История создания термоэлектрического генератора тока

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Рекомендации

1. ^ аб
   Адроя, г-н Никундж; Б. Мехта, профессор Шрути; Шах, г-н Пратик (01.03.2015). «Обзор термоэлектричества для улучшения качества энергии». 2 — Выпуск 3 (март-2015). ДЖЕТИР. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
2. Зеебек, Т. Дж. (1825). «Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz (Магнитная поляризация металлов и минералов разницей температур)». Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin
   (Трактаты Королевской академии наук в Берлине)
   . С. 265–373.
3. Зеебек, Т. Дж. (1826). «Ueber die Magnetische Polarization der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz,» (О магнитной поляризации металлов и минералов разницей температур) «. Annalen der Physik und Chemie
   .
   6
   : 1–20, 133–160, 253–286.
4. Пельтье (1834 г.). «Nouvelles expériences sur la caloricité des courants électrique (Новые эксперименты по тепловому воздействию электрических токов)». Annales de Chimie et de Physique
   .
   56
   : 371–386.
5. «Как работают термоэлектрические генераторы — энергия алфавита». Алфавит Энергия
   . Получено 2015-10-28.
6. Чен, Мэн (2015-04-29). «Исследование глубоководной морской воды и тепловой энергии термоэлектрической генерации». Тезисы встреч
   . Электрохимическое общество. MA2015-01 (3): 706. Получено 11 марта 2022.
7. «Передовая термоэлектрическая технология: питание космических аппаратов и приборов для исследования Солнечной системы». НАСА
   . Получено 11 марта 2022.
8. Уокер, Крис (28 января 2013). «Как термоэлектрические генераторы могут помочь окружающей среде?». AZO Clean Tech
   . Получено 11 марта 2022.
9. ^ абcd
   Исмаил, Базель I .; Ахмед, Ваэль Х. (1 января 2009 г.). «Производство термоэлектрической энергии с использованием отходящего тепла в качестве альтернативной зеленой технологии».
   Последние патенты в области электротехники и электроники
   .
   2
   (1): 27–39. Дои:10.2174/1874476110902010027.
10. Снайдер, Г. (октябрь 2003 г.). «Термоэлектрическая эффективность и совместимость» (PDF). Письма с физическими проверками
    .
    91
    (14): 148301. Bibcode:2003ПхРвЛ..91н8301С. Дои:10.1103 / Physrevlett.91.148301. PMID 14611561.
11. Кандемир, Али; Озден, Айберк; Кейгин, Тахир; Севик, Джем (2017). «Инженерия теплопроводности объемных и одномерных наноархитектур Si-Ge». Наука и технология перспективных материалов
    .
    18
    (1): 187–196. Bibcode:2017STAdM..18..187K. Дои:10.1080/14686996.2017.1288065. ЧВК 5404179. PMID 28469733.
12. Канатзидис, М (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая эффективность в кристаллах Sn-Se». Природа
    .
    508
    (7496): 373–377. Bibcode:2014Натура.508..373Z. Дои:10.1038 / природа13184. PMID 24740068.
13. Хори, Такума; Шиоми, Дзюнъитиро (2018). «Настройка спектра фононного транспорта для получения лучших термоэлектрических материалов». Наука и технология перспективных материалов
    .
    20
    (1): 10–25. Дои:10.1080/14686996.2018.1548884. ЧВК 6454406. PMID 31001366.
14. ^ аб
    Ким, Санг (2015). «Плотные массивы дислокаций, внедренные в границы зерен для высокоэффективных объемных термоэлектриков» (PDF).
    Наука
    .
    348
    (6230): 109–114. Bibcode:2015Научный … 348..109K. Дои:10.1126 / science.aaa4166. PMID 25838382.
15. Ким, Д.С. (2008). «Варианты солнечного охлаждения — современный обзор». Международный журнал холода
    .
    31
    (1): 3–15. Дои:10.1016 / j.ijrefrig.2007.07.011.
16. Кожокару-Миредин, Оана. «Дизайн термоэлектрических материалов путем контроля микроструктуры и состава». Институт Макса Планка
    . Получено 8 ноября 2016.
17. Бисвас, Канишка; Он, Цзяцин; Блюм, Иван Д .; Ву, Чун-И; Хоган, Тимоти П .; Seidman, David N .; Dravid, Vinayak P .; Канатзидис, Меркури Г. (2012). «Высокоэффективные объемные термоэлектрики с масштабной иерархической архитектурой». Природа
    .
    489
    (7416): 414–418. Bibcode:2012Натура 489..414Б. Дои:10.1038 / природа11439. PMID 22996556.
18. Ansell, G.B .; Модрик, М. А .; Longo, J.M .; Poeppeimeler, K. R .; Горовиц, Х.С. (1982). «Оксид кальция и марганца Ca2Mn3О8″ (PDF). Acta Crystallographica Раздел B
    . Международный союз кристаллографии.
    38
    (6): 1795–1797. Дои:10.1107 / S0567740882007201.
19. «EspressoMilkCooler.com — Термоэлектрические силовые модули TEG CMO 800 ° C и Cascade 600 ° C с горячей стороны». espressomilkcooler.com
    .
20. Модули питания High Temp Teg В архиве 17 декабря 2012 г. Wayback Machine
21. Джон, Фэрбенкс (2014). «Автомобильные термоэлектрические генераторы и HVAC» (PDF). Департамент энергетики
    . Получено 11 марта 2022.
22. Ференбахер, Кэти. «Стартап наконец-то широко применяет технологию производства тепла в электроэнергию для автомобилей». Удача
    . Получено 11 марта 2022.
23. Fernández-Yáñez, P .; Armas, O .; Kiwan, R .; Стефанопулу, А.; Беман, А.Л. (2018). «Термоэлектрический генератор в выхлопных системах двигателей с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия. Сравнение с электрическим турбогенератором». Прикладная энергия
    .
    229
    : 80–87. Дои:10.1016 / j.apenergy.2018.07.107.
24. Чжоу, Ю; Пол, Сомнатх; Бхуниа, Сваруп (2008). «Сбор отработанного тепла в микропроцессоре с помощью термоэлектрических генераторов: моделирование, анализ и измерение». 2008 Дизайн, автоматизация и испытания в Европе
    : 98–103. Дои:10.1109 / ДАТА.2008.4484669. ISBN 978-3-9810801-3-1 .
25. Kraemer, D; Hu, L; Муто, А; Чен, X; Чен, G; Chiesa, M (2008), «Фотоэлектрические-термоэлектрические гибридные системы: общая методология оптимизации», Письма по прикладной физике
    ,
    92
    (24): 243503, Bibcode:2008АпФЛ..92x3503K, Дои:10.1063/1.2947591
26. Кремер, Дэниел (2011). «Высокопроизводительные плоские солнечные термоэлектрические генераторы с высокой тепловой концентрацией». Материалы Природы
    .
    10
    (7): 532–538. Bibcode:2011НатМа..10..532K. Дои:10.1038 / nmat3013. PMID 21532584.
27. Лю, Липенг (2014). «Возможность создания крупномасштабных электростанций на основе термоэлектрических эффектов». Новый журнал физики
    .
    16
    (12): 123019. Bibcode:2014NJPh … 16l3019L. Дои:10.1088/1367-2630/16/12/123019.
28. «GSF 2013: Проект: Полый фонарик». Google Science Fair
    . Получено 2015-12-25.
29. «Then-Drink: получение электричества из напитков». Общество науки и общественности
    . Архивировано из оригинал на 2015-12-26. Получено 2015-12-25.
30. Чанг, Эмили (17 июня 2014 г.). «B.C. Girl изобретает налобный фонарь, работающий от тепла тела». CBC Новости
    .
31. «По оценкам, к 2022 году мировой рынок термоэлектрических генераторов превысит 720 миллионов долларов США: по данным Market Research Engine». www.keyc.com
    . Получено 2015-10-28.
32. «Рынок термоэлектрических генераторов к 2022 году составит 547,7 миллиона долларов». www.prnewswire.com
    . Получено 2015-10-28.
33. Дин, Ю. (2019). «Высокоэффективное Ag n-типа2Пленка Se на нейлоновой мембране для гибкого термоэлектрического генератора ». Nature Communications
    .
    10
    (841): 841. Дои:10.1038 / s41467-019-08835-5. ЧВК 6381183. PMID 30783113.
34. «Рынок субваттных термоэлектрических генераторов на подъеме». 2016-03-15. Получено 2016-09-13.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека
Обозначения:

• 1 – медный проводник.
• 2 – проводник из сурьмы.
• 3 – стрелка компаса.
• А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.

Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.

Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.

Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Будущий рынок

Хотя технология ТЭГ использовалась в военных и аэрокосмических приложениях на протяжении десятилетий, новые материалы и системы ТЭ разрабатываются для выработки энергии с использованием отходящего тепла при низких или высоких температурах, и это может предоставить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также можно масштабировать до любого размера и иметь более низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание.

В целом инвестиции в технологию ТЭГ стремительно растут. Мировой рынок термоэлектрических генераторов оценивается в 320 миллионов долларов США в 2015 году. Согласно недавнему исследованию, ожидается, что TEG достигнет 720 миллионов долларов в 2022 году с темпами роста 14,5%. Сегодня, Северная Америка занимает 66% доли рынка и в ближайшем будущем останется крупнейшим рынком.[31] Однако, согласно прогнозам, рост в странах Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы будет относительно более высокими. Исследование показало, что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти со средним годовым темпом роста (CAGR) 18,3% в период с 2015 по 2020 год из-за высокого спроса на термоэлектрические генераторы со стороны автомобильной промышленности для повышения общей топливной эффективности. по мере роста индустриализации в регионе.[32]

Маломасштабные термоэлектрические генераторы также находятся на ранних стадиях исследования носимых технологий, чтобы сократить или заменить зарядку и длительность ускоренной зарядки. Недавние исследования были сосредоточены на новой разработке гибкого неорганического термоэлектрика, селенида серебра, на нейлоновой подложке. Термоэлектрики представляют собой особую синергию с носимыми устройствами, собирая энергию непосредственно из человеческого тела, создавая автономное устройство. В одном проекте использовался селенид серебра n-типа на нейлоновой мембране. Селенид серебра — это полупроводник с узкой запрещенной зоной, обладающий высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его идеальным для термоэлектрических применений.[33]

Маломощный ТЭГ или рынок «субватт» (т. Е. Генерирующий пиковую мощность до 1 Вт) — это растущая часть рынка ТЭГ, использующая новейшие технологии. Основные области применения — датчики, приложения с низким энергопотреблением и др. Интернет вещей Приложения. Специализированная компания по исследованию рынка сообщила, что в 2014 году было отгружено 100000 единиц, а к 2020 году ожидается 9 миллионов единиц в год.[34]

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Временная линейка развития изобретений

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

Пергелиометр для измерения солнечной активности

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. Потенциалы компонентов, взятых по отдельности:

• 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.

Термогенераторы Клэмонда

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.

Аккумулятор Гюльхера

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.

Натурный эксперимент показал средний срок службы в 200 часов, хотя один образец проработал 500, наконец, нашёлся экземпляр, прослуживший целых два года. В 1903 году некий журнал опубликовал сведения об общих испытаниях аккумулятора Гюльхера. В ходе работы зажжённая горелка грела термопары, пока напряжение на достигло 3,5 В. Потом прибор выключили и смотрели на характеристики после прекращения подачи газа. При снижении напряжения до 1,5 В ток резко оборвался. Вывод:

– 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.

Переносной генератор

Переносной термоэлектрический генератор Шудре напоминает по внешнему виду масляный фильтр грузового автомобиля. Для получения тепла требуется разжечь газовую горелку. Сохранилось чрезвычайно мало сведений о приборе. В изданиях 1898 года нашлась информация о совместных испытаниях изделия с упоминавшимися выше по тексту:

«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. Видно, что напряжение строго пропорционально общему числу. Шудре сконструировал экземпляр, состоящий из 720 элементов. Как следовало ожидать, результирующее напряжение составило 40 В, способное поддержать горение разрядной лампы».

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.

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Содержание

• 1 История
• 2 Строительство 2.1 Термоэлектрические материалы
• 2.2 Термоэлектрические преимущества
• 2.3 Термоэлектрический модуль
• 2.4 Термоэлектрические системы

внешняя ссылка

• Каллендар, Хью Лонгборн (1911). «Термоэлектричество». Британская энциклопедия
  .
  26
  (11-е изд.). С. 814–821.
• Малые термоэлектрические генераторы Дж. Джеффри Снайдера
• Канеллос, М. (24 ноября 2008 г.). Использование секретного источника силы Америки. Получено с сайта Greentech Media, 30 октября 2009 г. Веб-сайт: https://www.greentechmedia.com/articles/read/tapping-americas-secret-power-source-5259/
• LT Journal Октябрь 2010 г .: Уборочный комбайн сверхнизкого напряжения использует термоэлектрический генератор для беспроводных датчиков без батарей
• Сделай сам: как построить термоэлектрический генератор энергии из дешевого блока Пельтье
• Gentherm Inc.
• Это устройство использует холодное ночное небо для выработки электричества в темноте.