קטגוריות: מאמרים מוצגים » עובדות מעניינות
מספר צפיות: 161,925
הערות לכתבה: 10
תרמי-גנרטורים: כיצד "לרתך" חשמל על כיריים
אחד הפורומים החשמליים שאל את השאלה הבאה: "איך אוכל להשיג חשמל באמצעות גז ביתי רגיל?" זה הונע מהעובדה שהדלק מחבר זה, ואכן, כמו רבים, משולם פשוט על ידי תקנים ללא מטר.
לא משנה כמה אתה משתמש, בכל מקרה אתה משלם סכום קבוע, ומדוע לא להפוך גז ששולם כבר אך לא מנוצל לחשמל עומד בחופשיות? אז הופיע בפורום נושא חדש, אותו נאספו שאר המשתתפים: שיחה אינטימית עוזרת לא רק לצמצם את יום העבודה, אלא גם להרוג את הזמן הפנוי.
הוצעו אפשרויות רבות. פשוט קנו גנרטור בנזין, ומלאו אותו בבנזין המתקבל בזיקוק של גז ביתי, או גרסו מחדש את הגנרטור לעבודה מיידית על דלק, כמו מכונית.
במקום מנוע בעירה פנימית, הוצע מנוע סטירלינג, המכונה גם מנוע בעירה חיצונית. הנה רק מתנע עליון (זה שיצר את הנושא החדש) טען להספק גנרטור של לפחות 1 קילו וואט, אבל זה היה רציונליזציה ואמרה כי ערבוב כזה לא יתאים אפילו למטבח של חדר אוכל קטן. בנוסף, חשוב שהגנרטור ישתק, אחרת, טוב, אתה עצמך יודע מה.
אחרי הצעות רבות, מישהו זכר שראה תמונה בספר המציגה מנורת נפט עם מכשיר כוכב רב-קרני להפעלת מקלט טרנזיסטור. אבל זה ידון מעט יותר רחוק, אבל לעת עתה ...
תרמוגנרטורים. היסטוריה ותיאוריה
על מנת לקבל חשמל ישירות ממבער גז או ממקור חום אחר, משתמשים במחוללי חום. בדיוק כמו צמד תרמי, עיקרון הפעולה שלהם מבוסס על אפקט Seebeckנפתח בשנת 1821.
האפקט שהוזכר הוא שבמעגל סגור של שני מוליכים שונים מופיע EMF אם הצמתים של המוליכים הם בטמפרטורות שונות. לדוגמה, צומת חם נמצא בכלי מים רותחים, והשני בכוס קרח נמס.
ההשפעה נובעת מהעובדה שהאנרגיה של אלקטרונים חופשיים תלויה בטמפרטורה. במקרה זה האלקטרונים מתחילים לנוע מהמוליך, שם יש להם אנרגיה גבוהה יותר במוליך, שם האנרגיה של המטענים פחותה. אם אחד הצמתים מחומם יותר מהשני, אז ההבדל באנרגיות המטענים עליו גדול יותר מזה הקרה. לכן, אם המעגל סגור, נוצר בו זרם, בדיוק אותו כוח תרמי.
ניתן לקבוע את גודל הכוח התרמי על ידי נוסחה פשוטה:
E = α * (T1 - T2). כאן, α הוא המקדם התרמו-אלקטרי, שתלוי רק במתכות שמהם מורכבת הצמד התרמי או הצמד התרמי. ערכו מתבטא בדרך כלל במיקרו וולטים לכל תואר.
הפרש הטמפרטורות של הצמתים בנוסחה זו (T1 - T2): T1 הוא הטמפרטורה של הצומת החם, ו- T2, בהתאמה, של הקור. הנוסחה הנ"ל מופיעה בבירור באיור 1.
איור 1. איור 1. עיקרון הצמד התרמי
רישום זה קלאסי, ניתן למצוא אותו בכל ספר לימוד לפיזיקה. באיור נראה טבעת המורכבת משני מוליכים A ו- B. צומת המוליכים נקרא צמתים. כפי שמוצג באיור, בצומת חם T1, לכוח התרמי יש כיוון ממתכת B למתכת A. A בצומת קרה T2 ממתכת A למתכת B. הכיוון של החום התרמי המצוין באיור תקף למקרה כאשר כוח התרמו של מתכת A חיובי ביחס למתכת B .
כיצד לקבוע את הכוח התרמו-אלקטרי של מתכת
הכוח התרמו-אלקטרי של מתכת נקבע ביחס לפלטינה. לשם כך מחוממים צמד תרמי, שאחד האלקטרודות הוא פלטינה (Pt), והשני הוא מתכת הבדיקה, עד 100 מעלות צלזיוס. להלן הערך המיליוולט שהתקבל עבור מתכות מסוימות.יתרה מזאת, יש לציין כי לא רק גודל ההספק התרמי משתנה, אלא גם הסימן שלו ביחס לפלטינה.
במקרה זה, פלטינה ממלאת את אותה תפקיד כמו 0 מעלות בסולם הטמפרטורות, וכל סולם הערכים של החשמל התרמי הוא כדלקמן:
אנטימון +4.7, ברזל +1.6, קדמיום +0.9, אבץ +0.75, נחושת +0.74, זהב +0.73, כסף +0.71, פח +0.41, אלומיניום + 0.38, כספית 0, פלטינה 0.
אחרי פלטינה הן מתכות בעלות עוצמה תרמו-אלקטרית שלילית:
קובלט -1.54, ניקל -1.64, קבוע (סגסוגת נחושת וניקל) -3.4, ביסמוט -6.5.
באמצעות סולם זה, קל מאוד לקבוע את ערכו של הכוח התרמו-אלקטרי שפותח על ידי צמד תרמי המורכב ממתכות שונות. לשם כך, די בחישוב ההבדל האלגברי בערכי המתכות שמהן עשויים האלקטרודות.
לדוגמה, עבור זוג אנטימון-ביסמוט, ערך זה יהיה +4.7 - (- 6.5) = 11.2 mV. אם זוג אלומיניום מברזל משמש כאלקטרודות, ערך זה יהיה רק +1.6 - (+0.38) = 1.22 mV, שהוא כמעט פי עשרה מזה של הצמד הראשון.
אם הצומת הקרה נשמרת בטמפרטורה קבועה, למשל 0 מעלות, אז הכוח התרמי של הצומת החם יהיה פרופורציונלי לשינוי הטמפרטורה, המשמש בצמדים תרמיים.
כיצד נוצרו תרמי-גנרטורים
כבר באמצע המאה ה -19 נעשו ניסיונות רבים ליצור מחוללי חום - מכשירים לייצור אנרגיה חשמלית, כלומר להפעלת צרכנים שונים. כמקורות כאלה, זה היה אמור להשתמש בסוללות מצמדים תרמיים המחוברים לסדרה. העיצוב של סוללה כזו מוצג באיור 2.
איור 2. סוללה תרמית, סכמטית
הראשון סוללה תרמו-אלקטרונית נוצר באמצע המאה ה -19 על ידי הפיזיקאים אורסטד ופורייה. ביסמוט ואנטימון שימשו כאלטרו-אלקטרודות, בדיוק אותו זוג מתכות טהורות בעל הספק התרמו-אלקטרי המרבי. צומתים חמים חיממו על ידי מבערי גז, ואילו צומתים קרים הונחו בכלי עם קרח.
בניסויים עם חשמלי תרמי הומצאו מאוחר יותר תרמופילים, המתאימים לשימוש בתהליכים טכנולוגיים מסוימים ואף לתאורה. דוגמה לכך היא סוללת Clamone, שפותחה בשנת 1874, שיכולתה הספיקה די למטרות מעשיות: למשל, להטבעה גלוונית, כמו גם לשימוש בבתי דפוס ובתי מלאכה של חריטה סולארית. בערך באותה תקופה, המדען נוע היה מעורב גם במחקר התרמופילים; התרמופילים שלו היו גם נפוצים למדי באותה תקופה.
אך כל הניסויים הללו, למרות שהם היו מוצלחים, נידונו לכישלון, שכן תרמופילים המבוססים על צמד תרמי מתכת טהורה היו בעלי יעילות נמוכה מאוד, מה שפגע ביישום המעשי שלהם. אדים מתכתיים גרידא הם בעלי יעילות של עשיריות בודדות בלבד. לחומרים מוליכים למחצה יעילות הרבה יותר גדולה: כמה תחמוצות, סולפידים ותרכובות אינטר-מתכות.
צמד תרמי מוליכים למחצה
מהפכה אמיתית ביצירת צמד תרמי נעשתה על ידי יצירותיו של האקדמאי A.I. ג'ופה. בראשית שנות השלושים של המאה ה- XX, הוא העלה את הרעיון כי באמצעות מוליכים למחצה אפשר להמיר אנרגיה תרמית, כולל שמש, לאנרגיה חשמלית. בזכות המחקר כבר בשנת 1940, נוצר תא פוטו-מוליך למחצה להמרת אנרגיית אור סולארית לאנרגיה חשמלית.
יישום מעשי ראשון צמד תרמי מוליכים למחצה יש לראות, ככל הנראה, "באוליזם פרטיזני", שאיפשר לספק כוח לכמה תחנות רדיו פרטיזניות ניידות.
הבסיס של התרמוגנרטור היה אלמנטים מקבוע ו SbZn. הטמפרטורה של הצמתים הקרים התייצבה על ידי מים רותחים, ואילו הצמתים החמים היו מחוממים על ידי להבת שריפה, ואילו הבטחת הפרשי טמפרטורה של לפחות 250 ... 300 מעלות. היעילות של מכשיר כזה לא הייתה יותר מ- 1.5 ... 2.0%, אך הכוח להנעת תחנות הרדיו הספיק למדי.כמובן שבאותן תקופות מלחמה העיצוב של "המפרץ" היה סוד ממלכתי, וגם כעת, העיצוב שלו נידון בפורומים רבים באינטרנט.
מחוללי חום ביתיים
כבר בשנות החמישים שלאחר המלחמה החלה התעשייה הסובייטית בייצור גנרטורים תרמיים TGK - 3. מטרתו העיקרית הייתה הפעלת מכשירי רדיו המופעלים באמצעות סוללות באזורים כפריים שאינם מחושמלים. הספק הגנרטור היה 3 וואט, מה שאיפשר להעביר מקלטים לסוללות, כמו טולה, איסקרה, טאלין B-2, רודינה 47, רודינה 52 וכמה אחרים.
המראה של תרמוגנרטור TGK-3 מוצג באיור 3.
איור 3. תרשים גנרטור תרמי TGK-3
עיצוב מחולל תרמי
כאמור, מחולל החום נועד לשימוש באזורים כפריים, שם נעשה שימוש בתאורה מנורות נפט "ברק". מנורה כזו, המצוידת בגנרטור תרמי, הפכה לא רק למקור אור, אלא גם לחשמל.
יחד עם זאת, לא נדרשו עלויות דלק נוספות, מכיוון שאותו חלק נפט שפשוט עף לתוך הצינור הפך לחשמל. יתר על כן, גנרטור כזה תמיד היה מוכן להפעלה, העיצוב שלו היה כזה שפשוט לא היה שום דבר לפרוץ אליו. הגנרטור פשוט יכול היה לשכב סרק, לעבוד ללא עומס, לא פחד ממעגלים קצרים. חיי הגנרטור, בהשוואה לסוללות גלווניות, נראו פשוט נצחיים.
התפקיד של צינור הפליטה של מנורת הנפט "ברק" ממלא על ידי החלק הגלילי המוארך של הזכוכית. בעת השימוש במנורה יחד עם מחולל החום, הקצרה הזכוכית והוכנסה לתוכה יחידת העברת חום מתכתית, כמוצג באיור 4.
איור 4. איור 4. מנורת נפט עם גנרטור תרמי
החלק החיצוני של משדר החום הוא בצורת פריזמה רב צדדית שעליה מורכבים תרמופילים. כדי להגביר את היעילות של העברת החום, למשדר החום שבתוכו היו כמה תעלות אורכיות. כשהם עוברים דרך תעלות אלה, הגזים החמים נכנסו לצינור הפליטה 3 ובמקביל חיממו את התרמופיל, ליתר דיוק, את הצמתים החמים.
רדיאטור מקורר אוויר שימש לקירור הצמתים הקרים. זהו צלע מתכתית המחוברת למשטחים החיצוניים של בלוקים תרמופיליים.
Thermogenerator - TGK3 מורכב משני חלקים עצמאיים. אחד מהם יצר מתח של 2 וולט בזרם עומס של עד 2A. קטע זה שימש להשגת מתח האנודה של המנורות באמצעות מתמר רטט. לחתך המנורות נעשה שימוש בקטע אחר עם מתח של 1.2 וולט וזרם עומס של 0.5 A.
קל לחשב כי ההספק של מחולל החום הזה לא עלה על 5 וואט, אבל זה הספיק למקלט, מה שאפשר להבהיר ערבי חורף ארוכים. עכשיו, כמובן, זה נראה מגוחך, אבל בימים ההם, מכשיר כזה היה ללא ספק נס טכנולוגי.
בשנת 1834 גילה הצרפתי ז'אן צ'ארלס אטאנז פלטייה את האפקט ההפוך לאפקט הסיביק. משמעות התגלית היא שבמהלך מעבר זרם דרך הצומת מחומרים שונים (מתכות, סגסוגות, מוליכים למחצה) משתחרר או נספג חום, התלוי בכיוון הזרם וסוגי החומרים. זה מתואר בפירוט כאן: אפקט פלטייר: השפעת הקסם של זרם חשמלי
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: