Термоэлектрический генератор своими руками

Этим вопросом я задался, когда готовился пойти в поход на байдарках на две недели. Электроэнергия требовалась, прежде всего, для восполнения заряда аккумуляторов в фотоаппаратах, а также аккумуляторов в фонарях.

Дамы и Господа, знакома ли Вам такая замечательная вещь, как термоэлектрические модули Пельтье? Это достаточно распространенные в наше время устройства, широко используемые любителями компьютерного "разгона" для экстремального охлаждения деталей своих компьютеров.

Суть идеи заключается в том, что это по форме плоский полупроводниковый прибор, имеющий два провода "+" и "-", а также две поверхности – "горячую" и "холодную". Если пропускать через него постоянный ток, то "холодная" сторона будет охлаждаться, а "горячая" нагреваться – прибор работает как тепловой насос. По паспорту, разность температур может достигать 60 градусов. Это значит, что например, если "горячую" сторону охлаждать до температуры 20 градусов (комнатная температура), то "холодная" сторона остынет до минус 40 градусов. Если поменять местами "+" и "-", "горячая" и "холодная" стороны также меняются местами и тепловой поток меняет направление.

Но оказывается, у этих модулей имеется еще одна интересная особенность: если приложить к ним разность температур, то они начинают давать электрический ток! Именно на этом эффекте и предполагалось создать портативный источник электроэнергии для похода.

Так как в походе обязательно есть костер и кипящая вода, предполагалось в качестве "горячего" источника тепла использовать пар, а в качестве "холодного" – холодную воду.

Итак, пар по трубкам (в одну входит, из другой выходит)

попадает в специальный теплообменник, изготовленный из алюминиевой пластины толщиной 10мм

Все отверстия в этом теплообменнике соединяются только одним каналом, а в сборе с трубками, которые ввернуты и вклеены в него с помощью эпоксидного компаунда, это выглядит так:

Теплообменник имеет размеры в точности по размеру модулей Пельтье. Модули прижимаются к теплообменнику с двух сторон четырьмя винтами (изначально винтов предполагалось восемь, но в результате моей недальновидности и конструкторской бездарности двум из них помешали паровые трубки, а другие два с противоположной стороны решено было не устанавливать, чтобы избежать перекоса),

поэтому отверстия в теплообменнике и канальцы между ними образуют систему сообщающихся паровых камер. Войдя в одну трубку, пар проходит по единственно возможному пути последовательно через каждую паровую камеру, образованную объемами отверстий в теплообменнике, и выходит через вторую трубку. Тепло от пара передается модулю при непосредственном контакте с его поверхностью (на площади, равной суммарной площади отверстий в теплообменнике) и через материал теплообменника.

Для прижатия модулей Пельтье к теплообменнику и для отвода тепла к "холодному" источнику тепла используются алюминиевые пластины толщиной 5мм

Для предотвращения попадания охлаждающей воды внутрь модулей Пельтье, вся сборка герметизирована полупрозрачным силиконовым затекающим герметиком

Теперь осталось только пустить пар по трубкам, а саму сборку опустить в емкость с холодной водой. Однако, в результате экспериментов на кухонной плите выяснилось, что напряжения, которое выдает эта система, недостаточно для полноценного заряда аккумуляторов. "Холодная" вода в охлаждающей емкости быстро нагревается, разница температур уменьшается и напряжение еще более снижается. Кроме того, для полноценной зарядки аккумуляторов требуется достаточно продолжительное время, исчисляемое часами (от слова "час", а не "часы"), как показала практика, в походных условиях при дождливой погоде не всегда удается развести хороший огонь и вскипятить воду, не говоря уже о паропроизводстве в течение нескольких часов.

Поэтому данная система так и осталась не задействована, а вместо нее была собрана другая – на солнечных батареях. В ее состав входит сборка солнечных элементов, которую можно свернуть в "трубочку"

и блок-стабилизатор для обеспечения необходимого напряжения для заряда Li-ION аккумулятора

Как затем показала практика эксплуатации – это решение вполне пригодно для исполнения своих функций.

Главная страница » Термоэлектрический генератор (тепловой насос) своими руками

Термин «тепловой насос» наверняка знаком каждому, кто когда-нибудь проходил вводный курс термодинамики. Между тем, любому желающему и даже из числа тех, кто совсем не знаком с термодинамикой, вполне доступна простейшая технология теплового насоса. Так называемый термоэлектрический генератор вполне допустимо создать своими руками, имея в запасе простейшие элементы и компоненты. Рассмотрим стратегию изготовления термоэлектрической машины из доступных деталей. Возможно, в жизни кому-нибудь пригодится такой инженерный опыт.

Концепция теплового насоса

Базовая идея теплового насоса заключается в извлечении некоторой полезной энергии из полученной разницы температур. Выходная энергия может быть механической, электрической или другой. Одним из явных примеров, который часто встречается в той же бытовой практике, выступает паровой двигатель. В данном случае нагревается вода с целью получения пара. В свою очередь пар, обладая свойством расширения, создаёт давление.

Классическая схема теплового насоса, применяемого на практике: 1 – холодный цилиндр; 2 – радиатор; 3 – маховик; 4 – источник тепла; 5 – горячий цилиндр; 6 – пар (газ); 7 – контур прохождения пара (газа)

Полученное давление используется для выполнения какой-то работы. Например, для толкания поршня в цилиндре механического привода. Выполняя работу, пар охлаждается, сжимается, конденсируется. Поэтому, чтобы паровая машина работала, необходима внешняя температура ниже температуры пара. Фактически, работа всех тепловых насосов зависит от разницы температур.

Простой тепловой насос – термоэлектрический генератор

Простейший тепловой насос без особого труда допустимо сделать самостоятельно. Для производства такой системы потребуется:

• две обычных металлических скрепки,
• кусок оголённого медного провода,
• две разных температурных среды.

Металлические скрепки нужно распрямить и соединить каждую с одним из концов медного провода. В принципе, создан настоящий термоэлектрический генератор. Остаётся только заставить устройство работать.

Чтобы включить в работу такой самодельный термоэлектрический генератор, достаточно поместить один узел соединения (медь-сталь) в горячую среду, а другой узел соединения (медь-сталь) в холодную среду.

Конструкция простейшего термоэлектрического генератора энергии. Этот прототип, конечно, создаёт незначительный электрический ток, но кто сказал, что установку невозможно модернизировать

Два свободных конца металлических скрепок образуют выходной интерфейс простейшего термоэлектрического генератора. Поскольку эффект генерации такого несложного устройства незначительный, выход следует подключить к вольтметру на измерение малых напряжений.

В качестве температурных источников, в данном случае, используются электрическая плита и стакан, заполненный солью, смешанной со льдом (температура холодной среды ниже нуля).

Эффект Зеебека, опробованный в деле

Как видно из показаний вольтметра, самодельный простой термоэлектрический генератор выдаёт напряжение, равное 1,2 милливольтам. Эта величина, конечно, незначительная, тем не менее, здесь важен сам факт генерации тока.

На картинке выше часть проводника, что находится в горячей среде (на электрической плите), прижата дополнительным грузом для лучшего контакта. Этот груз прямого отношения к устройству не имеет.

Созданное таким способом устройство генерации действует по теории эффекта Зеебека. Эта теория основана на том, что два разных металла, соединённые вместе и находящиеся в условиях разных температур, способны создавать электрический ток.

Эффект более выраженным получается в случае увеличения разницы температур между двумя средами. Также значение для эффективности устройства имеет комбинация металлов. Если одни комбинации металлов работают лучше, другие работают хуже.

Технически существует возможность усовершенствовать термоэлектрический генератор, если использовать полупроводник вместо двух разных металлов. В частности, достаточно эффективным видится применение модуля Пельтье – термоэлектрического преобразователя.

Между тем, эффект Пельтье является обратным эффектом Зеебека. Поэтому чтобы получить электричество (теория Зеебека), термоэлектрический модуль нужно подогревать. Для этого применяется обычный силовой транзистор.

Структура устройства с транзистором: 1 – полистирольная теплоизоляция; 2 – источник тепла (силовой транзистор); 3 – алюминиевые плиты (горячая, холодная) стороне; 4 – термоэлектрический модуль Пельтье; 5 – датчики температуры; 6 – область однородной температуры

Полупроводниковый термоэлектрический генератор

На основе полупроводника можно попытаться создать конструкцию термоэлектрического генератора, применив следующие компоненты:

• модуль Пельтье (33.4 Вт, 3.9A, 15.4В, 30×30мм),
• силовой транзистор TIP32A или аналогичный,
• переменный резистор 10 кОм,
• датчики температуры LM35.

Основные требования по отношению к построению генератора на полупроводнике предполагают наличие модуля Пельтье, а также источника тепла для горячей стороны плиты модуля.

Однако любое термоэлектрическое устройство является хорошим проводником тепла. Становится очевидным: температура холодной плиты может сравняться с температурой горячей плиты, если тепло не отводится от холодной части.

Модуль Пельтье в промышленном исполнении. Подобные полупроводниковые элементы реализуются в широком ассортименте, что делает возможным подбор модуля под требуемый диапазон

Поэтому дополнительным требованием является установка на холодной стороне плиты радиатора, который принудительно охлаждается вентилятором. Таким способом обеспечивается поддержание относительно постоянной температуры. Удобным способом нагрева горячей стороны плиты видится использование силового транзистора, плотно посаженного и закреплённого на пластине.

В данном экспериментальном варианте используется силовой транзистор p-n-p типа TIP32A. Между тем любой подобный транзистор вполне подойдёт для построения конструкции. Базовый ток транзистора управляется переменным резистором (для экспериментальной конструкции использовался номинал 10 кОм).

При напряжении на коллекторе транзистора, равном 12В, электрический ток, протекающий через полупроводник, варьируется с помощью резистора в пределах 0 — 2А. Обеспечивается примерно 20Вт тепловой мощности от транзисторного нагревающего источника.

Температуры, как горячей стороны плиты, так и радиатора измеряются посредством датчиков температуры типа LM35. Датчики дают выходные напряжения 10 мВ/°C. На картинке ниже показана экспериментальная конструкция термоэлектрического генератора.

Экспериментальное устройство генерации показывает относительно небольшую выработку энергии. Практически крайне сложно получить значительные мощности и в этом главный недостаток устройств подобного рода

Тепловой насос под солнечную энергию

Возвращаясь от генераторов к тепловым насосам, стоит отметить ещё один привлекающий вариант термоэлектрических устройств, где используется нагрев от естественного источника – солнца.

Подобные конструкции обещают более эффективную отдачу при условии правильного построения. К тому же в этом случае не требуется затрачивать искусственную энергию на подогрев.

Солнечный тепловой насос можно представить в образе двух отдельных ёмкостей, которые имеют циркуляционные контуры. Одна ёмкость исполняет роль горячей стороны, вторая, соответственно, исполняет роль холодной стороны.

Между ёмкостями устанавливается термоэлектрический преобразователь (к примеру, тот же модуль Пельтье). Горячая ёмкость дополняется солнечной панелью. Холодная ёмкость дополняется радиатором охлаждения. Схематично конструкция выглядит примерно так:

Структурная схема солнечного теплового насоса: A – ёмкость горячая; B – ёмкость холодная; 1 – солнечная энергия; 2 – стекловидное покрытие; 3 – тепловая изоляция; 4 – термоэлектрический преобразователь (модуль Пельтье); 5 – металлический радиатор; 6 – тепловая радиация; 7 – электрический ток

Как демонстрирует структурная схема теплового насоса, работающего от солнечной энергии, при нагреве через солнечную панель вода в контуре начинает циркулировать, разогревая, таким образом, весь объём жидкости. Теплом жидкости нагревается горячая сторона модуля Пельтье.

В свою очередь в холодной ёмкости наблюдается аналогичный эффект, но за счёт охлаждения жидкости через радиатор. Получаемая разница температур даёт электричество на термоэлектрическом преобразователе.

Нужно отметить, эта идея появилась достаточно давно. Задолго до появления модулей Пельтье и вообще систем кондиционирования. На практике эту систему применяли в разных видах, но значительного эффекта добиться так и не удавалось. Возможно, современные технологии помогут достичь высоких горизонтов.

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