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Termogeneradores: cómo "soldar" electricidad en una estufa de gas
Uno de los foros eléctricos hizo la siguiente pregunta: "¿Cómo puedo obtener electricidad usando gas doméstico común?" Esto fue motivado por el hecho de que el gas de este compañero, y de hecho, como muchos, se paga simplemente de acuerdo con los estándares sin medidor.
No importa cuánto use, de todos modos paga una cantidad fija, y ¿por qué no convertir el gas ya pagado pero no gastado en electricidad independiente? Entonces apareció un nuevo tema en el foro, que fue recogido por el resto de los participantes: una conversación íntima ayuda no solo a reducir la jornada laboral, sino también a matar el tiempo libre.
Se han sugerido muchas opciones. Simplemente compre un generador de gasolina y llénelo con gasolina obtenida por destilación de gas doméstico, o rehaga el generador para que funcione inmediatamente con gas, como un automóvil.
En lugar de un motor de combustión interna, se propuso un motor Stirling, también conocido como motor de combustión externa. Aquí hay solo un buen comienzo (el que creó el nuevo tema) reclamó una potencia de generador de al menos 1 kilovatio, pero se racionalizó, diciendo que tal remolino no cabría incluso en la cocina de un pequeño comedor. Además, es importante que el generador esté en silencio, de lo contrario, bueno, usted mismo sabe qué.
Después de muchas sugerencias, alguien recordó haber visto una imagen en un libro que muestra una lámpara de queroseno con un dispositivo estelar de haces múltiples para alimentar un receptor de transistores. Pero esto se discutirá un poco más, pero por ahora ...
Termogeneradores. Historia y teoría
Para recibir electricidad directamente de un quemador de gas u otra fuente de calor, se utilizan generadores de calor. Al igual que un termopar, su principio de funcionamiento se basa en Efecto Seebeckinaugurado en 1821.
El efecto mencionado es que en un circuito cerrado de dos conductores diferentes aparece una fem si las uniones de los conductores están a temperaturas diferentes. Por ejemplo, una unión caliente está en un recipiente con agua hirviendo, y el otro en una taza de hielo derretido.
El efecto surge del hecho de que la energía de los electrones libres depende de la temperatura. En este caso, los electrones comienzan a moverse desde el conductor, donde tienen una mayor energía en el conductor, donde la energía de las cargas es menor. Si una de las uniones se calienta más que la otra, entonces la diferencia en las energías de las cargas en ella es mayor que en la fría. Por lo tanto, si el circuito está cerrado, surge una corriente, exactamente la misma potencia térmica.
Aproximadamente la magnitud de la termoenergía se puede determinar mediante una fórmula simple:
E = α * (T1 - T2). Aquí, α es el coeficiente termoeléctrico, que depende solo de los metales de los que está compuesto el termopar o termopar. Su valor generalmente se expresa en microvoltios por grado.
La diferencia de temperatura de las uniones en esta fórmula (T1 - T2): T1 es la temperatura de la unión caliente, y T2, respectivamente, del frío. La fórmula anterior se ilustra claramente en la Figura 1.
Figura 1. Principio de termopar
Este dibujo es clásico, se puede encontrar en cualquier libro de texto de física. La figura muestra un anillo formado por dos conductores A y B. La unión de los conductores se llama uniones. Como se muestra en la figura, en una unión caliente T1, la termoenergía tiene una dirección del metal B al metal A. A en una unión fría T2 del metal A al metal B. La dirección de la termoenergía indicada en la figura es válida para el caso en que la termoenergía del metal A es positiva con respecto al metal B .
Cómo determinar la potencia termoeléctrica de un metal.
El poder termoeléctrico de un metal se determina con respecto al platino. Para esto, un termopar, uno de cuyos electrodos es platino (Pt), y el otro es el metal de prueba, se calienta a 100 grados centígrados. El valor de milivoltios obtenido para algunos metales se muestra a continuación.Además, debe tenerse en cuenta que no solo cambia la magnitud de la energía termoeléctrica, sino también su signo con respecto al platino.
En este caso, el platino juega el mismo papel que 0 grados en la escala de temperatura, y toda la escala de valores de termoenergía es la siguiente:
Antimonio +4.7, hierro +1.6, cadmio +0.9, zinc +0.75, cobre +0.74, oro +0.73, plata +0.71, estaño +0.41, aluminio + 0.38, mercurio 0, platino 0.
Después del platino, hay metales con un poder termoeléctrico negativo:
Cobalto -1.54, níquel -1.64, constantan (una aleación de cobre y níquel) -3.4, bismuto -6.5.
Usando esta escala es muy simple determinar el valor de la energía termoeléctrica desarrollada por un termopar compuesto de varios metales. Para hacer esto, es suficiente calcular la diferencia algebraica en los valores de los metales de los que están hechos los termoelectrodos.
Por ejemplo, para un par antimonio-bismuto, este valor será +4.7 - (- 6.5) = 11.2 mV. Si se usa un par de hierro - aluminio como electrodos, entonces este valor será solo +1.6 - (+0.38) = 1.22 mV, que es casi diez veces menor que el del primer par.
Si la unión fría se mantiene a una temperatura constante, por ejemplo, 0 grados, entonces la potencia térmica de la unión caliente será proporcional al cambio de temperatura, que se utiliza en los termopares.
Cómo se crearon los termogeneradores
Ya a mediados del siglo XIX, se hicieron numerosos intentos para crear generadores de calor - dispositivos para generar energía eléctrica, es decir, para alimentar a varios consumidores. Como tales fuentes, se suponía que debía usar baterías de termopares conectados en serie. El diseño de dicha batería se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Batería térmica, esquemática
El primero batería termoeléctrica creado a mediados del siglo XIX por los físicos Oersted y Fourier. El bismuto y el antimonio se usaron como termoelectrodos, exactamente el mismo par de metales puros con la mayor potencia termoeléctrica. Las uniones calientes se calentaron mediante quemadores de gas, mientras que las uniones frías se colocaron en un recipiente con hielo.
En experimentos con termoelectricidad, las termopilas se inventaron más tarde, adecuadas para su uso en algunos procesos tecnológicos e incluso para la iluminación. Un ejemplo es la batería Clamone, desarrollada en 1874, cuya potencia era suficiente para fines prácticos: por ejemplo, para el dorado galvánico, así como para su uso en imprentas y talleres de grabado solar. Casi al mismo tiempo, el científico Noé también participó en el estudio de las termopilas; sus termopilas también estaban bastante extendidas en ese momento.
Pero todos estos experimentos, aunque exitosos, estaban condenados al fracaso, ya que las termopilas basadas en termopares de metal puro tenían una eficiencia muy baja, lo que dificultaba su aplicación práctica. Los humos puramente metálicos tienen una eficiencia de solo unas pocas décimas de porcentaje. Los materiales semiconductores tienen una eficiencia mucho mayor: algunos óxidos, sulfuros y compuestos intermetálicos.
Termopares semiconductores
Una verdadera revolución en la creación de termopares fue hecha por los trabajos del Académico A.I. Joffe A principios de los años 30 del siglo XX, propuso la idea de que utilizando semiconductores es posible convertir la energía térmica, incluida la solar, en energía eléctrica. Gracias a la investigación ya realizada en 1940, se creó una fotocélula semiconductora para convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica.
Primera aplicación práctica. termopares semiconductores debería considerarse, aparentemente, un "jugador de bolos partidista", lo que permitió suministrar energía a algunas estaciones de radio partidistas portátiles.
La base del termogenerador eran elementos de constantan y SbZn. La temperatura de las uniones frías se estabilizó con agua hirviendo, mientras que las uniones calientes se calentaron con la llama de un fuego, mientras que se garantizó una diferencia de temperatura de al menos 250 ... 300 grados. La eficiencia de tal dispositivo no era más de 1.5 ... 2.0%, pero el poder para alimentar las estaciones de radio era suficiente.Por supuesto, en esos tiempos de guerra, el diseño del "jugador de bolos" era un secreto de estado, e incluso ahora, su diseño se está discutiendo en muchos foros de Internet.
Generadores de calor domésticos
Ya en los años cincuenta de la posguerra, la industria soviética comenzó la producción. generadores térmicos TGK - 3. Su objetivo principal era alimentar radios alimentadas por baterías en áreas rurales no electrificadas. La potencia del generador fue de 3 W, lo que hizo posible alimentar receptores de batería, como Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 y algunos otros.
La apariencia del termogenerador TGK-3 se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Generador térmico TGK-3
Diseño de generador térmico
Como ya se mencionó, el generador de calor fue diseñado para su uso en áreas rurales, donde se utilizó iluminación lámparas de queroseno "rayo". Tal lámpara, equipada con un generador térmico, se convirtió no solo en una fuente de luz, sino también en electricidad.
Al mismo tiempo, no se requerían costos de combustible adicionales, porque exactamente esa parte del queroseno que simplemente voló hacia la tubería se convirtió en electricidad. Además, dicho generador siempre estaba listo para funcionar, su diseño era tal que simplemente no había nada que forzar. El generador simplemente podría estar inactivo, trabajar sin carga, no tenía miedo a los cortocircuitos. La vida del generador, en comparación con las baterías galvánicas, parecía una eternidad.
La parte cilíndrica alargada del vidrio desempeña el papel del tubo de escape de la lámpara de queroseno "rayo". Al usar la lámpara junto con el generador de calor, el vidrio se acortó y se insertó una unidad de transferencia de calor de metal 1, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Lámpara de queroseno con generador termoeléctrico.
La parte externa del transmisor de calor tiene la forma de un prisma multifacético en el que se montan las termopilas. Para aumentar la eficiencia de la transferencia de calor, el transmisor de calor en el interior tenía varios canales longitudinales. Al pasar por estos canales, los gases calientes entraron en el tubo de escape 3, calentando simultáneamente la termopila, más precisamente, sus uniones calientes.
Se usó un radiador enfriado por aire para enfriar las uniones frías. Es una costilla metálica unida a las superficies externas de los bloques de termopila.
Termogenerador - TGK3 consistió en dos secciones independientes. Uno de ellos generó un voltaje de 2V a una corriente de carga de hasta 2A. Esta sección se usó para obtener el voltaje del ánodo de las lámparas usando un transductor de vibración. Se utilizó otra sección con un voltaje de 1.2 V y una corriente de carga de 0.5 A para alimentar las lámparas de incandescencia.
Es fácil calcular que la potencia de este termogenerador no superó los 5 vatios, pero fue suficiente para el receptor, lo que permitió alegrar las largas tardes de invierno. Ahora, por supuesto, esto parece simplemente ridículo, pero en aquellos días, tal dispositivo era indudablemente un milagro de la tecnología.
En 1834, el francés Jean Charles Atanaz Peltier descubrió el efecto opuesto al efecto Seebick. El significado del descubrimiento es que durante el paso de la corriente a través de la unión de materiales diferentes (metales, aleaciones, semiconductores) se libera o absorbe calor, lo que depende de la dirección de la corriente y los tipos de materiales. Esto se describe en detalle aquí: Efecto Peltier: el efecto mágico de la corriente eléctrica.
Ver también en electro-es.tomathouse.com
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