Термопара своими руками для освещения

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 19.09.2024

В наши дни основная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях или ТЭС. Однако эти предприятия пользуются различными видами ископаемого топлива, которые требуется сжечь, чтобы получить электроэнергию, а продукты сгорания наносят вред окружающей среде.

Кроме этого, проблема заключается в том, что резервы угля и газа отнюдь не безграничны и в конце концов они закончатся. Все-таки на настоящие момент ТЭС вырабатывают топливо с наименьшими издержками по сравнению с иными способами.

Однако альтернативные методы выработки электричества все же развиваются, в их числе и термоэлектрические генераторы, сокращенно ТЭГ.

Даже по некоторым фото термоэлектрического генератора несложно понять, что это устройство может иметь небольшие размеры, если вести речь о моделях для дома. Подобный ТЭГ обычный человек может смастерить собственноручно.

Содержимое обзора

Что представляет собой ТЭГ

Под термоэлектрическим генератором подразумевают установку, внутри которой тепловая энергия преобразуется в электрическую. Сразу необходимо оговорить, что тепловые электростанции, несмотря на название, данному критерию не отвечают.

В них это преображение двухступенчатое:

Сначала тепловая энергия при сжигании топлива превращается в кинетическую, а именно вода становится паром;
Далее этот пар передает свою кинетическую энергию турбине, он давит на лопасти турбины, и так и получается электричество.
ТЭГ функционирует иным образом.

Принцип работы ТЭГ

Принцип работы термоэлектрических генераторов основан на достижениях двух выдающихся ученых 19 века — немца Зеебека и француза Пельтье.

Сначала Зеебек открыл, что в замкнутом контуре, включающем две проводника из разных материалов, при условии, что их температура будет различны, на месте соприкосновения этих проводников возникает электродвижущая сила. Это явление получило название эффекта Зеебека.
Впоследствии Пельтье обнаружил противоположное явление. Если через контур, состоящий из тех же двух проводников (теперь с одинаковой температурой), пропустить ток, то в местах их соприкосновения возникнет разница между температурой одного и другого вещества. Это явление стало обозначаться как эффект Пельтье.

Именно благодаря эффектам Зеебека и Пельтье существуют возможность непосредственно трансформировать тепловую энергию в электрическую.

Роль полупроводников

В то же время, пока в контуре использовались два проводника, практическое использование данных эффектов было невозможно из-за крайне низкого КПД.

Некоторый смысл превращение тепловой энергии в электрическую получило после обнаружения полупроводников.
Если замкнутый контур составить именно из двух разных полупроводников, то отдача операции существенно повысится.
В середине прошлого века этот показатель составлял 5% (что было ощутимо выше той же цифры для стандартных проводников).
Сейчас благодаря научному прогрессу он дошел до 12%.

В наши дни самая частая комбинация двух полупроводников — германий с кремнием в составе твердой смеси с одной стороны и теллурид висмута с другой.

Изготовление ТЭГ своими руками

Чтобы создать термоэлектрический генератор для дома, требуется использовать элемент Пельтье — специальный компонент, изготавливаемый для данных целей и доступный в продаже.

Принципиальное устройство ТЭГ таково:

Необходимо взять две посудины схожей формы (к примеру, две кружки), но одна по размерам должна быть несколько меньше другой, чтобы она могла в ней поместиться.
На дно большей кружки помещают элемент Пельтье с выведенными от него проводами, а сверху его накрывают второй кружкой.
Провода, идущие от элемента Пельтье, соединяют с преобразователем напряжения.
Далее во внутреннюю кружку наливают холодную воду либо кладут снег, после этого данную мини-установку начинают нагревать.

Желательно использовать элемент Пельтье с как можно большим количество термоэлементов. К примеру, модель, которая обладает 127 термоэлементами, рассчитана на силу тока до 12 ампер.

Нюансы работы

Так как сделать генератор своими руками — не самая простая задача, ведь необходимо, чтобы устройство эффективно функционировало, требуется соблюдать целый ряд рекомендаций:

Как внешнюю, так и внутреннюю кружку в тех местах, где к ним непосредственно будет примыкать элемент Пелетье, требуется почистить и сделать поверхность как можно более ровной, таким образом удастся довести теплообмен до максимального показателя. В частности эти зоны можно полировать войлоком, на который нанесена паста ГОИ, установив сам войлок в шпиндель электродрели;
Провода, которые присоединяются к элементу Пельтье, можно взять от электроплиты, так как такие провода обладают термостойкой изоляцией. Если же в такие провода в хозяйстве отсутствуют, то допускается использовать завернутый в термостойкую ткань провод МГТФЭ-0,35
Миску, в которую будет помещен провод Пельтье, следует смазать термопроводящей пастой.
Далее сам элемент Пельтье нужно смазать этой же пастой сверху и уже после этого поставить сверху на него вторую миску меньшего диаметра (либо иную подходящую посудину);
В зону между двумя кружками помещают термоустойчивый герметик. Этот материал будет выполнять функцию термоизоляции горячей и холодной частей ТЭГ.
Концы проводов, которые идут от элемента Пельтье наружу, желательно зафиксировать к поверхности кружки. Для этого можно использовать изоленту.

Использование преобразователя

Следует отметить, что электрогенератор описанного типа имеет сравнительно высокую мощность, лишь пока вода, помещенная во внутреннюю кружку, не закипела.

А после ее закипания его показатель мощности и, соответственно, напряжения, падает. Чтобы этот показатель был неизменным, следует установить стабилизатор.

В качества такового может выступать микросхема КР1446ПН1, которая имеет DIP-корпус. Эту микросхему подключают к элементу Пельтье, а для нее самой требуется указать режим пять вольт, тогда напряжение будет стабильно оставаться именно таким.

Большинство предметов для обогрева и измерения, которые мы применяем в быту, требуют использования особых элементов контроля. Такие контроллеры (термопары) предохраняют приборы от перегрева и поломок. Термопару можно использовать и для небольших домашних измерений, и для лабораторных опытов. Для этого не нужно специально искать ее в магазинах. Можно разобраться в ее устройстве и сделать термопару для мультиметра своими руками.

Описание и характеристики

Термопара — это прибор, состоящий из двух различных проводников, которые соединяются в одной или нескольких точках компенсационными проводами. Когда на одном конце провода происходит измерение температуры, на другом создается напряжение определенного значения и силы. Это устройство используется для контроля температуры, а также для преобразования температуры в электрический ток.

Стоит термодатчик совсем недорого. Этот прибор вполне стандартный и измеряет большой диапазон температур. Единственным минусом в работе элемента является неточность, которая может составлять до 1 °C, а это немало для таких значений.

Сделать термопару в домашних условиях не составит труда. Необходимо только помнить, что эти устройства создаются из специальных сплавов, поэтому прослеживается предсказуемая и стойкая зависимость между напряжением и температурой.

Датчики бывают разных типов. Они классифицируются по типу используемых металлов для сплава:

хромель — алюмелевые;
платинородий — платиновые.

От состава зависит и среда применения, ведь такие контроллеры используют как в науке и промышленности, так и в домашних условиях — для котлов, колонок, духовых шкафов.

Принцип работы

Термопара — это самый популярный термодатчик, который был открыт в 1822 году немецким физиком Томасом Зеебеком. Именно поэтому принцип работы такого элемента часто называют эффектом Зеебека.

В книгах и учебниках этот эффект описывают так: если спаи проводников имеют неидентичные температуры, то между ними образовывается электрическая сила (термоэдс), значение которой пропорционально разности температур спаев.

Здесь нужно подчеркнуть, что принимать во внимание стоит именно разность температур, а не какой-либо показатель вообще. Кроме того, если оба спая имеют равнозначную температуру, то термоэдс в цепи не возникнет.

Перед тем как приступить к изготовлению термодатчика, нужно подготовить все материалы и инструменты. Электроды термопары состоят из разнородных материалов, для выбора которых нужно определиться с типом изделия и сферой использования.

Типы термодатчиков обозначаются буквами латинского алфавита и имеют свои характеристики. Например, популярная модель TYPE K состоит из сплава хромель-алюмель, а диапазон ее измерений — 200-1200 °C. Произведя несложные расчеты, можно говорить о нелинейности (термоэдс -35 — 32 мкВ/°C), в то время как нелинейность характеристики должна быть наименьшей. В этом случае погрешность при измерениях будет совсем небольшой.

Термопара может располагаться на удаленном расстоянии от самого оборудования. Для этого ее подключают с помощью специального кабеля. Сам кабель делают из тех же материалов, что и термопару. Разница только в диаметре.

Изготовление термодатчика

Для изготовления термопары своими руками необходимо приобрести проволоку из подходящих материалов. Здесь важное значение имеет диаметр, так как от него зависит погрешность при измерении температуры. Рекомендуется брать проволоку меньшего диаметра, особенно если исследоваться будут объекты небольших размеров.

Материал зависит от диапазона температур, с которым предполагается работа. Наиболее распространенные варианты: хромель-алюмель, медь-константан. Само изготовление заключается в создании соединения, сплава двух проволок. Зачастую для этого используется какой-то источник напряжения (к примеру, автомобильный аккумулятор или трансформатор).

Дальнейшие этапы работы таковы:

свободные концы скрученной проволоки подключают к одному из полюсов источника напряжения;
вывод подсоединяется к другому из полюсов, который дополнительно соединен еще и с графитным карандашом.

При возникновении электрической дуги возникает соединение проволок термопары. При этом напряжение для соединения проводов подбирается путем эксперимента. Как правило, оптимальное значение 40-50 В, но оно может быть меньше, так как зависит от материалов и длины изделия.

Еще один главный момент — соблюдение техники безопасности. Очень важно не использовать слишком высокое напряжение и не касаться оголенных проводов. Лучше заизолировать их специальной лентой или закрыть керамической трубкой.

Это самый простой и доступный способ изготовления термопары для мультиметра своими руками. Иногда проволоки для термопар спаивают с помощью паяльника. Но тогда придется дополнительно приобрести специальный припой и придерживаться определенных температур в работе.

Описание и характеристики

Стоит термодатчик совсем недорого. Этот прибор вполне стандартный и измеряет большой диапазон температур. Единственным минусом в работе элемента является неточность, которая может составлять до 1 °C, а это немало для таких значений.

Датчики бывают разных типов. Они классифицируются по типу используемых металлов для сплава:

хромель — алюмелевые;
платинородий — платиновые.

От состава зависит и среда применения, ведь такие контроллеры используют как в науке и промышленности, так и в домашних условиях — для котлов, колонок, духовых шкафов.

Принцип работы

Термопара может располагаться на удаленном расстоянии от самого оборудования. Для этого ее подключают с помощью специального кабеля. Сам кабель делают из тех же материалов, что и термопару. Разница только в диаметре.

Изготовление термодатчика

Дальнейшие этапы работы таковы:

свободные концы скрученной проволоки подключают к одному из полюсов источника напряжения;
вывод подсоединяется к другому из полюсов, который дополнительно соединен еще и с графитным карандашом.

Термоэлектрический генератор, сокращенно ТЭГ – это устройство, вырабатывающее электричество, используя эффект возникновения электродвижущей силы (ЭДС), за счет разницы температур проводников. Стоит отметить, что имеется и обратный эффект — получение разницы температур при воздействии электрического тока.

Краткое содержимое статьи:

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.

Историческая справка

Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.

Читайте здесь! Солнечный коллектор - инструкция как сделать, установить и подключить своими руками с максимальным КПД для отопления частного дома

ТЭГ пытались создавать с середины 19 века. В 1874 году была разработана батарея Кламона, которая была достаточно мощной, чтобы использоваться в типографии или при гальванизации.

Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.

Конструктивные особенности и область применения

Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.

Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.

Автономные термоэлектрические генераторы

Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.

Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.

Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.

Универсальные термоэлектрические генераторы

К универсальным ТЭГ можно отнести те устройства, которые используют излишки тепла там, где таковые имеются, а также генераторы двойного назначения — для выработки электрической и тепловой энергии.

Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.

Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.

ТЭГ своими руками

Создание простейшего генератора в домашних условиях не составит больших трудностей по причине его крайней простоты. По сути, все что нужно, это найти элемент Пельтье. Приобрести такой элемент сегодня не составляет труда и не потребует больших затрат.

Для простейшей демонстрации, кроме термоэлемента, достаточно будет двух алюминиевых банок прямоугольной формы, канцелярского зажима, пары проводов, холодной и горячей воды. Нужно поместить элемент Пельтье между корпусами банок, скрепив их зажимом, налить в одну банку кипяток, в другую холодную воду, желательно со льдом.

Теперь, если правильно соблюдена полярность, можно замерить напряжение на выводах элемента, сомнительно, что оно будет больше одного вольта, но, можно считать, что демонстрация удалась.

Чуть более сложной задачей будет сборка термоэлектрического генератора на дровах. Для этого, помимо термоэлемента, понадобиться камера сгорания, в качестве которой подойдет корпус от компьютерного блока питания, радиатор и вентилятор можно использовать от процессора, разъем USB.

Для тех, кто желает получить более высокое напряжение можно порекомендовать инверторы стабилизаторы — все зависит от фантазии. Инструкций и схем на просторах сети достаточно. Ниже приведена фотография подобного устройства.

Заключение

Итак, в статье был дан краткий обзор одному из направлений альтернативной энергетики — энергия, получаемая за счет термоэлектрических эффектов. История развития этого направления еще не написана до конца и не стоит на месте.

Термоэлектрические генераторы совершенствуются и находят новые применения, а следовательно рано сбрасывать со счетов эти простые, но полезные устройства.

Читайте также: