Термоэлектрический генератор

Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.

Вид термоэлектрического генератора

Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.

Модули «Пельтье» разных размеров

Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.

Принцип действия модулей

На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.

Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).

Модуль «Пельтье»

Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.

Схема принципа работы модуля

В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.

Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.

Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.

На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.

Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.

На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.

Как выглядит структура модуля

Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.

Достоинства и недостатки ТЭМ

К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:

• малые размеры;
• возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
• обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
• отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.

Недостатки модулей:

• малый КПД (2-3%);
• необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
• значительное потребление электроэнергии;
• высокая стоимость.

Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:

• охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
• использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
• создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
• термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.

Термоэлектрический генератор

При малой производительности ТЭГ целесообразно применять в походных условиях, где требуется получить электричество для зарядки сотового телефона или светодиодной лампочки. Простота конструкции позволяет изготовить электрогенератор своими руками.

Альтернативными источниками также являются солнечные батареи или ветрогенератор. Для первых требуются особые условия – наличие солнечного освещения, которое может быть не всегда. Другой источник имеет большие габариты и для него необходим ветер. Ещё одним недостатком у них является наличие подвижных частей, снижающих надёжность и имеющих большой вес.

Термогенераторы промышленного изготовления

Компания BioLite разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного ТЭГ.

Компактная переносная печка на дровах

При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. Красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.

Схема работы ТЭГ компании BioLite на дровах

Печь-генератор «Индигирка», разработанная петербургским предприятием Криотерм, имеет характеристики:

• тепловая мощность – 6 кВт;
• вес – 56 кг;
• габариты – 500х530х650 мм;
• эл. мощность при напряжении 5В – 60 Вт.

Печь является обычной отопительно-варочной, где с двух сторон закреплены термоэлектрогенераторы.

Как выглядит печь-термоэлектрогенератор «Индигирка»

Устройство довольно удобное, но впечатляет цена – 50 тыс. руб. Хоть печь, и предназначена для походных условий, но рядовым охотникам и рыболовам она будет явно не по карману. Как отопительная, она ничем не лучше обычных и более дешёвых моделей.

ТЭГ своими руками

Чтобы термоэлектрический генератор собрать своими руками, необходимы следующие элементы:

1. Модуль. Для генерирования электрического тока можно применять не все модули, а только те, которые способны выдержать нагрев до 300-400⁰С. Наличие запаса по нагреву необходимо, поскольку даже при незначительном перегреве элемент выходит из строя. Наиболее распространены модели типа ТЕС1-12712 в виде квадратных пластин с размером стороны 40, 50 или 60 мм.

Если взять максимальный размер, достаточно в конструкции, сделанной своими руками, применить один элемент. Первые 3 цифры маркировки – 127 означают, сколько элементов содержится в 1 пластине. Последние цифры показывают величину максимально допустимого тока, который составляет 12 А.

2. Повышающий преобразователь. Он необходим для получения постоянного напряжения 5В. Генератор может выдавать меньшее напряжение, которое необходимо увеличить. Устройства выпускают зарубежные (типы 5V NCP1402 и MAX 756) и отечественные (3.3В/5В ЕК-1674). Для зарядки мобильника следует подобрать устройство с USB разъёмом.
3. Нагреватель. Простейшими вариантами являются костёр, свеча, самодельная лампа или миниатюрная печка.
4. Охладитель. Проще всего применять воду или в зимнее время – снег.
5. Соединительные элементы. Необходимо оборудование для создания максимально возможного температурного перепада между двумя сторонами пластины. Здесь выбор за умельцами, они чаще всего применяют 2 кружки или кастрюли разных размеров, у которых отпиливаются ручки и где одна вставляется внутрь другой. Между ними помещается модуль и крепится на термопасту. К нему припаиваются 2 провода и подключаются к преобразователю напряжения.

Провода между модулем и преобразователем защищаются термостойкой изоляцией и герметиком.

Во внутреннюю кружку наливается вода, и вся конструкция ставится на огонь. Через несколько минут можно проверить выходное напряжение мультиметром.

Для того чтобы собрать термоэлектрический генератор самостоятельно, понадобятся материалы:

1. элемент «Пельтье»;
2. корпус от старого блока питания компьютера для изготовления мини-топки;
3. преобразователь напряжения с USB выходом на 5В при входном 1-5 В;
4. радиатор с кулером от процессора;
5. термопаста.

Затраты здесь небольшие и устройство вполне способно зарядить мобильный телефон. Генератор, собранный своими руками, является аналогом зарубежной модели фирмы BioLite. Если его собрать аккуратно, устройство будет надёжно работать долгое время, поскольку ломаться здесь нечему. Важно только не перегреть элемент «Пельтье», отчего он может выйти из строя.

Несмотря на дополнительные энергозатраты, КПД установки возрастёт. Если радиатор будет сильно нагреваться в процессе работы, необходимо принять меры по его охлаждению. Иначе эффективность работы генератора будет низкой.

Характеристики генератора следующие:

• выходное напряжение – 5В;
• мощность нагрузки – 0,5А;
• тип выхода – USB;
• топливо – любое.

Устройство изготавливается следующим образом:

• разобрать блок питания, оставив корпус;
• приклеить термопастой модуль «Пельтье» к радиатору. Клеить надо холодной стороной, где нанесена маркировка;
• зачистить и отполировать наружную боковую поверхность корпуса блока питания и приклеить к ней элемент другой стороной (вместе с радиатором);
• припаять провода от входа преобразователя напряжения к выводам пластины.

Проверить ТЭГ можно, если наложить внутрь топки тонких веточек и поджечь их. Через несколько минут можно подключать телефон, для подзарядки которого требуется разница температуры сторон модуля 100⁰С. На рисунке ниже изображён генератор в сборке.

Термоэлектрогенератор в сборке, изготовленный своими руками

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.