Для умелых рук

Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые в обычных условиях можно купить либо зарядить. В условиях удаленных от благ цивилизации, например в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергии источников питания. Выручить сможет термобатарея.

Немного теории.

Термоэлектричество - явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения контакта разнородных проводников проходящим током.

ТермоЭДС - электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру (эффект Зеебека). Величина тер-моЭДС не зависит ни от площади контакта, ни от формы проводников, а зависит только от температур горячего Т1 и холодного Т2 контактов и от материалов проводников.

Эффект Пельтье обратный эффекту Зеебека. Если через контакт двух разнородных проводников пропускать электрический ток, то контакт будет нагреваться либо охлаждаться, в зависимости от направления тока. Степень нагрева или охлаждения зависит от силы тока и материалов проводников.

Эффект Томсона (Кельвина) состоит в том, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева, возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, - повышается.

Термопара — электрическая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, имеющих электрический контакт. ТермоЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100°С, - величина порядка 1 мВ. Чтобы ее повысить, можно соединить несколько термопар последовательно. Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре Т1, а другой - при температуре Т2. ТермоЭДС батареи равна сумме термоЭДС отдельных термопар. В любительских условиях можно изготовить неплохую термопару, если сварить угольным электродом (напряжение не выше 36 В) две проволоки, сочетая медь, константан, нихром, фехраль, никелин и серебро. Можно применить и проволочные стойки от электролампы.

ТермоЭДС полупроводников в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термоЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16... 17%. Для сравнения, у паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20...40%. Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках Земли, например в Арктике, и в космосе, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая - охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать и как термоэлектрический холодильник.

Зарядное устройство для мобильного телефона

Наиболее доступны по цене термобатареи, изготовленные тайваньской промышленностью. Мне попалось одна из них «МОДУЛЬ ПЕЛЬТЬЕ ТЕС 1_127060.40».

Это обозначение расшифровывается:

ТЕС - термоэлемент (от англ. Thermoelectric cooler);

1 - размер стороны ветви термоэлемента в мм;

127 - количество термоэлементов;

060 — максимальный ток (6 А);

40 - размер (40x40 мм);

Рмах — максимальная паспортная тепловая мощность этого модуля - 53 Вт.

Основное назначение этого модуля - холодильник. Но его можно использовать и, наоборот, в качестве термоэлектрогенератора. В Интернете мне попалось описание термоэлектрогенератора, использующего подобный модуль. Одну из конструкций (кружку) я решил повторить и усовершенствовать.

Рис.1

Рис.2

Принцип получения электроэнергии состоит в нагревании одной стороны модуля с одновременным охлаждением второй. Причем необходим интенсивный отвод тепла, поскольку существует перенос тепла внутри модуля, за счет которого снижается разность температур «горячей» и «холодной» сторон, а следовательно, и напряжение на выходе модуля.

Рис.3

Основой устройства служат две металлические кружки из тонкой нержавейки, размеры которых позволяют вставить их одна в другую с зазором около 1 см. Воздух в зазоре служит теплоизолятором, который сокращает теплообмен между источником тепла и охладителем (водой, снегом), которым заполняется внутренняя кружка. Между донышками кружек располагается термоэлемент (рис.1). Он должен иметь хороший тепловой контакт с обеими кружками. Для этого кружки должны иметь максимально ровные поверхности дна и, кроме того, обе поверхности термоэлемента необходимо смазать любой теплопроводящей пастой. Соединяются кружки стяжками, изготовленными из велосипедных спиц.

Для защиты модуля от попадания в него влаги был использован автомобильный герметик -прокладка, выдерживающий температуру около 300°С. Количество герметика должно быть минимально необходимым, поскольку он увеличивает теплообмен между кружками. Изоляция проводов для соединения термоэлемента с внешним миром должны выдерживать нагрев. Лучше использовать провода во фторопластовой изоляции. Одним из проводников может быть корпус кружки. Разъем для подключения был использован от батарейки типа «Крона». Если он располагается на внешней кружке, то контакты лучше осуществлять не пайкой, а сваркой или винтиками, так как внешняя кружка сильно нагревается. Изолировать соединение можно тем же автомобильным герметиком — прокладкой. Внешний вид получившегося устройства показан на рис.2.

Испытания проводились на домашней газовой плите (рис.3). Внутренняя кружка была наполнена водой из водопровода температурой приблизительно 20°С. На «холостом ходу» модуль давал на выходе чуть больше 3 В.

Без особых усилий из модуля удалось «выжать» 0,5 Вт, или 0,01 максимальной мощности устройства при сопротивлении нагрузки в пределах 5... 10 Ом. Это связано, в основном, с условиями теплообмена. Для снятия большей мощности необходимо интенсивнее отводить тепло с «холодной» стороны, например, использовать вместо воды снег. Этой мощности, однако, вполне хватает для зарядки мобильного телефона в походных условиях, используя тепло костра. Для этого достаточно собрать повышающий преобразователь напряжения, к примеру, на микросхемах IT34063, МАХ756, МАХ757 либо NCP1400. Напряжение на выходе устанавливается равным напряжению зарядки мобильного телефона.

А.Гридин, г. Киев

Смотрите также:
Экспериментальные источники энергии
Термоэлектрические генераторы