Термоэлектрический генератор (тепловой насос) своими руками

Термоэлектрический генератор (тепловой насос) своими руками

Термин «тепловой насос» наверняка знаком каждому, кто когда-нибудь проходил вводный курс термодинамики. Между тем, любому желающему и даже из числа тех, кто совсем не знаком с термодинамикой, вполне доступна простейшая технология теплового насоса. Так называемый термоэлектрический генератор вполне допустимо создать своими руками, имея в запасе простейшие элементы и компоненты. Рассмотрим стратегию изготовления термоэлектрической машины из доступных деталей. Возможно, в жизни кому-нибудь пригодится такой инженерный опыт.

Концепция теплового насоса

Базовая идея теплового насоса заключается в извлечении некоторой полезной энергии из полученной разницы температур. Выходная энергия может быть механической, электрической или другой. Одним из явных примеров, который часто встречается в той же бытовой практике, выступает паровой двигатель. В данном случае нагревается вода с целью получения пара. В свою очередь пар, обладая свойством расширения, создаёт давление.

Классический тепловой насос схема
Классическая схема теплового насоса, применяемого на практике: 1 – холодный цилиндр; 2 – радиатор; 3 – маховик; 4 – источник тепла; 5 – горячий цилиндр; 6 – пар (газ); 7 – контур прохождения пара (газа)

Полученное давление используется для выполнения какой-то работы. Например, для толкания поршня в цилиндре механического привода. Выполняя работу, пар охлаждается, сжимается, конденсируется. Поэтому, чтобы паровая машина работала, необходима внешняя температура ниже температуры пара. Фактически, работа всех тепловых насосов зависит от разницы температур.

Простой тепловой насос – термоэлектрический генератор

Простейший тепловой насос без особого труда допустимо сделать самостоятельно. Для производства такой системы потребуется:

  • две обычных металлических скрепки,
  • кусок оголённого медного провода,
  • две разных температурных среды.

Металлические скрепки нужно распрямить и соединить каждую с одним из концов медного провода. В принципе, создан настоящий термоэлектрический генератор. Остаётся только заставить устройство работать.

Чтобы включить в работу такой самодельный термоэлектрический генератор, достаточно поместить один узел соединения (медь-сталь) в горячую среду, а другой узел соединения (медь-сталь) в холодную среду.

Тестирование термоэлектрической машины
Конструкция простейшего термоэлектрического генератора энергии. Этот прототип, конечно, создаёт незначительный электрический ток, но кто сказал, что установку невозможно модернизировать

Два свободных конца металлических скрепок образуют выходной интерфейс простейшего термоэлектрического генератора. Поскольку эффект генерации такого несложного устройства незначительный, выход следует подключить к вольтметру на измерение малых напряжений.

В качестве температурных источников, в данном случае, используются электрическая плита и стакан, заполненный солью, смешанной со льдом (температура холодной среды ниже нуля).

Эффект Зеебека, опробованный в деле

Как видно из показаний вольтметра, самодельный простой термоэлектрический генератор выдаёт напряжение, равное 1,2 милливольтам. Эта величина, конечно, незначительная, тем не менее, здесь важен сам факт генерации тока.

На картинке выше часть проводника, что находится в горячей среде (на электрической плите), прижата дополнительным грузом для лучшего контакта. Этот груз прямого отношения к устройству не имеет.

Созданное таким способом устройство генерации действует по теории эффекта Зеебека. Эта теория основана на том, что два разных металла, соединённые вместе и находящиеся в условиях разных температур, способны создавать электрический ток.

Эффект более выраженным получается в случае увеличения разницы температур между двумя средами. Также значение для эффективности устройства имеет комбинация металлов. Если одни комбинации металлов работают лучше, другие работают хуже.

Технически существует возможность усовершенствовать термоэлектрический генератор, если использовать полупроводник вместо двух разных металлов. В частности, достаточно эффективным видится применение модуля Пельтье – термоэлектрического преобразователя.

Между тем, эффект Пельтье является обратным эффектом Зеебека. Поэтому чтобы получить электричество (теория Зеебека), термоэлектрический модуль нужно подогревать. Для этого применяется обычный силовой транзистор.

Схема термоэлектрического генератора
Структура устройства с транзистором: 1 – полистирольная теплоизоляция; 2 – источник тепла (силовой транзистор); 3 – алюминиевые плиты (горячая, холодная) стороне; 4 – термоэлектрический модуль Пельтье; 5 – датчики температуры; 6 – область однородной температуры

Полупроводниковый термоэлектрический генератор

На основе полупроводника можно попытаться создать конструкцию термоэлектрического генератора, применив следующие компоненты:

  • модуль Пельтье (33.4 Вт, 3.9A, 15.4В, 30×30мм),
  • силовой транзистор TIP32A или аналогичный,
  • переменный резистор 10 кОм,
  • датчики температуры LM35.

Основные требования по отношению к построению генератора на полупроводнике предполагают наличие модуля Пельтье, а также источника тепла для горячей стороны плиты модуля.

Однако любое термоэлектрическое устройство является хорошим проводником тепла. Становится очевидным: температура холодной плиты может сравняться с температурой горячей плиты, если тепло не отводится от холодной части.

Модуль Пельтье в промышленном исполнении
Модуль Пельтье в промышленном исполнении. Подобные полупроводниковые элементы реализуются в широком ассортименте, что делает возможным подбор модуля под требуемый диапазон

Поэтому дополнительным требованием является установка на холодной стороне плиты радиатора, который принудительно охлаждается вентилятором. Таким способом обеспечивается поддержание относительно постоянной температуры. Удобным способом нагрева горячей стороны плиты видится использование силового транзистора, плотно посаженного и закреплённого на пластине.

В данном экспериментальном варианте используется силовой транзистор p-n-p типа TIP32A. Между тем любой подобный транзистор вполне подойдёт для построения конструкции. Базовый ток транзистора управляется переменным резистором (для  экспериментальной конструкции использовался номинал 10 кОм).

При напряжении на коллекторе транзистора, равном 12В, электрический ток, протекающий через полупроводник, варьируется с помощью резистора в пределах 0 — 2А. Обеспечивается примерно 20Вт тепловой мощности от транзисторного нагревающего источника.

Температуры, как горячей стороны плиты, так и радиатора измеряются посредством датчиков температуры типа LM35. Датчики дают выходные напряжения 10 мВ/°C. На картинке ниже показана экспериментальная конструкция термоэлектрического генератора.

Термоэлектрический генератор на полупроводнике
Экспериментальное устройство генерации показывает относительно небольшую выработку энергии. Практически крайне сложно получить значительные мощности и в этом главный недостаток устройств подобного рода

Тепловой насос под солнечную энергию

Возвращаясь от генераторов к тепловым насосам, стоит отметить ещё один привлекающий вариант термоэлектрических устройств, где используется нагрев от естественного источника – солнца.

Подобные конструкции обещают более эффективную отдачу при условии правильного построения. К тому же в этом случае не требуется затрачивать искусственную энергию на подогрев.

Солнечный тепловой насос можно представить в образе двух отдельных ёмкостей, которые имеют циркуляционные контуры. Одна ёмкость исполняет роль горячей стороны, вторая, соответственно, исполняет роль холодной стороны.

Между ёмкостями устанавливается термоэлектрический преобразователь (к примеру, тот же модуль Пельтье). Горячая ёмкость дополняется солнечной панелью. Холодная ёмкость дополняется радиатором охлаждения. Схематично конструкция выглядит примерно так:

Солнечный тепловой насос
Структурная схема солнечного теплового насоса: A – ёмкость горячая; B – ёмкость холодная; 1 – солнечная энергия; 2 – стекловидное покрытие; 3 – тепловая изоляция; 4 – термоэлектрический преобразователь (модуль Пельтье); 5 – металлический радиатор; 6 – тепловая радиация; 7 – электрический ток

Как демонстрирует структурная схема теплового насоса, работающего от солнечной энергии, при нагреве через солнечную панель вода в контуре начинает циркулировать, разогревая, таким образом, весь объём жидкости. Теплом жидкости нагревается горячая сторона модуля Пельтье.

В свою очередь в холодной ёмкости наблюдается аналогичный эффект, но за счёт охлаждения жидкости через радиатор. Получаемая разница температур даёт электричество на термоэлектрическом преобразователе.

Нужно отметить, эта идея появилась достаточно давно. Задолго до появления модулей Пельтье и вообще систем кондиционирования. На практике эту систему применяли в разных видах, но значительного эффекта добиться так и не удавалось. Возможно, современные технологии помогут достичь высоких горизонтов.


 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *