Что такое электрогенератор на дровах, его особенности и назначение

Как это работает?

Стандартный элемент Пельтье – это пластина с двумя выходами для подключения к сети, собранная из кубиков разного металла, например медь и константан, медь и никель, свинец и константан и т. д.

Пластина пропускает через себя электрический ток, и с одной стороны нагревается, а с другой становится холодной.

В представленном электрогенераторе применяется обратный принцип: одна сторона элемента нагревается от горящего топлива (в данном случае – щепок и дров), другая охлаждается любым теплообменником – жидкостным или воздушным, и на проводах происходит выработка постоянного электротока, который уже можно использовать по усмотрению.

Больших показателей мощности ожидать не приходится, даже в заводских печах-генераторах (в них, как правило, два элемента), вырабатывается до 60 Вт. Самодельные обычно выдают 5 Вт (хватит, чтобы зарядить сотовый телефон или подключить фонарик со светодиодами).

Электроток в такой печи – лишь побочный продукт, основная энергия от сгорания дров не пропадает впустую, а служит для отопления помещения (хватит на небольшой дом, дачу или палатку).

Бесплатное электричество из земли

Земля благоприятная среда для извлечения электричества. В грунте присутствуют три среды:

влажность — капли воды;
твердость — минералы;
газообразность — воздух между минералами и водой.

Кроме того, в почве постоянно проходят электрические процессы, так как его основной гумусовый комплекс представляет собой систему, на внешней оболочке которого формируется отрицательный заряд, а на внутренней положительный, что влечет за собой постоянное притягивание положительно заряженных электронов к отрицательным.

Метод похож на тот, что используется в обычных батарейках. Для получения электричества из земли следует погрузить в грунт на глубину полуметра два электрода. Один медный, второй из оцинкованного железа. Расстояние между электродами должно быть примерно в 25 см. Грунт между проводниками заливается солевым раствором, а к проводникам подключаются провода, на одном будет положительный заряд, на втором отрицательный.

В практических условиях выходная мощность такой установки составит приблизительно 3Вт. Мощность заряда также зависит от состава грунта. Конечно, такой мощности недостаточно для того, чтоб обеспечить энергоснабжение в частном доме, но установку можно усилить, изменяя размер электродов или последовательно соединить между собой необходимое количество. Проведя первый опыт, можно примерно просчитать, сколько понадобиться таких установок, чтоб обеспечить 1 кВт, а далее рассчитать необходимое количество на основе среднего потребления в сутки.

Классический вариант

Как уже отмечено, в электростанции на дровах используется несколько технологий для получения электричества. Классической среди них является энергия пара, или попросту паровой двигатель.

Здесь все просто – дрова или любое другое топливо сгорая, разогревает воду, в результате чего она переходит в газообразное состояние – пар.

Полученный пар подается на турбину генераторной установки, и за счет вращения генератор вырабатывает электроэнергию.

Поскольку паровой двигатель и генераторная установка соединены в единый закрытый контур, то после прохождения турбины пар охлаждается, снова подается в котел, и весь процесс повторяется.

Такая схема электростанции – одна из самых простых, но у нее имеется ряд существенных недостатков, одним из которых является взрывоопасность.

После перехода воды в газообразное состояние давление в контуре значительно повышается, и если его не регулировать, то высока вероятность порыва трубопроводов.

И хоть в современных системах применяются целый набор клапанов, регулирующих давление, но все же работа парового двигателя требуется постоянного контроля.

К тому же обычная вода, используемая в этом двигателе, может стать причиной образования накипи на стенках труб, из-за чего понижается КПД станции (накипь ухудшает теплообмен и снижает пропускную способность труб).

Но сейчас эта проблема решается использованием дистиллированной воды, жидкостей, очищенных примесей, выпадающих в осадок, или же специальных газов.

Но с другой стороны эта электростанция может выполнять еще одну функцию – обогревать помещение.

Здесь все просто – после выполнения своей функции (вращения турбины) пар необходимо охладить, чтобы он снова перешел в жидкое состояние, для чего нужна система охлаждения или попросту – радиатора.

И если разместить этот радиатор в помещении, то в итоге от такой станции получим не только электроэнергию, но еще и тепло.

История создания

Точно сказать, какие специалисты изобрели генератор электричества, нельзя — работу над ним вели многие инженеры и электротехники в течение десятков лет. Работа над такой техникой продолжается даже и в XXI веке, когда, казалось бы, ничего существенного прибавить уже нельзя. Решающим шагом к созданию генератора стало открытие взаимодействия электрического поля и магнитной стрелки в 1820 году. Постепенно удалось обнаружить, что электрический ток получается только в подвижном магнитном поле либо при движении в нем проводника. Честь такого открытия делят Аньош Йедлик (Австрия, 1827) и Майкл Фарадей (Англия, 1831).

Хотя первым был венгерский ученый, куда большую известность получили усилия его британского коллеги. Именно он детально и всесторонне исследовал электромагнитную индукцию, а не просто постарался создать конкретный механизм. Кроме того, Йедлик от прототипов смог перейти к полноценной динамо-машине лишь в 1850-е годы. А вот Майкл Фарадей создал генератор электроэнергии (хотя еще несовершенный) еще в 1831-м. Динамо-машины оказались исторически первым типом, но из-за размеров и сложности коммутации сошли со сцены.

Но архаичное крепостное хозяйство не позволило воспользоваться перспективными разработками, и вскоре приоритет безвозвратно ушел к промышленно развитым государствам. Вплоть до 1851 года все генераторы делались только с постоянными магнитами, в последующие 16 лет повысить мощность удавалось за счет простых электромагнитов. В 1866-1867 годах сразу несколько разработчиков представили электрические машины на самовозбуждающихся магнитах.

Генератор бельгийско-французского изобретателя Зеноба Грамма, построенный в 1870 году, впервые начал применяться широко в промышленных целях. Как только появился дизельный двигатель, неустановленный разработчик придумал, как использовать его в качестве генераторного привода. Уже в 1920-е годы дизель-генераторы начали активно применяться в промышленности. Исследования физиков в 1940-е годы позволили создать магнитогидродинамические генераторы. Но такие системы могут применяться исключительно на крупных электростанциях, перспективы их бытового применения отсутствуют.

Как превращать отработанное тепло в электричество

Ганг Чень, сотрудник Массачусетского технологического института, придумал термоэлектрический генератор, который способен конвертировать разницу температур в электричество.

Еще около десяти лет назад Чень с коллегами, создав компанию GMZ Energy, начали работу над небольшим генератором. «Все признают большой потенциал использования побочного тепла, но это всегда было слишком сложной задачей, чтобы думать об этом всерьез», — говорит Чень.

Термоэлектрический генератор создает электроэнергию, когда тепло поступает в верхнюю часть модуля, а затем проходит через полупроводниковый материал к более холодной стороне. В результате движение электронов в полупроводнике под этой разностью температур создает напряжение.

Новейший генератор может выдерживать нагрев до температуры примерно 600 °C на его горячей стороне (верхняя поверхность) при поддержании температуры от 100 °C на его холодной стороне (нижняя поверхность).

С этим градиентом в 500 °C модуль размером в 4 квадратных сантиметра может производить 7,2 Вт энергии.

Установленный, например, рядом с выхлопной трубой, устройство может существенно снизить нагрузку на генератор автомобиля, уменьшить затраты на топливо и понизить количество выбросов.

Чень нашел инвесторов, которые вложили 7 млн долларов? в первом раунде финансирования и 18 млн долларов через несколько месяцев.

Таким образом, вы должны учитывать температуру источника тепла и подбирать материал, соответствующий этому температурному диапазону».

В качестве постоянного материала для коммерческого производства термоэлектрических генераторов компания остановилась на так называемых «полугейслерах» — сплавах с сильной кристаллической структурой, которая обеспечивает большую стабильность при высоких температурах.

Но у GMZ Energy есть планы на будущее и для других материалов: теллурида висмута, теллурида свинца, кремния германия и других.

«Наша миссия — создавать успешные продукты для стимулирования инноваций, а главное, что мы переносим передовые научные идеи в реальный мир», — гордится Чень.

Принцип работы

Термопара из опыта ЗеебекаОбозначения:

1 – медный проводник.
2 – проводник из сурьмы.
3 – стрелка компаса.
А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Исследовательская часть

Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества. Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.

Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

Варочной поверхности.
Обогревателя.
Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Это интересно: Как сделать автоматическую подсветку для шкафа — изучаем по пунктам

Как работает термоэлектрический генератор Пельтье

Данное устройство имеет сложный механизм работы, но его собирали уже несколько сотен раз, так что можете быть уверены, у вас все получится. Мы поговорим о том, какие запчасти нужны для сборки самодельного термоэлектрического генератора, так вы поймете, почему он работает. Устройство Пельтье состоит из последовательно соединенных термопар, находятся они между керамических пластин. Примерно вот так это все выглядит на картинке. Узнайте, как сделать маленький вентилятор от USB.

Когда через цепь проходит электрический ток образуется эффект Пельтье, одна сторона модуля нагревается, другая просто охлаждается. Соответственно, если одну сторону сильней нагреть может получить большую силу тока и напряжение.

Результат

Несмотря на низкий КПД элемента Пельтье в режиме генерации, промежуточный результат я все же получил – при подключении к выходу преобразователя портативного аккумулятора с заявленным током заряда 1000 мА генератор смог дать ток около 600 мА. Думаю, для зарядки большинства гаджетов в условиях Большого Песца этого тока вполне хватит. По приезду вентилятора (Ибей обещает середину марта-начало апреля) проверю охлаждение. Плюс нужно будет протестировать работу генератора в «боевых» условиях – на костре.

За качество фотографий извиняюсь — фотограф из меня никакой. Ссылка на вдохновившую меня статью: тыц.

Успехов!

Что это такое?

Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.

На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.

Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.

Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.

Варианты для дачи

При необходимости создания независимого электроснабжения дачи, вариант использования солнечной электростанции, также наиболее приемлем. В этом случае, при сезонном характере использования оборудования, можно законсервировать устройства или вывести их из работы, на период отсутствия необходимости в эксплуатации.

Вариант строительства ветрового генератора, также вполне доступен и оправдан. Потому как понеся, некоторые разовые финансовые расходы, в дальнейшем можно, в зависимости от потребности, получать свое электричество.

Вариант применения схемы «ветровой генератор + солнечная электростанция», в этом случае, также актуален, и позволяет создать полностью автономную и надежную схему электроснабжения.