У термоелектричних перетворювачах використаний ефект появи струму під впливом різниці температур в ланцюгах, що складаються з різних металів або напівпровідників. Цей струм виникає в ланцюгах батареї термоелементів, де теплова енергія перетворюється в електричну. Якщо взяти, наприклад, два електричних провідників, яких виготовлені з різних металів, і їх кінці спаяти, то при нагріванні одного і охолодженні іншого кінця в ланцюзі цих провідників термоелементів (званих також термопарою) - потече електричний струм. Створена таким чином е.р.с. буде залежати від різниці температур, а також від підбору матеріалів, що становлять термоелемент. Висока теплопровідність металевих термоелементів не дозволяє добитися значної різниці температур і тим самим великого к.к.д. джерела. В даний час застосовують напівпровідникові термоелементи або елементи, що складаються з провідника і напівпровідника.
Термоелектричні перетворювачі (або генератори) до появи транзисторних приймачів широко використовувалися в багатьох країнах для харчування лампових батарейних радіоприймачів (нагрівалися вони за допомогою гасових або газових ламп). У роки війни були відомі радянські "партизанські казанки", які застосовувалися для приготування їжі, і заодно для вироблення електроенергії для харчування рацій.
Напівпровідникові термоелектричні батареї використовують в холодильних установках і навіть в домашніх холодильниках. Принцип дії таких батарей заснований па оборотності властивостей термоелементів. Всі охолоджувальні спаи термоелектричної батареї поміщають всередині холодильника, а нагріваються - зовні. Обидві системи спаев забезпечені металевими радіаторами. Внутрішні радіатори поглинають тепло з холодильної камери, а зовнішні (розташовані ззаду холодильника) випромінюють його при підключенні такої системи до батареї постійного струму. Перевагою таких пристроїв є відсутність рухомих частин і довговічність.
Коефіцієнт корисної дії термоелектричних батарей дорівнює 5. 6%, але передбачається, що в будушем досягне 8. 10%. З цього моменту настане безсумнівний переворот в техніці так званої малої енергетики.
При роботі з термоелементами використовують також різницю температур між поверхневим шаром грунту і повітря. Вона зазвичай становить 2. 6 ° С (в деяких випадках 8. 10 ° С). Таким способом одержують потужність 70. 160 Вт з квадратного метра поверхні, що в середньому складе 1000 кВт / га.
1. Термоелектрична батарея. Розглянемо конструкцію термоелектричного джерела живлення, що має, скоріше, пізнавальну цінність, так як він дозволяє відчути проблеми термоелектрики. Джерело може знайти застосування для харчування простих транзисторних радіоприймачів, моделей, невеликих вентиляторів і т. П.
Спочатку кілька загальних зауважень. Максимальну температуру, до якої можна нагріти термопару, визначає точка плавлення одного з елементів. Отже, пару мідь - константан можна нагріти до З50 ° С, сталь - константан - до 315. 649 ° С (в залежності від діаметра дроту). Захист оголених дротів дозволяє підвищити температуру нагрівання. Пару хромель - алюмель можна нагріти до 700. 1151 ° С. Найчастіше застосовують дріт діаметром 0,25. 3,5 мм, причому товста дріт витримує більш високі температури. Для збільшення к.к.д. термопари слід максимально збільшити різницю температур між спаями (кінцями) термоелементів, т. е. треба підібрати пари металів таким чином, щоб отримати максимальну термоелектродвіжущей силу; слід прагнути до того, щоб відношення середньої теплопровідності матеріалів до середньої електропровідності було мінімальним.
У табл. 6.1 дано ряд металів, які можна використовувати для створення термоелементів. Для отримання кращих результатів слід підбирати матеріали, максимально віддалені один від одного в стовпці. Наприклад, пара сталь (нагорі) - константан (внизу) дає хороші результати, а мідь і срібло є малоактивною парою. Пара сурма - вісмут є найкращою, але практично недоступною для любителя: вона дає велику термоелектричне напруга - близько 112 мкВ / ° С. Крім того, кожен матеріал, зазначений в табл. 6.1, має негативний потенціал (-) по відношенню до всіх інших, що знаходяться вище в даному стовпці. Наприклад, в парі сталь - константан (53 мкВ / ° С) сталь буде мати позитивний потенціал (+). а константан негативний (-). У термопарі хромель-алюмель, хромель буде (+), а алюмель (-).
Практична конструкція термоелектричної батареї зображена на рис. 6.2. Для виготовлення батареї термоелементів потрібні два шматки дроту (сталевий і константановой) діаметром 0,3 мм і довжиною 18 м кожен. Після виготовлення 19 термоелементів (рис. 6.2, б) кінці кожного елемента старанно очищають наждачним папером і скручують разом плоскогубцями приблизно на три витка. Потім скручують кінці зварюють ацетиленового пальником або споюють сріблом над газовим пальником. Можна також застосувати точкове зварювання (рис. 6.2, з). Термоелементи монтують на платі, виготовленої з етерніта (асбоцемента), товщиною 5 мм або більше, яку зміцнюють за допомогою кронштейнів над підставою з фанери або дерева товщиною 20 мм. Метод виготовлення з'єднань і розміри дані на рис. 6.2, д-ж. При перевірці окремі термопари повинні давати струм: близько 22 мА при нагріванні сірником, близько 30 мА після нагрівання спиртової пальником.
Готову термоелектричний батарею підігрівають в середній частині над газовою, спиртової або бензинової пальником. Мідний вкладиш акумулює тепло і забезпечує електроенергією, наприклад, електричний мікродвигун протягом декількох хвилин після виключення пальника, що є самим ефектним моментом під час демонстрації. У цих умовах вимірювальний прилад, підключений до затискачів цього джерела живлення, показує напругу близько 0,5 В. При нормальному горінні підігрівача батарея віддає потужність 1,5 В х 0,3 А, що цілком достатньо, наприклад, для роботи мікродвигуна з вентилятором. Можна побудувати модель електростанції майбутнього, підключити до батареї транзисторний радіоприймач і т. Д. На рис. 6.2, і показана спрощена модель описаної вище термоелектричної батареї. Вона перетворює в електрику внутрішню енергію полум'я свічки і включає в себе 50 термоелементів довжиною 50 мм, прикріплених до азбестовому кільцю, огинаючої мідний вкладиш з 6-мм отвором посередині (камін). Батарея дає напругу 0,6 В і струм 8 мА (струм короткого замикання), від неї може працювати однотранзісторний приймач. І ще одне маленьке зауваження. При послідовному з'єднанні будь-якого числа однакових термопар (наприклад, сталь - константан - сталь - константан - сталь і т. Д.) Величина термо-е.р.с. на вихідних затискачах зросте, але в стільки ж разів збільшується і внутрішній опір батареї.
Мал. 6.2. Термоелектрична батарея:
а - асбестоцементний диск; б - термоелементи; в - робочий спай прикріплений до диска мідним дротом; д - попередній монтаж; е - мідний вкладиш, що вставляється в отвір диска, а також спосіб монтажу "гарячих" спаев (вони повинні перебувати над вкладишем, але не торкатися його); ж - загальний вигляд батареї; з - зварювальний апарат для спаев (вугільний електрод можна взяти від використаної електричної батареї); і - варіант конструкції.
Популярне в розділі
Нове на форумі
TOP 10 "Куточок конструктора"