Как получить электричество из тепла; использование элемента Пельтье для выработки энергии, сборка термогенератора

Как получить электричество из тепла — использование элемента Пельтье для выработки энергии, сборка термогенератора

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Как определить термоЭДС металла?

Термоэлектродвижущая сила возникает в замкнутом контуре при соблюдении двух условий:

1. Если он состоит хотя бы из двух проводников, изготовленных из различных материалов.
2. Если все входящие в состав контура разнородные участки имеют различную температуру (хотя бы в области соединения).

В физике данное явление называют эффектом Зеебека.

Величина термоЭДС зависит от вида материалов и разности их температур.

Определяют ее по формуле:

Е = к (Т1 – Т2),

• Где Т1 и Т2 – температура проводников,
• К – коэффициент Зеебека.

Наибольшей производительностью обладают контуры, состоящие из разнородных полупроводников (обладающих р- и n-проводимостью). В металлах эффект Зеебека проявляется незначительно, за исключением некоторых переходных металлов и их сплавов, например, палладия (Pd) и серебра (Ag).

Теплообменники широко применяются в быту. Довольно легко можно сделать теплообменник своими руками инструкция по сборке представлена в статье.

Пошаговая инструкция по облицовке камина своими руками представлена тут.

Знаете ли вы, что напряжение всего в 12 Вольт может служить источником тепла? По ссылке https://4air.ru/otopitelnoe-oborudovanie/obogrevateli/12-volt-svoimi-rukami.html инструкция по изготовления обогревателя 12 Вольт своими руками.

Электричество в лесу своими руками

В продолжение темы о самодельных девайсах. http://tutankanara.livejournal.com/410005.html
На этот раз речь пойдёт о темрогенераторе на элементах Пельтье.

Элементы Пельтье это такие небольшие (обычно 4х4 см.) штуковины, состоящие из керамических пластин и биметалла между ними, посредством которого при нагревании одной стороны и охлаждении другой – вырабатывается электрический ток. Или наоборот, подавая ток, нагреваем одну сторону и охлаждаем другую. Данное свойство элементов Пельтье используют при изготовлении переносных холодильников, но меня в первую очередь больше интересует генераторная способность этих устройств.

Действительно, очень удобно. Нагреваешь одну сторону элемента, охлаждаешь другую – и получаешь достаточный ток и напряжение для зарядки, например, сотового или прочих электронных девайсов. А у меня вообще с электричеством напряг, часто не бывает, так что такая штука мне жизненно необходима. Нет, конечно, частично, проблему нехватки электричества могут решить солнечные батареи. Это, на данном этапе, я вообще считаю один из лучших источников альтернативной энергетики. Поэтому у меня есть и солнечная батарея (о которой расскажу позже), небольшой, но достаточной для меня мощности. Выдаёт она где-то 1 – 1,5 ампера при напряжении от 5 до 15 вольт.

Но солнце есть не всегда, поэтому термогенератор оказался нужнее. Да и вне цивилизации он необходим, а также выживальщики, я думаю, такими вещами интересуются.

Для создания термогенератора подойдут не всякие элементы Пельтье, а лишь те, которые держат температуру 300-400 градусов. Конечно, можно изготовить генератор и из обычных элементов, тех, что применяют в холодильниках, но лишь в порядке эксперимента. Ибо, чуть только перегреете – и элемент выйдет из строя. Приобрести высокотемпературные элементы можно у американцев или у китайцев. (Небольшое отступление про китайцев: читая мой блог, может сложиться неверное представлениея, что я плохо отношусь к Китаю или китайцам. Совсем наоборот, Китаем я восхищаюсь, что не мешает мне считать, что это самый вероятный наш противник. Опять же, немцы тоже когда-то были нашим врагом, да и французы, да и кто только не был. И что с того? Будет война – будем ненавидеть, но пока мир – мы друзья. Тем более, что всё в конце концов закончится, как ранее в случае с другими нациями. И таки станут, после всех войн, русские и китайцы – братьями навек. Аминь.)
Можно приобрести элементы и у соотечественников, но уж совсем по баснословной цене, а это не наш путь.

Итак мой термогенератор нагревается масляной (на обычном, самом дешевом, подсолнечном масле) горелкой.

Видео. Термоэлектрический генератор

Эффект «Пельтье» позволяет создать небольшие генераторы и холодильники, работающие без подвижных частей. Повышение качества модулей и снижение энергопотребления мобильных устройств позволяет создать своими руками термоэлектрогенератор для зарядки аккумуляторов и снабжения небольшим количеством энергией различные устройства, где КПД не имеет особого значения.

Маркировка

Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка 4.

Рис 4. Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706

Маркировка разбивается на три значащих группы:

1. Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
2. Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
3. Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.

Таким же образом читается маркировка и других моделей серии ТЕС1, например: 12703, 12705, 12710 и т.д.

Эффект Пельтье, его обратимость

Изготовление автономных термических генераторов электричества стало возможным благодаря открытию известного из курса физики эффекта Пельтье, состоящего в следующем. Оказывается, что разнородные по структуре проводники при протекании через зону их спайки электрического тока обнаруживают интересное свойство, состоящее в появлении разницы температур между их пограничными точками.

На основании этого открытия был разработан специальный элемент «Пельтье», состоящий их двух разнесённых на некоторое расстояние пластин из керамики с помещённой между ними биметаллической прокладкой. При пропускании через такие системы электрических зарядов одна из этих обкладок нагревается, а другая, напротив, – охлаждается, что в принципе позволяет делать на их основе холодильные установки.

Важно! При изменении направления тока через стык проводников (при прямом эффекте) меняется вектор градации температуры на стыках.

На размещённом ниже рисунке изображены модули различного типа и размера, чаще всего применяемые в технических изделиях этого класса.

Как и многие другие электродинамические явления, этот эффект является полностью обратимым. Последнее означает, что при нагревании одной стороны пластин Пельтье и охлаждении другой на стыке между ними появится ЭДС, а через контактную зону и подключённую нагрузку потечёт небольшой ток (эффект Зеебека).

По этому принципу и функционирует рассматриваемый в этом обзоре генератор на элементах Пельтье, который вполне может работать на открытом воздухе (на рыбалке или в походе, например).

При проявлении эффекта Зеебека наблюдается та же зависимость от полярности происходящих изменений, а именно: если менять охлаждаемый и нагреваемый стыки местами, будет меняться и направление тока во всей системе. Таким образом, обратный элемент Пельтье как генератор электроэнергии представляет собой достаточно универсальное устройство, имеющее возможность регулировки величины и направления получаемой ЭДС.

Физическое объяснение

Причина возникновения разницы температур (в случае эффекта Пельтье) заключается в энергетике контактных зон, образующихся в местах стыка двух разнородных веществ (висмута и сурьмы, например). Особенности этих образований могут быть представлены следующим образом:

• Из-за различной концентрации положительных и отрицательных зарядов в границах полярных зон (в центре размещается одно вещество, по краям – другое) между ними образуются собственные разнонаправленные электрические поля;
• При протекании тока через контакт, в котором направление внешней и внутренней ЭДС совпадают, на поддержание перемещения электронов (на совершение работы в поле той же полярности) будет расходоваться внутренняя энергия вещества. Из основ физики известно, что такое явление соответствует остыванию материала в этом месте;
• Соответственно этому, во второй контактной зоне, где направление приложенной ЭДС противоположно внутреннему полю, электроны будут тормозиться, и внешнему источнику придётся затрачивать дополнительную энергию по их перемещению. Согласно тем же физическим законам, указанный эффект соответствует забору энергии или нагреву материала в точке стыковки (смотрите фото ниже).

Обратите внимание! Напряжённости таких полевых образований максимальны на пограничных участках двух неоднородных сред (полупроводников разной проводимости, например), вследствие чего здесь этот эффект проявляется с особой силой.

Среди работающих по этому принципу устройств наиболее известны термические модули (ТЭМ), состоящие из разных типов полупроводников с размещённой между ними медной токопроводящей прокладкой.

Термогенератор на элементах Пельтье

В этом видео канал Our Vidos TV покажет вам, как сделать термогенератор, который работает на огне с помощью элементов Пельтье. На изготовление этого генератора понадобится водный диспенсер, точнее одна деталь, которая находится внутри. Нам потребуется хороший охладитель центрального процессора ПК. Можно использовать обычный радиатор или радиатор с кулером. Также можно использовать водяное охлаждение. В качестве источника огня можно использовать любую возможность, которая дает нужное тепло и безопасно. В данном случае используется сухое горючее. Для водяного охлаждения можно использовать любую металлическую емкость, а также нам понадобится холодная вода.

В самом начале работы над нашим термогенератором нам необходимо разобрать водный диспенсер и вытащить оттуда деталь под названием элемент Пельтье. Его можно купить в этом китайском магазине. Стоит он очень дешево. Для него продается там же кулер охлаждения.
В большинстве случаев в диспенсерах это деталь находится под кулером. Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, который работает на выработку электричества за счет разности температур на его двух плоских поверхностях, либо продуцирует холод и тепло на разных его сторонах при подаче электричества (обратный эффект). Если к этому элементу мы подключим мощную батарейку, то одна сторона у него нагреется, а вторая станет очень холодный. Одна сторона достигает очень низкой температуры, доходя до минус 120 градусов. Вторая часть будет очень сильно нагреваться. Этот элемент можно использовать в охлаждении центрального процессора персонального компьютера. Широкого распространения такой способ не получил, так как элемент Пельтье потребляет слишком много электроэнергии.

Задача эксперимента

Этот термогенератор запустим в действие в качестве генератора электрического тока. То есть одну сторону его мы нагреем, а вторую охладим, в результате он будет вырабатывать электрический ток.

Действия пошагово

Теперь нам необходимо сделать саму конструкцию. Ее нужно сделать исключительно из металла. Для создания механической основы генератора нужно собрать несколько деталей, включая болты, гайки и другое. Конструкцию можно сделать на свое усмотрение.

В результате всех подготовительных действий получилась простая и довольно надежная конструкция. Элемент Пельтье хорошо зафиксирован и термогенератор почти готов. Снизу теперь необходимо поставить источник огня, а сверху желательно установить хороший охладитель. Ставим водное охлаждение и заливаем воду. Сразу же подключаем мультиметр для проверки выходной мощности термогенератора. Поджигаем сухое горючее и наблюдаем. Как мы видим, энергия постепенно повышается, а вольтаж будет зависеть от марки элемента Пельтье.

Для достижения большей эффективности рекомендуется использовать лучшее охлаждение и несколько термоэлектрических элементов. После того, как источник тепла мы убрали, энергия постепенно начал снижаться. Для лучшего охлаждения можно использовать кулер от центрального процессора компьютера, дополнительные радиаторы, водное охлаждение или все сразу. Если на верхнюю часть поставить холодный кулер, мощность генератора повышается. Если вы не хотите разбирать водный диспенсер, то элемент Пельтье вы можете найти интернет магазине (ссылка в начале статьи).

Тест термогенератора на Пельтье

Теперь можно протестировать термогенератор, попробовать зарядить телефон, включить лампочку. В тестовом испытании установлен обычный радиатор от компьютера, а сверху поставлено простое водное охлаждение. Создаем источник огня и подключаем любой потребитель. Пробуем подключить на 12-ти вольтовый машинный адаптер для зарядки телефона. Телефон заряжается достаточно эффективно. В итоге получился отличный термогенератор, который работает за счет нагрева огнем, а ток создается элементом Пельтье. Усилить его можно, добавив к одному установленному дополнительные преобразователи Пельтье. Этот генератор будет удобно использовать в походах. Особенность его в том, что не требуется солнечного освещения, как это необходимо для солнечных панелей. Такой генератор вы всегда сможете запустить в любую погоду.

Если вам нужен мощный источник электричества на Пельтье, работающий на костре, то в этой статье как раз о таком.

Шаг 2: Введение/материалы

Для изготовления поделки необходимо использовать минимальный набор электронных компонентов ведь цель проекта – изготовление генератора в кратчайшие сроки в отсутствии доступа к благам цивилизации.

Ключевым компонентом всего проекта был модуль Пельтье. Этот небольшой 40×40 мм белый керамический квадрат творит волшебство. 🙂

Модуль напоминает структуру бутерброда: керамическая пластина, тонкая металлическая плёнка, полупроводник, тонкая металлическая плёнка, керамическая пластина. К двум проводам, которые выступают из модуля, подводится постоянное напряжение. В результате чего одна сторона становится более прохладной, а другая теплее, создавая при этом разность температур.

Однако если приложить разность температур к сторонам модуля то получим обратный результат, который известен, как эффект Зеебека. Этот принцип мы и будем использовать для получения электроэнергии.

Список деталей, которые необходимы для того, чтобы построить проект:

• Элемент Пельтье;

• Пружинные клеммы;

• Батарейные блоки;
• Аккумуляторы;
• Большой радиатор охлаждения;
• Медный провод;
• Маленький пластиковый корпус;
• Другие дополнительные материалы.

Изготовление своими руками

Можно изготовить термоэлектрический генератор своими руками. Для этой цели потребуются некоторые элементы:

• Модуль, способный выдерживать нагрев до 300−400 °C.
• Повышающий преобразователь, цель которого заключается в приеме беспрерывного напряжения 5 В.
• Нагреватель в виде костра, свечки или какой-либо миниатюрной печи.
• Охладитель. Вода или снег — наиболее популярные подручные варианты.
• Соединительные элементы. Для этой цели можно использовать кружки или кастрюли разного размера.

Провода, проходящие между преобразователем и модулем, необходимо изолировать термостойким составом или обычным герметиком. Собирать устройство необходимо в такой последовательности:

1. От блока питания оставить только корпус.
2. Холодной стороной к радиатору нужно приклеить модуль «Пельтье».
3. Предварительно зачистив и отполировав поверхность, нужно приклеить элемент другой стороной.
4. От входа преобразователя напряжения необходимо припаять провода к выходам пластины.

При этом термогенератор для корректной работы должен быть наделен такими характеристиками: выходное напряжение — 5 вольт, тип выхода для подключения устройства — USB (или любой другой в зависимости от предпочтений), минимальная мощность нагрузки должна составлять 0,5 А. При этом можно использовать любой вид топлива.

Проверить механизм достаточно просто. Внутрь можно положить несколько сухих и тонких веточек. Поджечь их, а через несколько минут подключить какое-либо устройство, например, телефон для подзарядки. Собрать термогенератор несложно. Если все сделать правильно, то он прослужит не один год в поездках и походах.