Тема термоэлектрогенераторов всплывает в попаданческих кругах раз за разом.
Ну а что — гальваническими элементами много электроэнергии не добудешь (да и дорого), строительство классического электрогенератора — тот еще геморрой, ну так почему не получить электричество всего лишь от разницы температур, как термопара? Ведь китайцы же продают дешевые генераторы на этом принципе?
Ну что же, давайте разберем как сам принцип так и то, что делают китайцы…
Такие генераторы работают на эффекте Зеебека, который был открыт Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году по отклонению магнитной стрелки. Сам Зеебек отрицал электрическую природу отклонения стрелки, он вообще считал, что магнитное поле в опыте возникает непосредственно из-за разницы температур. И вообще — магнитные полюса Земли возникли потому, что на полюсах холодно, а на экваторе жарко.
Чтобы понять, что это было за время, можно сказать, что за год до нахождения эффекта Зеебека было доказано влияние электрического тока на магнитную стрелку (спасибо Эрстеду), и именно в этом году Фарадей обнаружил электродвижущую силу — путь к электродвигателям и генераторам тока. Однако, если генератор Фарадея взял «низкий старт», то эффект Зеебека ожидал вплоть до Второй Мировой. Думаете, это случайность?
Впервые некое подобие генератора на эффекте Зеебека собрал Эрстед через пару лет:
Эрстед использовал спай свинец-висмут, горячие концы нагревал пламенем, а холодные опускал в воду. Штука, конечно, ядовитая, но нас интересует другой вопрос — а какую разность потенциалов при этом получил Эрстед?
На этот вопрос есть ответ.
В-первых давайте посмотрим на термоэлектрический ряд металлов:
А теперь посмотрим на табличку, собранную Augustus Matthiessen в 1862 году, которая показывает насколько большую разницу потенциалов мы получаем в вольтах относительно свинца на 1 градус цельсия:
| Висмут | +0,000089 |
| Кобальт | +0,000022 |
| Ртуть | +0,000000418 |
| Свинец | 0 |
| Латунь | —0,0000001 |
| Медь | —0,0000001 |
| Платина | —0,0000009 |
| Золото | —0,0000012 |
| Серебро | —0,0000030 |
| Цинк | —0,0000037 |
| Мышьяк | —0,00001336 |
| Железо | —0,00001715 |
| Сурьма | —0,0000226 |
| Фосфор (красный) | —0,0000297 |
Любуемся микровольтами и понимаем, что Эрстед был молодец, такое зафиксировать не каждому доступно!
Конечно, тут материалы простые (правда, не все доступны в древние времена), но, возможно с более хитрыми материалами будет все поинтереснее? Ну что же, есть и такая данные, но вряд она будет интересна попаданцу, потому что там примерно такие же числа, чуть лучше только у палладия, сплава платина-иридий, никеля и нейзильбера. Что интересно — этот дополнительный список и сейчас не очень-то и доступен…
Пра разнице температур в 100oC и температуре холодного спая в 0°С, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ.
Милливольт!
При разнице в 100 градусов!
Ну что же, числа не радуют, но ведь Эрстед последовательно втыкал сразу шесть термопар, и если мы поставим шесть тысяч, то ведь напряжение будет заметно? В конце концов, в случае медь-константан при разнице температур в 500°С, при разнице потенциалов 0.027 B ток достигает сотен ампер (из-за малого сопротивления спая).
Вообще, какое там КПД у такого преобразователя?
И на этот вопрос есть ответ:КПД — 1-2%.
Напоминаем, что КПД паровоза на порядок выше!
И мне бы очень хотелось напомнить, что на подобные эффекты очень сильно влияет чистота металлов, для попаданца недоступная. И еще неплохо бы подумать, каким методом попаданец будет сваривать два разнородных металла. Конечно, сейчас в атмосфере инертного газа плазмой можно много чего сварить (но опять-таки не все). Как это сделать в древние времена — это самый настоящий квест на всю жизнь. Это я к тому, что в теории милливольты и 1% КПД, а на практике эффект может быть вообще на грани обнаружения.
Поэтому задумываться про конструкцию самого прибора (в котором должен быть очень заметный перепад температур) и вовсе не стоит.
Ну как же, возражают оппоненты — ведь есть же в продаже китайские термогенераторы (фотка в начале статьи), и мощность этих генераторов доходит до 200 Вт, а замахиваются даже на киловаттные!
Да, это верно.
Тут прикол ситуации в том, что такие генераторы — полупроводниковые. Там нет спаев металлов, там чудесные полупроводниковые сочетания, типа теллурида германия, селенида гадолиния, моносульфида самария или силицида магния. Ну ладно-ладно, возьмем что-нибудь попроще, покитайскее — типа теллурида висмута, ага. Главное — правильно вырастить монокристалл в помещении с чистотой класса M1.5 😀
ИМХО, такой материал будет доступен попаданцу, если в его распоряжении будет разбитая летающая тарелка, потому что если у него всего лишь УАЗ-696 или даже СУ-25, то таких элементов вы в них не найдете. А даже если и будет материал, то как он будет выращивать полупроводниковые кристаллы?
И кроме всего прочего — КПД современных полупроводниковых преобразователей находится в пределах 5-7%. Самые лучшие (читай «самые дорогие») до сих пор никак не перешагнут предел в 20%, да и то — они сейчас в продаже недоступны. И если вы видите в рекламе надпись «КПД преобразователя 90%», то это имеется в виду преобразователь, спаренный с тем же котлом отопления, который утилизирует тепло, не ушедшее в воду, и данное КПД — это общее КПД нагревательного котла.
Удивительно ли, что сейчас такие преобразователи чаще всего используются для радиоизотопных источников тока космических аппаратов. Вы не помните, с какого года купцы начали возить оружейный плутоний? 😀
Общий вывод — если вы вдруг захотите в древности термоэлектричества — забудьте. Лучше растите селитряницы, по крайней мере материал для них будет доступен.
«Эрстед использовал спай свинец-висмут», а на рисунке Sb — сурьма
Гм. Я не обратил внимание, нужно уточнить что именно Эрстед использовал…
Понятно, что ДЕЛАТЬ таку пакость попаданцу не надо. А вот насчёт «с собой взять» — возможны варианты, хотя СБ и эффективнее в большинстве случаев. Последние, кстати, тоже ДЕЛАТЬ никто не предлагает — но в малый обязательный набор попаданца 🙂 они входят.
И когда у вас следующий рейс в прошлое? Успеете купить термогенератор? 😀
Минуточку, сейчас у Наполеона в соседней палате спрошу.
>Минуточку, сейчас у Наполеона в соседней палате спрошу.
Спрашивать надо не у наполеона, а у герцога Майкла Каненгема Кровавого.
а я туда если и поеду — то с обратным билетом, и уведомлением за 2 недели 🙂
Спасибо за интересную статью, вобщем эти устройства скорее для туристов и людей усиленно готовящихся к Большому Песцу…
Ну, почему, у данного изобретения есть вполне разумная ниша, в которой и применялся верхний девайс: питание приемников в глуши. 1-2 ватта вполне достаточно чтобы успешно запускать громкоговоритель у 1-2 каскадного приемника на точечных транзисторах.
Медь + железо вполне рабочий вариант, сотня спаек нагреваемая на костре или керосинке дадут напряжение в 2-5 вольт с достаточной силой тока…
К плюсам конструкции в сравнении с гальваникой относится неубиваемость конструкции и терпимость к короткому замыканию, что важно с неопытным персоналом. Просто обучать- зажег- работает- потушил- перестало.
Остальное конечно можно записать в минусы…
На меди+железе очень сложно достигнуть приемлимой разницы температур (ну или приемлимого тока при достигнутой разнице). КПД низок, а собственные внутренние потери на сопротивление высоки.
Это, в общем-то, фундаментальная и пока непоборимая проблема термоэлектрики, теплопроводность напрямую связана с электропроводностью, ибо основной носитель — свободные электроны — в обоих случаях один и тот же. Поэтому какого-то высокого «хи» можно ожидать только от полупроводников: напряжение выше.
Неубиваемость относительная. У полупроводиков при разнице температур в сотни С сильно ограничено число циклов «нагрев/охлаждение» — сотни-тысячи циклов (точно сказать нельзя, потому как деградация идёт потихоньку — где граница?). Температурные расширения убивают систему помаленьку.
А пара медь+железо (или, ещё круче — медь+алюминий) мгновенно сдохнет сама. Это ведь ещё и гальванопара. При наличии любого электролита на поверхности начнётся очень шустрое окисление меди с образованием плохопроводящих тепло и электричество оксидов, что мгновенно скажется на КПД самым решительным образом. Избежать же хотя бы конденсата на металле при таком перепаде температур достаточно сложно.
В общем, там много подводных камней и скорее всего, это будет не очень практичной затеей, тут с автором нужно только согласиться.
//сложно достигнуть приемлимой разницы температур (ну или приемлимого тока при достигнутой разнице)
Ээээ просто нагрев на открытом огне спаев обмазанных сверху каолином или просто глиной (чтоб меньше окислялись) свободные концы охлаждаются воздухом. 200-300 градусов разницы как с куста, а больше нам и не надо.
КПД разумеется в глубочайшей заднице, 1-2% это как максимум. Но кого это волнует? Если берем мощность в пару-тройку ватт то даже слабенький костерок дает нагрев в киловатты. т.е. на данную мощность хватит средней маслянной лампы.
//а собственные внутренние потери на сопротивление высоки
??? при использовании пластинок шириной в пару см (ковать более тонкое неудобно)? да там сопротивление искать нужно будет с прецизионными приборами!
//Неубиваемость относительная. У полупроводиков при разнице температур в сотни С
А причем тут полупроводники? Медь и железо наше все, другие материалы или труднодобываемые или обладают серьезными недостатками.
//А пара медь+железо (или, ещё круче — медь+алюминий) мгновенно сдохнет сама. Это ведь ещё и гальванопара. При наличии любого электролита на поверхности начнётся очень шустрое окисление меди
Банально лечится обмазкой коалином или просто глиной. блокируем доступ воздуха.
//Избежать же хотя бы конденсата на металле при таком перепаде температур достаточно сложно.
Окститесь! Какой конденсат если самая холодная деталь системы имеет температуру 50+ градусов С?
//В общем, там много подводных камней и скорее всего, это будет не очень практичной затеей, тут с автором нужно только согласиться.
Смотря что считать практичной затеей. Мотор или сварку этим разумеется не запитать 🙂
Да и особого масштабирования тут не достигнешь.
Замазать?? Каолином???
Н-да, похоже пора писать статью про эмалированную посуду, давно собирался…
>Ээээ просто нагрев на открытом огне спаев обмазанных сверху каолином или просто глиной (чтоб меньше окислялись) свободные концы охлаждаются воздухом.
1-2% — это у Вас запредельный оптимизм. 🙂 Не будет у Вас такого КПД. На медь-железо и при контролируемом нагреве до процента не дотянете.
Как только появляется обмазка (каолин на металле, причём двух разных, да?), появляются проблемы с термоциклами. Нагрев-расширение, остывание-сжатия. В первый раз обмазка потрескается, на десятый — отвалится. Но доступ воздуха будет уже после первого же цикла.
Обмазка — это дополнительное термосопротивление (ладно, мелочь), а теплоотвод непосредственно от проволочек в воздух — это сразу впятеро снижайте КПД.
С пламенем ещё такая беда, что если только это не строго контролируемое пламя горелки с жидким/газообразным топливом, то неравномерность его теплопотока режет практический КПД и КИУМ ещё в пару раз.
Рассчитывайте на 0.05-0.2% КПД, о проценте — и не мечтайте.
>??? при использовании пластинок шириной в пару см (ковать более тонкое неудобно)? да там сопротивление искать нужно будет с прецизионными приборами!
ТермоЭДС при использовании пластинок тоже. 🙂
Вы не врубились в проблему. 🙂 А проблема в том, что И электропроводность, И теплопроводность в любом конкретном материале со свободными носителями заряда ЖЕСТКО связаны. Уменьшаете электросопротивление — уменьшаете термосопротивление — уменьшаете перепад температур. Увеличиваете термосопротивление — увеличиваете электросопротивление и внутренние потери. Предельный КПД материалов конструкцией непоборим.
Эти характеристики — удельные, никакой вариацией размеров или конструкции это не лечится никак. Только сменой материалов на материалы с большей разницей уровня Ферми и бОльшим «хи» (способы повышения оных — предмет размышления физиков-твердотельщиков, но никак не попаданца).
Если вдаваться в глубины глубин, можно рассуждать о тонкой физике эффекта Зеебека (у коего есть не одна, а аж три причины-механизма), мезоскопике, каналировании электронной проводимости в «фононных стёклах», изотопных гиперэффектах, ионной гиперпроводимости на литии-6 и т.п. фэнтезийной нанобурде, но нам это всё малозначимо.
>Окститесь! Какой конденсат если самая холодная деталь системы имеет температуру 50+ градусов С?
Самый что ни на есть обычный. Дым несёт более чем достаточно влаги, чтоб иметь точку росы уже при 70-80С. Кстати, для почти всех доступных топлив помимо воды там будут соединения серы. Электролит — замечательный.
0.05% КПД — это для меди-железо при нагреве керосином и идеальном исполнении, конечно.
Многоуважаемый Hludens, чем будем сваривать? Точечной сваркой? Таки она требует немалого тока для работы, причем переменного. Если клепать серии от тысячи приборов — еще стоит задуматься, но если нужен один-два — гальваника проще.
К слову, если уж попаданец имеет источник переменного тока, то почему бы не использовать пару железо-алюминий? Насколько я понял, у этой пары разность потенциалов вроде больше.
>>>>slav
23.09.2013 at 21:56
Многоуважаемый Hludens, чем будем сваривать? Точечной сваркой?>>>
Если верить старым статьям-применялась пайка медью и серебром(видимо в зависимости от используемых пар).
Не хватает народу оптимизма 😉
Кстати, девайс на картинке называется ТГК-3,выпускался серийно и выдавал вполне неплохие параметры — термоэлектрогенератор имеет две самостоятельные термобатареи, состоящие из большого числа последовательно соединенных элементов. Одна из них, дающая напряжение 2В при токе 2А, служит для питания анодных цепей приёмника через вибропреобразователь, и вторая, дающая такое же напряжение при токе 0.5А — для питания нитей накала.
Кроме того, накальная батарея имеет отвод на 1.2В (при токе 0.36А). При нормальном горении лампы температура горячих спаев термопар доходит до 380 град.С, а температура холодных не превышает 70-80 град. Однократный запас керосина в лампе обеспечивает 8 ч. непрерывной работы термоэлектрогенератора. Вес генератора без вибропреобразователя равен 3 кг.
Вот ссылка на неплохую статью по нему_http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=281 (подчеркивание перед адресом надо убать)
И в качестве небольшого дополнения — термоэлектрогенераторы использовали не только партизаны и радиолюбители в деревнях.В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко в гальванике.В качестве вспомогательной оснастки можно вспомнить пиромометр Лешателье и столбиком Меллони. Ну и в качестве курьеза-В 1893 г. русский астроном В. К. Церасский построил первый солнечный термоэлектрический генератор, который приводил в действие электрический звонок.
Проблема с термогенераторами не в том, что их нельзя построить. А в том, что тогда, когда их можно построить — то можно создать и нормальный генератор на десятки или даже сотни киловатт.
Все-таки у попаданца создание электрического звонка — не цель.
Краз, ну как обычно! Ну что такого в меди и железе? При полном отсутствии высокоточной обработки? Это можно лепить хоть в средние века хоть в поздней античности (вот только нафиг?).
Строить то их можно, и даже в гальванике использовать. Просто аппетиты попаданца обычно намного больше, так что его данный агрегат явно не устроит. Генератор в конце концов все равно делать придется.
Разве что для узких ниш, как я и говорил. Слабый источник тока более долговечный чем вольтов столб и заменяющий расход дорогого металла на дешевое топливо. Не панацея конечно…
Очень важное свойство ТЭГ — стабильность характеристик. Ом именно его использовал при своих исследованиях.
Стабильность характеристик будет только если из благородных металлов делать. А с платиной у попаданца — примерно как со всем остальным..
Да ну? Вы руками то что-то пробовали делать?
Я пробовал.
В чём возражения?
>если вы вдруг захотите в древности термоэлектричества — забудьте
как насчёт простейшего МГД-генератора?
Вам милливатты нужны? Ну тогда чем гальваника не устраивает?
С сурьмянистым цинком без чистых комнат во время второй мировой сделали котелки с КПД 1,5%.
Так что не всё так плохо.
>ИМХО, такой материал будет доступен попаданцу, если в его распоряжении будет разбитая летающая тарелка, потому что если у него всего лишь УАЗ-696 или даже СУ-25, то таких элементов вы в них не найдете.
На уцелевших тарелках стояла не винда.
Нехорошо врать, товарищи! Почитайте старые журналы, например «Радио» №2 за 1954 год. 3.5% КПД, никак не жалкие 1-2! Пруф: http://the-mostly.ru/misc/termoelektrogenerator_tgk-10.html
«При работе ТГК-10 расходует 100-105 г керосина в час. Исходя из этого, общий коэффициент полезного действия термоэлектрогенератора равен приблизительно 1,0%.»
Термоэлектрогенераторы с КПД более 70% уже давно существуют. И время от времени взрываются, разнося следы по атмосфере. Лучше займитесь знаете чем? Элементами пельтье. Вот это будет «йоперный бабах».
Чисто для сведения. насчет напряжения этих самых элементов Пельтье на металлах. Измерительные термобатареи давным давно делаются из биметаллической проволоки. Навивается спираль и с одной стороны спирали металл травится до основы. Такое сооружение стабильно надежно выдает сигнал на уровне единиц вольт. ПРи весьма малом перепаде температур. ПРосто оптовый подход к делу.
ситуация с термоэлектрическими генераторами не так плоха, как может показаться исходя из представленной точки зрения.
Уже на заре исследований в области термоэлектричества был найден простой, доступный и достаточно эффективный полупроводник — сурьмянистый цинк ZnSb, с которым экспериментировал еще Зеебек. Сурьмянистый цинк плавится при температуре около 600 градусов, поэтому ветви термобатареи из него можно просто отливать, заодно осуществляя его электрическое и механическое соединение с другой ветвью. Наиболее эффективной была бы комбинация ZnSb, имеющего p-проводимость, с другим полупроводником, имеющим n-проводимость (которым мог бы служить тот же сурьмянистый цинк с добавкой серы или теллура), однако все же проще обойтись второй ветвью из металла, для чего лучше всего подходят сплавы типа константана (медь и никель) с достаточно низкой теплопроводностью. Именно такая комбинация использовалась в генераторах-абажюрах или партизанском котелке.
Конечно, термоэлектрические генераторы имеют очень ограниченную сферу применимости, но никаких принципиальных сложностей для их появления даже в античном мире нет.
история термоэлектрических генераторов
https://leg.co.ua/knigi/ucheba/ocherki-razvitiya-termoelektrichestva-11.html
термоэлектрическая же батарея из двух металлов, очевидно, не имеет никакого смысла в качестве источника электричества, но может стать крайне полезным инстументом в метрологии . Батарея из нескольких десятков медных и, например, железных проволок, соединенных хотя бы оловянным припоем (присутствие промежуточного металла не влияет на термо ЭДС), при поддержании постоянной температуры горячих и холодных концов (например, в кипящей воде и в тающем льду) будет давать постоянное и легко воспроизводимое значение ЭДС, которое можно использовать не только в электрических измерениях, но, и например, для установления эталона массы.
Такая же батарея может использоваться для измерения температуры вместо отдельной термопары, дающей слишком слабый сигнал.