Термоэлектрический генератор

Термоэлектрический генератор – это прибор, позволяющий получить электрическую энергию из тепла. Казалось бы, это превосходный источник энергии, но, к несчастью, обладает весьма низким КПД. К тому же, постоянный ток не преобразуется трансформаторами.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по другим данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. В то время КПД преобразования составил порядка 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора вполне мог соперничать с паровыми машинами того времени. Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (точнее говоря, катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не мог начать свои эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность этого события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив своё открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений он предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Вот почему принцип действия термоэлектрического генератора был объяснён магнитной поляризацией. Зеебек исследовал большое количество образцов, некоторые из которых были полупроводниками, и выстроил материалы в ряд по их способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и по сей день для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как наши учёные с радиоактивными металлами, так и Зеебек обращался со своими образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, был отдан приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы едва ли не руками ударяли друг о друга куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Понятно, что большинство из них в скором времени после этого погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, совсем как Гальвани в своё время, наблюдал «животное электричество». Нужно сказать, что он долго ещё верил бы в свои замечательные трансцендентные способности, если бы его домработница не заставила его думать, что все дело в нагреве образцов. Да, он делал это своим перстом, но то же самое мог проделать и любой другой смертный. После того, как карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, что если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, то стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту было дано весьма необычное и названо магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить такую позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании о своём открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет. Учёный никуда не спешил: заметив странное поведение стрелки морского компаса. Долгое время он изучал, оценивал, затем написал нескольким прогрессивно мыслившим современникам… Дальнейший открытия посыпались одно за другим:

  1. Закон Ома.
  2. Электромагнит.
  3. Электрокомпас.
  4. Гальванометр.
  5. Индуктивность.
  6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но что было на момент открытия Зеебеком термоэлектричества? Ничего! Совершенно точно известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода своего известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали такие понятия, как заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора, – и все! Никаких разниц потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Как ещё Зеебек мог назвать открытое им явление?

Незадолго перед этим Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата и тогда же ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса имел и Земной шар. Так что ничего удивительного нет в том, что Зеебек приписал своей установке такое странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса, совсем как планета Земля.

Буквально в течение года правильное объяснение было найдено. И Георг Ом использует термопару, как источник стабилизированного напряжения для открытия своего широко известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Вот с этого времени и можно открывать эру термоэлектричества.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало понятно, что тепло не может непосредственно превращаться в магнетизм, то была, наконец, отвергнута идея образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать и в электролизе (1831 год). Но сам термин ещё был неустойчивым. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине XIX века. Но все они были не более, нежели лабораторными установками для исследований различных процессов (некоторые из которых будут описаны ниже) и именовались по-иному.

Это совершенно точно, потому что в Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году была опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи было помещено концом термопар столько, чтобы напряжение их и ток были достаточными. Объединяя питающие элементы последовательно, можно было поднять вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток. Каждая термопара была сконструирована по образу и подобию той, что использовал Зеебек (сурьма – антимонид цинка). К тому времени уже была известна батарея Гюльхера (предположительно, 1898 год).

Термин батарея ввёл для лейденских банок (конденсаторов) Бенджамин Франклин.

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первым такой прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения более мощного источника питания. Дальнейшее развитие эта концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии опытов по исследованию инфракрасного спектра они создали тепловой мультипликатор. Идея пришла обоим после внесения прогрессивных изменений в конструкцию Швейггера (1825 год).

Как известно, задумка первого гальванометра была в том, что эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом они собрали «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого им нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя является стрелка компаса.

Временная линейка развития изобретений

Вслед первым ласточкам эффект Зеебека активно 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, как равную 1228 Вт/кв. м. Изначально пергелиометр не предполагалось использовать, как термоэлектрический генератор. Тем не менее, кое-какие наработки из этой конструкции служили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Читайте также:  Кавитационный теплогенератор

Вот некоторые данные по изобретению, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют более мощные свойства в сочетании металлов, нежели каждый из простых материалов по отдельности. В составе одной части цинка и двух – сурьмы образец давал разницу потенциалов 22,7. Тогда как потенциалы компонентов, взятых по отдельности следующие:

  • Сурьма – от 7 до 10.
  • Цинк – порядка 0,2.

Единственным исключением является сплав висмута с оловом. При составе его 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать свои исследования с пары из нейзильбера (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС не была велика. Тогда я испробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 цинка и 1 висмута. Но результат получился хрупким и с ярко выраженной кристаллической структурой.

Тогда был добавлен мышьяк с тем, чтобы как-то сгладить указанные недостатки. В результате было обнаружено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет гораздо большую пластичность при тех же термоэлектрических свойствах, которые наблюдаются у сплава Маркуса. Второй частью пары был оставлен нейзильбер.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса была приравнена к одной двадцатой от ячейки Даниэля, потому что давала 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 свой термоэлектрический генератор. Составленные шалашом термопары в верхней части объединялись нагреваемой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. Все бы хорошо, но 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 это на период 1867-1868 года. В его конструкции переход образован сульфидом меди и нейзильбером. На изображении: в ближний резервуар закачивалась холодная вода, а в дальний – раскалённый газ. Напряжение термоэлектрического генератора снималось со спиралевидных выводов.

Термогенераторы Клэмонда

По поводу этих термоэлектрических генераторов доктор Стоун высказал следующее. «Применение железа даёт неплохой эффект, который полностью нивелируется быстрым ржавением изделия.»

  • Термоэлектрический генератор (предположительно 1874 года выпуска) Клэмонда и Мура сконструирован из антимонида цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Подогреваемый он позволял за час получить примерно унцию меди, потребляя 6 кубических футов газа. Использовался также для плакирования металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрического генератора позволял изменить величину получаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы из антимонида цинка, тогда как треугольные листовые лопасти – железные.
  • В 1789 году термоэлектрический генератор Клэмонда был значительно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом он мог давать напряжение 109 В при токе около 1,75 А, потребляя за час 22 фунта угля. Коммутацией соединений вольтаж можно было уменьшить до 54 В. Ток термоэлектрического генератора при этом возрастал до 3,5 А. Подогреваемая угольной печью конструкция высотой под 2,5 метра и диаметром около метра, напоминающая кулер современных процессоров, снаружи содержала многочисленные железные крылья. Газы проходили внутри, раскаляя антимонид цинка. По некоторым данным каждые 20 термопар генератора давали 1 В напряжения.
  • Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 год) больше напоминает современную турбину какой-нибудь ТЭС по форме. Центральная часть термпопар подогревается горелкой, а периферия охлаждается за счёт излучения и конвекции. Это сравнительно мелкое 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 всего лишь на 110 мВ (одна десятая ячейки Даниэля) и включал 30 термопар, половинки которых объединены 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 этих изделий для широкого 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

Одна из последних конструкций, 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 эти цели тратится ежечасно 5 кубических футов газа. По мнению исследователей хороший прибор мог бы давать по крайней мере втрое больше при том же расходе.

Натурный эксперимент показал средний срок службы в 200 часов, хотя один образец проработал и 500, наконец, нашёлся экземпляр, прослуживший целых два года. В 1903 году один из журналов опубликовал сведения об общих испытаниях аккумулятора Гюльхера. В ходе работы зажжённая горелка грела термопары, пока напряжение на достигло 3,5 В. После этого прибор выключили и смотрели, как он будет себя вести после прекращения подачи газа. При снижении напряжения до 1,5 В и ток резко оборвался. Вывод был сделан следующий:

– Термонапряжение очень стабильное, что обусловлено значительной тепловой инерцией. Температурные изменения происходят неспешно, и так же плавно опускается напряжение при остывании.

Впрочем, то же самое заметил ещё Поггендорф, советовавший Георгу Ому использовать термопару вместо вольтова столба. Аккумулятор Гюльхера был весьма популярен в начале XX века. Так например, Лихайский Университет сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году были закуплены три термобатареи Скотта и одна – Гюльхера.

Конструкция напоминает устаревший на сегодняшний день радиатор отопления. Такие ещё можно встретить в общественных зданиях, построенных и оборудованных ещё СССР. Это переносной прибор: с каждой стороны имеется Т-образная рукоятка для транспортировки.

Переносной генератор

Переносной термоэлектрический генератор Шудре напоминает по внешнему виду масляный фильтр грузового автомобиля. Для получения тепла нужно разжечь газовую горелку. Почти никаких сведений не сохранилось об этом приборе. Тем не менее, в изданиях 1898 года может быть найдена следующая информация о совместных испытаниях изделия с упоминавшимися выше по тексту:

«Профессор Кольраух заметил ещё в 70-е, что вольтаж термоэлектрического генератора зависит от числа пар, включённых последовательно. Это вполне подтверждается опытами на конструкциях Клэмонда, Ноэ и Шудре, изготовленных и проданных за истекшие 20 лет. Они дают 2, 4, 6 и 8 вольт, имея, соответственно, 36, 72, 108 и 144 пары в своём составе. Видно, что напряжение строго пропорционально общему числу. Шудре сконструировал также экземпляр, состоящий из 720 элементов. Как и следовало ожидать, результирующее напряжение составило 40 В и могло поддержать бы горение разрядной лампы».

В заметке говорилось, что начинающие электрики вполне могут взять представленный на фото образец за пример хорошего коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудре изготавливается в 6 типоразмерах, на токи от 1,3 до 2,5 А при напряжении от 3 до 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

Читайте также:  Когерентные волны

XX век

В XX веке большая часть термоэлектрических генераторов снабжалась патентом, а топливом понемногу стал газ. Особенностью этого периода являются попытки теоретически объяснить наблюдаемое явление. Первым рассчитал КПД термоэлектрических генераторов Рэйли, хотя результат и был ошибочным. В 1909 и 1911 годах предпринимались попытки дать теоретические исследования материалов: Альтенкирх показал, что хорошие термоэлектрические материалы должны обладать большим коэффициентом Зеебека и малым омическим сопротивлением контакта для сокращения потерь на тепло.

Забавно, но используемые сегодня для создания мощных приборов полупроводники остались за пределами интересов Зеебека, который целиком сосредоточил своё внимание на чистых металлах и их сплавах. В перечисленных материалах согласно закону Видеманна-Франца-Лоренца отношение тепловой проводимости к электрической является константой. Поэтому самыми подходящими металлами для термопар являются те, у которых коэффициент Зеебека максимальный.

Значительные сдвиги в отрасли пришлись на период синтеза в 30-е году полупроводников со значениями коэффициента Зеебека, превышающими 100 мкВ/К. В результате чего после Второй мировой войны (1947 год) на сцене появился генератор М. Телкеса с КПД около 5%. Через пару лет Абрам Федорович Иоффе разработал теорию полупроводниковых термоэлементов. К сожалению, интересы великих держав того времени расходились, и не было немедленно осознано, что полупроводники таят в себе большой потенциал. В 1956 году Иоффе с сотрудниками показали, что слишком большое отношение термической и электрической проводимости может быть уменьшено сплавлением этим материалов с различными компаундами. Из-за большого военного значения многие разработки так и остались в тайне, в частности, исследования RCA.

Современный генератор представляет собой сандвич из заключённого между керамическими пластинами слитка n и p полупроводников. При создании нужной разницы температур устройство вырабатывает энергию. Керамика является хорошим электрическим изолятором, но проводит тепло. Что и является основой успешности указанной конструкции. Понятно, что в вакууме, с одной стороны обогреваемый Солнцем, а с другой – охлаждаемый блеском звёзд, термоэлектрический генератор может показать фантастическую разницу температур между своими поверхностями. Что закономерно увеличит отдаваемую мощность. Следовательно, это неплохой источник питания, простой и удобный, для любых космических объектов.

В начале 60-х из космоса термоэлектричество потихоньку спустилось на Землю. Преимущественными сферами стали медицина и исследования поверхности планеты (в том числе полезные ископаемые). Ключевыми достоинствами новой технологии стали простота, надёжность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, а недостатками – высокая цена и низкая эффективность (все те же 5%). Вот примерный расчёт целесообразности применения новых материалов:

  1. Там где имеется воздух, нужно задуматься об углеводородных ресурсах.
  2. На движущихся объектах в первую очередь экономят место. При этом энергетическая плотность жидкого топлива в 50 раз выше свинцовых аккумуляторов или батареек.
  3. Следовательно, при эффективности термоэлектрических полупроводников выше 2% их применение становится оправданным. При том, что нефть потихоньку выгорает, снижая общую массу объекта.

В некоторых случаях подогрев термоэлектрического генератора удаётся вести радиоактивными изотопами. Что открывает совершенно новые горизонты. Подобный источник использовался на Вояжере (1977 год) и проработал свыше 17 лет. С удорожанием нефти (кризис 1973 года) правительство США обратило внимание на новые источники энергии. Прежде всего это отходы сливных вод мощных предприятий, содержащие огромные потенциальные возможности. В ходе исследований затрагивались такие интереснейшие вещи, как сверхпроводимость полупроводников при относительно высоких температурах (150 – 170 К) для улучшения свойств термопар. Затем усилия сосредоточились на доведении до кондиции элементной базы из германия и кремния.

Открытые на сегодняшний день термоэлектрические материалы можно поделить условно на три группы по рабочей температуре:

  1. Теллурид висмута и его сплавы демонстрируют наилучшие показатели качества в области 450 К.
  2. Теллуриды свинца и сего сплавы имеют несколько более низкие показатели, но могут работать при температурах от 1000 до 1300 К.
  3. Наконец, композиции кремния и германия обладают низкой эффективностью, но хорошо отработанной технологией изготовления. Работают также при температурах от 1000 до 1300 К.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года обладает весьма сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Такая строгость нужна потому, что прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Но подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора имеется ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния посредством неё на выходное напряжение. И хотя некоторые авторы считают, что флуктуации все же были бы слишком большими, выше по тексту также высказывалась точка зрения о хорошей стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что этот термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. Там, где нет электричества, можно получить его в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова. В общем все, что найдётся под рукой.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями, либо вовсе оставались без названия. Рекламка говорит, что когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции едва ли не в любой точке мира. Вот такие были времена: немного каменного угля, и новости всегда будут под рукой.

Этот термоэлектрический генератор представляет собой настоящий блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не может дать большое напряжение, но так как это простое соединение проводов, то можно набрать таких штуковин целую уйму и получить нечто стоящее.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Поэтому, похоже на то, что нагрев, как следует, свой приёмник, можно получить напряжение и до 40 мВ. Но если включить последовательно 50 термопар, то получается как раз 2 В, чего вполне достаточно для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Настоящий друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, а также питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

XXI век

И вот приятная новость! В 2005 году Джейсон Хопкинс доказал, что КПД термоэлектрического генератора может быть приближен к идеальному. Так что нас всех ещё ждут новинки в этой области.