэлектричество, своим открытием обязано нескольким ученым. Впервые явление открыл немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, в 1821 году. Оно получило название «Эффект Зеебека».

Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.

Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.

Можно вспомнить довольно известный «партизанский котелок», от которого питались радиостанции. Выпускалась модель термоэлектрического генератора ТГК-3. Фото термоэлектрического генератора ТГК-3 представлены в нашей галерее.

Была отсылка к теме термоэлектрических генераторов и в советской фантастике — в 1930-х годах Роман Адамов написал научно-фантастический роман «Тайна двух океанов», о похождениях подводной лодки «Пионер», источником энергии в которой служила термопара.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по иным данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. КПД преобразования составил 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора соперничал с паровыми машинами того времени.

Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не начинал эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив собственное открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений исследователь предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Принцип действия термоэлектрического генератора объяснялся магнитной поляризацией. Зеебек исследовал массу образцов, включая полупроводники, и выстроил материалы в ряд по способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и поныне для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как учёные с радиоактивными металлами, так Зеебек обращался с образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, раздался приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы практически руками соударяли куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Большинство в скором времени погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, как некогда Гальвани, наблюдал «животное электричество». Зеебек почти поверил в собственные замечательные трансцендентные способности, но домработница заставила его думать, что причина в нагреве образцов. Когда карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту давали необычное и называли магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить подобную позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании об открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет.

1. Закон Ома.
2. Электромагнит.
3. Электрокомпас.
4. Гальванометр.
5. Индуктивность.
6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но открытое Зеебеком термоэлектричество оказалось удивительным. Известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали понятия заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора – и все! Неизвестны были понятия разницы потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Это повлияло на название открытия Зеебека.

Накануне Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата, тогда ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса обнаруживал Земной шар. Неудивительно, что Зеебек приписал собственной установке подобное странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса как планета Земля.

В течение года удалось найти правильное объяснение. Георг Ом использует термопару как источник стабилизированного напряжения для открытия известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Пришла пора открывать эру термоэлектричества.

Конструктивные особенности и область применения

Применяются в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, их используют в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути.

РИТЭГи, как правило, являются наиболее приемлемым источником энергии для автономных роботов, нуждающихся в нескольких сотнях ватт (или меньше) при очень длительном времени работы, слишком долгим для топливных элементов или аккумуляторов. РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, имеющих продолжительную миссию и сильно удаляющихся от Солнца (например Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно. В данный момент РИТЭГ используется в марсоходе Curiosity.

Схема РИТЭГа используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

РИТЭГ установленный на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс

Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.

Временная линейка развития изобретений

Когда стало понятно, что тепло не способно непосредственно превращаться в магнетизм, наконец, отвергли идею образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать в электролизе (1831 год).

В Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи помещались термопары, с достаточными напряжением и током. Объединяя питающие элементы последовательно, поднимали вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток.

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первыми прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения мощного источника питания. Дальнейшее развитие концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони:

Задумка первого гальванометра: эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом собирался «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя стала стрелка компаса.

Вслед первым ласточкам эффект Зеебека применялся и дальше. Патент на применение термоэлектрических генераторов взамен обычных взят в 1843 году Мозесом Пулом.

Пергелиометр предназначен для измерения интенсивности солнечного излучения по степени нагрева термопары. Изобретённый Клодом Пулье между 1837 и 1838 годами прибор позволил учёному вычислить с высокой степенью точности солнечную константу, равную 1228 Вт/кв. м. Изначально пергелиометр не предполагалось использовать как термоэлектрический генератор. Отдельные наработки конструкции служили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Приведём данные по изобретению, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют свойства мощнее в сочетании металлов, нежели каждый из простых материалов по отдельности. В составе одной части цинка и двух – сурьмы образец давал разницу потенциалов 22,7.

• Сурьма – 7 – 10.
• Цинк – 0,2.

Единственным исключением стал сплав висмута с оловом. При составе его 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать исследования с пары из нейзильбера (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС не оказалась велика. Тогда я испробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 цинка и 1 висмута. Результат получился хрупким и с ярко выраженной кристаллической структурой.

Чтобы сгладить указанные недостатки, добавлял мышьяк. В результате обнаружено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет гораздо большую пластичность при аналогичных термоэлектрических свойствах, которые наблюдаются у сплава Маркуса. Второй частью пары оставлен нейзильбер.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса приравнивалась к одной двадцатой от ячейки Даниэля, предоставляя 55 мВ постоянного напряжения. Негативной «обкладкой» служил сплав из меди, цинка и никеля в соотношении 10:6:6, похожий по внешнему виду на нейзильбер; положительной – соединение сурьмы, цинка и висмута в соотношении 12:5:1.

По данным “Electricity in The Service of Man”, 3-ей редакции, 1896, в мае 1864 года Маркус получил премию от Венского научного общества за термоэлектрический генератор. Составленные шалашом термопары в верхней части объединялись нагреваемой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. К сожалению, сплавы на воздухе быстро окислялись с грандиозным повышением омического сопротивления контактов.

Вклад Беккереля

Доподлинно неизвестно, когда появился на свет термоэлектрический генератор Эдмонда Беккереля, но историки относят открытие на период 1867-1868 года. В его конструкции переход образован сульфидом меди и нейзильбером. На изображении: в ближний резервуар закачивалась холодная вода, в дальний – раскалённый газ. Напряжение термоэлектрического генератора снималось со спиралевидных выводов.

По поводу термоэлектрических генераторов доктор Стоун высказал: «Применение железа даёт неплохой эффект, который нивелируется быстрым ржавлением изделия.»

• Термоэлектрический генератор (предположительно 1874 года выпуска) Клэмонда и Мура сконструирован из антимонида цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Подогреваемый прибор позволял за час получить примерно унцию меди, потребляя 6 кубических футов газа. Использовался для плакирования металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрического генератора изменял величину получаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы из антимонида цинка, треугольные листовые лопасти – железные.
• В 1789 году термоэлектрический генератор Клэмонда оказался сильно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом выдавал напряжение 109 В при токе 1,75 А, потребляя за час 22 фунта угля. Коммутацией соединений вольтаж уменьшался до 54 В. Ток термоэлектрического генератора возрастал до 3,5 А. Подогреваемая угольной печью конструкция высотой под 2,5 метра и диаметром в пределах метра, напоминающая кулер современных процессоров, снаружи содержала многочисленные железные крылья. Газы проходили внутри, раскаляя антимонид цинка. По отдельным сообщениям, 20 термопар генератора выдавали 1 В напряжения.
• Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 год) больше напоминает современную турбину ТЭС по форме. Центральная часть термпопар подогревается горелкой, а периферия охлаждается за счёт излучения и конвекции. Это сравнительно маленькое подобие генератора Клэмонда с внутренним сопротивлением 0,2 Ом, рассчитанное на напряжение 2 В и состоящее из 128 термопар. Эффективность термоэлектрического генератора сильно снижали нейзильберовые промежуточные контакты, рассеивающие тепло. В современных термоэлектрических генераторах используется p-n-переход без промежуточных материалов между полупроводниками.
• Переносной термоэлектрический генератор Хоука (вероятно, 1874 год) рассчитан на 110 мВ (одна десятая ячейки Даниэля) и включал 30 термопар, с половинками, объединёнными платиновой проволокой длиной 1,2 дюйма. Горелка сильно напоминала бунзеновскую, а холодный конец погружали в воду. Конструкция сильно напоминает изобретения Ноэ и в меньшей степени Клэмонда. Ключевое отличие заключается в промышленном выпуске изделий для массового круга потребителей. Генераторы продавались двойками и тройками, размещёнными на едином основании.
• Угольный термоэлектрический генератор изобретён Гарри Бэрринджером, и авторские права закреплены патентом US434428 от 1890 года.

Последняя конструкция из придуманных в XIX веке. Историки относят её на 1898 год. 50 термопар давали напряжение в 1,5 В при токе 3 А и внутреннем сопротивлении 0,5 Ом. На указанные цели тратится ежечасно 5 кубических футов газа. По мнению исследователей, хороший прибор выдавал бы втрое больше при идентичном расходе.

– Термонапряжение стабильное, что обусловлено значительной тепловой инерцией. Температурные изменения происходят неспешно, плавно опускается напряжение при остывании.

Впрочем, аналогичное заметил ещё Поггендорф, советовавший Георгу Ому использовать термопару вместо вольтова столба. Аккумулятор Гюльхера оказался популярен в начале XX века. К примеру, Лихайский Университет сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году закупили три термобатареи Скотта и одну – Гюльхера.

Конструкция напоминает устаревший сегодня радиатор отопления. Подобные встречаются в общественных зданиях, построенных и оборудованных в СССР. Это переносной прибор: с каждой стороны расположена Т-образная рукоятка для транспортировки.

«Профессор Кольраух заметил в 70-е, что вольтаж термоэлектрического генератора зависит от числа пар, включённых последовательно. Это подтверждается опытами на конструкциях Клэмонда, Ноэ и Шудре, изготовленных и проданных за истекшие 20 лет. Они выдают 2, 4, 6 и 8 вольт, имея, соответственно, 36, 72, 108 и 144 пары в составе.

В заметке говорилось, что начинающие электрики вправе взять представленный на фото образец за пример коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудре изготавливается в 6 типоразмерах, на токи 1,3 – 2,5 А при напряжении 3 – 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

Автономные термоэлектрические генераторы

Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.

Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.

Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.

Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.

Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года характеризуется сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Строгость обусловлена фактом: прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора стоит ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния на выходное напряжение. Отдельные авторы предполагают большие флуктуации, но по тексту уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. В отсутствии электричества оно получается в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями либо оставались без названия.

Этот термоэлектрический генератор представляет блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не даст большое напряжение, но, набрав побольше соединений проводов, остаётся возможность получить удовлетворительный результат.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Прогревая приёмник, достигается напряжение до 40 мВ. Если включить последовательно 50 термопар, образуется 2 В, чего хватит для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Истинный друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

ТЭГ своими руками

Создание простейшего генератора в домашних условиях не составит больших трудностей по причине его крайней простоты. По сути, все что нужно, это найти элемент Пельтье. Приобрести такой элемент сегодня не составляет труда и не потребует больших затрат.

Для простейшей демонстрации, кроме термоэлемента, достаточно будет двух алюминиевых банок прямоугольной формы, канцелярского зажима, пары проводов, холодной и горячей воды. Нужно поместить элемент Пельтье между корпусами банок, скрепив их зажимом, налить в одну банку кипяток, в другую холодную воду, желательно со льдом.

Чуть более сложной задачей будет сборка термоэлектрического генератора на дровах. Для этого, помимо термоэлемента, понадобиться камера сгорания, в качестве которой подойдет корпус от компьютерного блока питания, радиатор и вентилятор можно использовать от процессора, разъем USB.

https://www.youtube.com/watch?v=4QBpO6yDGOQ

Для тех, кто желает получить более высокое напряжение можно порекомендовать инверторы стабилизаторы — все зависит от фантазии. Инструкций и схем на просторах сети достаточно. Ниже приведена фотография подобного устройства.