Термогенератор

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн admin

  • Администратор
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 7444
Термогенератор
« : 21.12.2010, 12:21:18 »
Advertisement
Термогенератор

За последние 10 лет появились и стали доступны чрезвычайно полезные в походах приборы. Главные из них, это, безусловно:

- GPS-приемник,

- сотовый телефон,

- мобильная радиостанция,

- цифровой фотоаппарат,

- светодиодный фонарь.

Однако все эти приборы потребляют исключительно чистое электричество и испытывают отвращение к таким традиционным туристским энергоносителям, как дрова, газ и бензин. Сегодня эти приборы потребляют уже не такое количество электричества как при своем рождении, появились замечательные батарейки типа «Duracell Ultra M3», но проблемы энергоснабжения остались.

Об этих проблемах знают все, кто ходил в сколь-нибудь продолжительные походы при отрицательной температуре (зимой или в горах). А еще об этих проблемах должны знать счастливцы, доучившиеся в средней школе до 8-го класса. Любая батарейка представляет собой электрохимический источник тока, эффективность которого (емкость и ток отдачи) стремительно падают в области отрицательных температур. Для электрохимических аккумуляторов (свинцовых, никель-кадмиевых, никель-металлгидридных, литиевых, и т.д.) это справедливо в той-же (если не в большей степени). Кроме того, для аккумуляторов необходимо учитывать еще и ток саморазряда, достигающий для некоторых типов аккумуляторов 30% емкости в месяц (www.cadex.ru, www.cadex.ru...s&mode=2 ). А если вспомнить о всяческих мелких неприятностях вроде намокания шмоток (вместе с батарейками) в рюкзаке, то становится совсем грустно. Короче говоря, если вы рассчитываете воспользоваться каким-нибудь прибором в походе, то следует брать с собой по крайней мере 2 комплекта элементов питания.

Со мной на протяжении нескольких лет постоянно путешествуют:

 GPS-приемник Garmin eTrex (2 батарейки типа АА, ресурс 24 часа),

 Светодиодный фонарь Petzl Tico (3 батарейки AAA, ресурс 24 часа),

 Мобильный телефон Siemens M35 ( Ni-CD аккумулятор, ?? часов) или Me-45 (Li-ion аккумулятор)

Цифровой фотоаппарат Fuji FinePix s7000 (4 батарейки AA, около 100 снимков).

При необходимости беру еще и радиостанцию JJ-Connect (4 батарейки ААА, 30 часов). Все ресурсы указаны заводские, они более или менее реальны при комнатной температуре. Для рации предполагается, что говорить за 30 часов придется раз 30 (стандартных средних радиосеансов), остальное время она включена на прием.

В зимних условиях похода в средней полосе ресурс (в среднем) должен быть уменьшен в 2 раза. В более суровых условиях – в 3 раза. В десятидневный поход в Хибины в марте я беру 2 комплекта (1 комплект установлен) батареек. Туда же в январе – 3 комплекта (хотя обычно хватает двух). К телефону всегда беру заряженный запасной аккумулятор. Штатный аккумулятор из телефона в походе вынимаю. В остальные сезоны в продолжительные походы беру 2 комплекта батареек для всего оборудования.

Не могу сказать, что меня радует необходимость таскать с собой повсюду тяжелые и совершенно несъедобные батарейки. Особенно зимой, когда, протаскав их весь поход, можно обнаружить, что они перемерзли и не годны. Поэтому я (и подозреваю, что не только я) постоянно думаю о возможности замены батареек в походе каким-нибудь альтернативным источником электроэнергии. Выбор для туристов не очень велик:

- солнечные батареи;

- элементы Пельтье;

- ветрогенератор;

- гидроэлектрогенератор;

- ручной генератор («динамо»);

- все остальное, еще более экзотическое.

Солнечные батареи требуют к себе внимания – их надо держать на солнце. А солнца может и не быть.  Ветрогенератор требует ветра, да и габариты его велики (по крайней мере в известных конструкциях). То же и с гидроэлектрогенератором. Ручной генератор, напротив, крайне нетребователен к природным условиям, жми рукой, да жми. Однако все три типа генераторов (ветро, гидро и ручной) содержат в своем составе электрическую машину с постоянными магнитами (а это вес), и механическую передачу, что вызывает вопросы относительно надежности.

Слава Богу, француз Жан Шарль Атаназ Пельтье в 1834 году, оторвавшись на секунду от бутыли бургундского J, открыл эффект своего имени. Эффект (в современном прочтении) заключается в следующем: при протекании электрического тока через соединение двух металлов, сплавов или полупроводников происходит выделение или поглощение тепла. Эффект обратим – т .е. если  на физически разнородных элементах цепи создать градиент температуры, в цепи потечет ток. В настоящее время серийно выпускаются элементы Пельтье, предназначенный для использования в составе холодильных установок различного назначения. В  СПб, в компании Криотерм (www.kryotherm.ru)  производят и специализированные модули для генерации энергии. Они имеют некоторые конструктивные отличия (в основном направленные на повышение рабочего напряжения модуля), но принципиально от «холодильных» не отличаются.

Я уже давно облизывался на элементы Пельтье, как источник электроэнергии в походе, но не доходили руки. А тут мы снова собрались в январе в Заполярье, и руки сразу дошли J. Необходимо было сделать зарядное устройство для мобильного телефона – через 10 дней ночевок на морозе аккумуляторы умирают даже отдельно хранимые. А мобильный телефон – самое мощное средство добыть машину и вовремя добраться до обратного поезда в условиях полярной ночи. Я полез искать в Интернете, где купить модуль Пельтье, добрался до Криотерма и обнаружил, что Криотерм уже сделал генератор на базе ковшика – черпачка. Это меня убедило в реальности моих фантазий. Живу я в Москве, в Питер ехать мне было не с руки, поэтому я поехал в магазин «Чип и Дип», где купил тайваньский модуль Пельтье (за 900 р), пригоршню радиодеталей (за 200 р)  и тюбик теплопроводящей пасты. На обратном пути я заехал в «автозапчасти», где купил герметик для выхлопных труб. Дома я порылся в шкафу, где нашел две алюминиевые кружки, одна из которых (после отпиливания ручки) могла вставляться внутрь другой. Итак, все было готово для сборки ТЕРМОГЕНЕРАТОРА ПЕЛЬТЬЕ.

Сборка генератора.

Смысл конструкции – взять бОльшую кружку, уложить ей на дно элемент Пельтье, сверху на элемент Пельтье установить меньшую. В меньшую наливается вода (насыпается снег), внешняя ставится на огонь (в моем варианте на газовую горелку). Далее технологические моменты:

- Поверхность кружек в месте контакта с элементом Пельтье должна быть ровной, зачищенной, а лучше всего полированной. Я, на всякий случай, отполировал дрелью, с вставленным в шпиндель войлочным пыжем, натертым пастой ГОЯ, но на самом деле это не представляется принципиальным.

- На поверхности касания элемента Пельтье и кружек (обоих) необходимо нанести термопроводящую пасту (КПТ-8).

- Пространство между донцами кружек, не занятое элементом Пельтье лучше заполнить термостойким герметиком (герметик для выхлопных труб).

Элемент Пельтье лучше всего брать с максимальным количеством ветвей (термоэлементов). Я купил TEC1-127120-50 (у него 127 элементов), на 12А в режиме охлаждения. Можно брать и на меньший ток ( для моих целей данный элемент оказался гораздо мощнее необходимого). Напряжение на выходе элемента (при снеге, насыпанном во внутреннюю кружку, на электрической плите) составляет около 3В. Ток – до 1.5А.  При кипящей воде в кружке на электрической плите мощность падает примерно в 3 раза (при этом напряжение падает до 1.2В).

Для зарядки сотового телефона необходимо более или менее стабильное напряжение +5В (Siemens M35, Ni-Cd) или +6.5В (Siemens Me45, Li-ion).  В качестве преобразователя напряжения (step-up converter) я использовал отечественную микросхему КР1446ПН1 в DIP корпусе. Существуют гораздо более мощные и функционально развитые аналоги, но в Москве они присутствуют только в корпусах для поверхностного монтажа, причем в миниатюрных, а возиться с распайкой уже не было времени и сил. Микросхему я включил в штатном режиме «5 Вольт» в соответствии с документацией (www.angstrem.ru/...446pn1.pdf ). На вход подал напряжение с элемента Пельтье. Кабель от элемента Пельтье пустил проводом МГТФЭ-0.35 (со временем собираюсь заменить на провода в термостойкой изоляции от электроплиты). Изоляцию проводов в термозоне обеспечил заворачиванием их в термостойкую ткань и заливкой герметиком. Выход проводов на кружке зафиксировал черной матерчатой изолентой. На всякий случай (вдруг градиент температуры изменит знак, например, кто-нибудь поставит кружку с кипятком в снег) на вход микросхемы (параллельно элементу Пельтье) припаял шунтирующий мощный диод. К выходу микросхемы припаял кабель от старой зарядки Siemens M35, и индикаторный светодиод («+5В»).

Потом подключил телефон Siemens M35, поставил генератор на горелку, а в кружку засыпал снег.  Через 15 сек. светодиод загорелся, а на индикаторе телефона появился символ «зарядка».

Используемая микросхема выдает не более 100 ма, что позволяет использовать только 20% от мощности, генерируемой элементом Пельтье. Для зарядки телефона мне этого вполне хватает, но со временем хочу поставить более сильноточный преобразователь (и на бОльшее напряжение, чтобы можно было заряжать Li-ion аккумуляторы, и батареи аккумуляторов).

Термогенератор ездил со мной в этом январе в Хибины, где мялся и бился в рюкзаке, отмокал в тамбуре палатки, замерзал в снегу, скатывался по камням, протрясся 3000 км на поезде, но на его работоспособности это никак не отразилось.

Итак, я стал счастливым обладателем ударопрочного электро-термогенератора, не имеющего подвижных частей и выдающего стабилизированное напряжение +5В при силе тока 100 ма (0.5 Вт). Мощность ограничена преобразователем напряжения. Вес генератора со всеми проводами и преобразователем напряжения –400 гр. Из них 100 гр – вес герметика, на который я не поскупился (можно существенно уменьшить его количество). Кроме выработки электричества, генератор еще и кипятит воду для чая. В дальнейшем я собираюсь поменять преобразователь (микросхему) на более мощный и пустить от кружки по-настоящему термостойкие провода – чтобы можно было эксплуатировать генератор не только на горелке, но и на обычном костре. Ожидаемая мощность генератора в модернизированном варианте – 3Вт при работе на снеге и около 1.5Вт при работе на кипящей воде. Эта мощность позволит (надеюсь) перейти на аккумуляторное питание всех приборов, что сэкономит в походах некоторый  вес и позволит не возиться с батарейками (не надо будет в морозы брать их с собой в спальник, носить за пазухой и т.п.).

Вот, собственно говоря, и весь термогенератор.

Пошел нагрев...

И началась зарядка (зажегся символ зарядки на экране телефона).

А это то, что скрывалось под названием "преобразователь".



overland-botsman.narod.ru/...

Оффлайн admin

  • Администратор
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 7444
Термогенератор
« Ответ #1 : 21.12.2010, 15:40:25 »

("Радио", №2, 1954 г., стр. 24)

В. Даниель-Бек, А. Воронин, Н. Рогинская


До настоящего времени единственным источником электрического тока, пригодным для питания радиоприемников в неэлектрифицированных сельских местностях, служили батареи из гальванических элементов. Однако названные батареи обладают рядом недостатков, основным из которых является то, что из-за саморазряда такие источники тока могут сохраняться лишь ограниченное время и что напряжение на их зажимах при разряде нестабильно (оно снижается в процессе эксплуатации примерно на 50%).

В настоящее время у нас разработаны и осваиваются промышленностью новые источники питания для радиоустройств – термоэлектрогенераторы.

В данной статье дается описание принципа действия и устройства термоэлектрогенератора типа ТГК-3 мощностью 3 вт, предназначенного для питания сельских батарейных радиоприемников «Родина-47», «Родина-52», «Искра»,
«Таллин Б-2», «Тула» и т. п.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектричсского эффекта, сущность которого заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных металлов между их свободнымн концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Если замкнуть такой термоэлемент (термопару) на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток (рис. 1). Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Величина термоэлектродвижущей силы определяется приближенно по формуле

Е = а(Т1 – Т2)  (1)

Здесь Е – термоэлектродвижущая сила в вольтах, Т1 и Т2 – соответственно температура нагретого и холодного (холодных концов) спая термопары, а – коэффициент термо-ЭДС, зависящий от природы обоих металлов, образующих данную термопару, и выражающийся в микровольтах на градус.


Рис. 1. Схема включения термопары

Возьмем кольцевой проводник, состоящий из двух металлов А и Б (рис. 2), и нагреем места их соединения соответственно до температуры Т1 и Т2 так, чтобы Т1 было больше, чем Т2. В горячем спае такой термопары ток идет из металла Б в металл А, а в холодном спае из металла А в металл В. Принято считать в таком случае термоэлектродвижущую силу металла А положительной по отношению к металлу Б.

Все известные металлы можно расположить в последовательный ряд так, чтобы любой предыдущий металл имел положительную термоэлектродвижущую силу относительно последующего. Ниже приведены значения термоэлектродвижущей силы в милливольтах, развиваемой термопарой, в которой одним термоэлектродом служит указанный металл, а другим – платина, разность температур спаев которой равна 100° С (знаки «+» и « – », стоящие перед цифровыми данными термоэлектродвижущей силы, указывают полярность этой ЭДС относительно платины).

Сурьма + 4,7

Железо +1,6

Кадмий + 0,9

Цинк + 0,7

Медь + 0,74

Золото + 0,73

Серебро + 0 71

Олово + 0,41

Алюминий + 0,38

Ртуть 0

Платина 0

Кобальт - 1, 52

Никель – 1,64

Константан (сплав меди и никеля) – 3,4

Висмут – 6,5

По приведенным выше данным легко подсчитать термоэлектродвижущую силу, развиваемую термопарой, составленной из любых указанных в таблице металлов. Она будет равна алгебраической разности термоэлектродвижущих сил двух термоэлектродов, для каждого из которых эта величина дается относительно платины. Так, например, термоэлектродвижущая сила пары висмут – сурьма , составит +4,7- ( – 6,5) = 11,2 мв,
а пары железо – алюминий +1,6 –– (+ 0,38) = 1,22 мв.

Рис.2. Кольцевой проводник, составленный из двух разных металлов

Если температуру холодного спая термопары поддерживать постоянной, термоэлектродвижущая сила будет изменяться приблизительно пропорционально изменению температуры горячего спая. Это дает возможность применять термопары для измерения тсмпературы.

Наряду с использованием термоэлектрических явлений для измерительных целей, начиная с середины прошлого столетия, делались многочисленные попытки применить термоэлементы для энергетических целей, т. е. использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов в качестве источников электрической энергии. На рис. 3 показано схематическое устройство термобатареи.

Рис. 3. Схематическое устройство термобатареи

Такой агрегат может найти практическое применение, если он будет обладать достаточно высоким коэффициентом полезного действия и сохранять свои свойства при длительной эксплуатации. Однако по причинам, о которых будет сказано дальше, до последнего времени не удавалось создать термоэлектрогенератор, удовлетворяющнй таким требованиям.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

Вследствие несовершенства нагревательных устройств далеко не вся тепловая энергия топлива поступает к горячим спаям термоэлементов. Кроме того, вследствие теплопроводности термоэлектродных материалов значительная часть тепла бесполезно расходуется, уходя от нагревателя через термоэлектроды к холодильнику. Наконец, не вся электрическая энергия, возникшая в результате термоэлектрического эффекта из тепловой энергии, отдается во внешнюю цепь. Часть этой энергии расходуется на преодоление внутреннего сопротивления термоэлемента. Поэтому полный КПД термогенератора получается низким.

Для увеличения термоэлектрического КПД, представляющего отношение отдаваемой термоэлектрогенератором электрической энергии к той части тепловой энергии, которая поступает к горячим спаям термоэлементов, следует стремиться:

1) повысить возможно более перепад температур между горячим и холодным спаями термоэлемента, т. е. работать при возможно более высокой температуре горячего спая, которая лимитируется температурами плавлении и жаростойкостью термоэлектродных материалов;
2) подбирать термоэлектродные материалы, развивающие в паре максимально высокую термоэлектродвижущую силу;
3) подбирать термоэлектродные материалы, у которых отношение средней теплопроводности к средней электропроводимости будет возможно меньшим.

Чисто металлические пары создают малую термоэлектродвижущую силу, поэтому КПД таких пар весьма низок (равен долям процента). Более высокие термо-ЭДС создает ряд веществ с полупроводниковыми свойствами (некоторые сульфиды, окислы, интерметаллические соединения). Но для этих веществ отношение средней теплопроводности к средней электропроводности бывает обычно выше, чем для чистых металлов. Однако термо-ЭДС некоторых полупроводниковых материалов настолько высока, что КПД термоэлементов, составленных. из подобных материалов, получается больше, чем в случае типичных металлов.

Применение веществ с полупроводниковыми свойствами затрудняется чрезвычайной хрупкостью этих веществ, легкой их окисляемостью, трудностью создания в горячем и холодном спаях контактов, устойчивых в условиях эксплуатации, а также сложностью технологии изготовления из этих материалов термоэлектродов с однозначными характеристиками. Из изложенного видно, что создать термоэлементы с достаточным КПД и с высоким сроком службы очень сложно. Этим и объясняются неудачные результаты многочисленых прежних попыток создания термоэлектрогенератора, приемлемого для энергетических целей.

Благодаря развитию отечественной науки и техники в настоящее время удалось построить пригодные ддя практики термоэлектргенераторы типа ТГК-3, которые имеют приемлемый (хотя и не очень высокий) КПД и достаточно высокий срок службы. Характеристики этого термоэлектрогенератора отнюдь не являются предельными. Надо полагать, что советские ученые дальнейшими своими работами достигнут значительного повышения этих характеристик.


Рис. 4. Устройство термоэлектрогенератора ТГК-3

КОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ТГК-3

Термоэлектрогенератор ТГК-3 предназначен для питания индивидуальных радиоприемников в неэлектрифицированных местностях, где применяется керосиновое освещение. Поэтому в качестве источника тепловой энергии для термоэлектрогенератора было решено использовать обычную керосиновую лампу-"молнию" служащую одновременно и для целей освещения. Таким образом, термоэлектрогенератор ТГК-3 не требует специальных затрат топлива для своей работы.

В заголовке статьи показан внешний вид термоэлектрогенератора ТГК-3, а на рис.4 - его схематическое устройство. Лампа, обогревающая термоэлектрогенератор, имеет укороченное стекло без верхней цилинрической части. Внутрь этого стекла, непосредственно над пламенем лампы, входит нижняя часть металлического теплопередатчика, имеющего форму многогранной призмы 1. На боковой поверхности верхней части этого теплопередатчика, выступающей над стеклом, расположены блоки термобатареи 2.

Для использования теплопередачи не только путем лучеиспускания от пламени, но и путем конвекции теплопередатчик снабжен несколькими продольными каналами. По этим каналам горячие газы (продукты сгорания в смеси с избыточным воздухом) поступают в вытяжную трубу 3, расположенную над теплопередатчиком. Для охлаждения холодных спаев термоэлементов к внешним поверхностям блоков прижаты металлические радиаторные ребра 4. Таким образом здесь осуществляется воздушное охлаждение.

Термоэлектрогенератор имеет две самостоятельные термобатареи, состоящие из большого числа последовательно соединенных элементов. Одна из них, дающая напряжение 2 в при токе 2 а, служит для питания анодных цепей приемника через вибропреобразователь, и вторая, дающая такое же напряжение при токе 0,5 а - для питания нитей накала. Кроме того, накальная батарея имеет отвод на 1,2 в (при токе 0,36 а). Спаи термоэлементов электрически изолированы от нагревателя и от ребер.

По сравнению с сухими элементами и батареями, применяемыми в настоящее время для питания радиоприемников, термоэлектрогенератор имеет ряд важных преимуществ. С экономической точки зрения одним из преимуществ является резкое уменьшение расхода цветных металлов. Кроме того, следует отметить, что термоэлектрогенератор может неограниченно долго храниться в нерабочем состоянии и обладает длительным сроком службы в условиях эксплуатации; он устойчив в работе, дает стабильное напряжение и не боится коротких замыканий. Так же как и сухие элементы и батареи, термоэлектрогенератор не требует специального ухода.

В настоящее время промышленность приступила к серийному выпуску термоэлектрогенераторов типа ТГК-3.

(с) Фото В.Брусникин

oldradio.onego.ru/.../tgk.htm

Грач

  • Гость
Термогенератор
« Ответ #2 : 02.01.2014, 19:29:01 »
Отличная статья.
Если кто надумает собирать себе такой же генератор вот www.dvrobot.ru/..._grafit.htm тут http://www.dvrobot.ru/shop/i675.termo_grafit.htm  можно посмотреть термогенераторные модули и элементы пельтье.

Оффлайн freelancer

  • Интересующийся
  • **
  • Сообщений: 20
Термогенератор
« Ответ #3 : 28.12.2014, 22:47:37 »
электрогенерирующая дровяная печь
« Последнее редактирование: 29.12.2014, 08:28:52 от freelancer »