Термоэлектрические генераторы своими руками

Этим вопросом я задался, когда готовился пойти в поход на байдарках на две недели. Электроэнергия требовалась, прежде всего, для восполнения заряда аккумуляторов в фотоаппаратах, а также аккумуляторов в фонарях.

Дамы и Господа, знакома ли Вам такая замечательная вещь, как термоэлектрические модули Пельтье? Это достаточно распространенные в наше время устройства, широко используемые любителями компьютерного "разгона" для экстремального охлаждения деталей своих компьютеров.

Суть идеи заключается в том, что это по форме плоский полупроводниковый прибор, имеющий два провода "+" и "-", а также две поверхности – "горячую" и "холодную". Если пропускать через него постоянный ток, то "холодная" сторона будет охлаждаться, а "горячая" нагреваться – прибор работает как тепловой насос. По паспорту, разность температур может достигать 60 градусов. Это значит, что например, если "горячую" сторону охлаждать до температуры 20 градусов (комнатная температура), то "холодная" сторона остынет до минус 40 градусов. Если поменять местами "+" и "-", "горячая" и "холодная" стороны также меняются местами и тепловой поток меняет направление.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиНо оказывается, у этих модулей имеется еще одна интересная особенность: если приложить к ним разность температур, то они начинают давать электрический ток! Именно на этом эффекте и предполагалось создать портативный источник электроэнергии для похода.

Так как в походе обязательно есть костер и кипящая вода, предполагалось в качестве "горячего" источника тепла использовать пар, а в качестве "холодного" – холодную воду.

Итак, пар по трубкам (в одну входит, из другой выходит)

Термоэлектрические генераторы своими руками

попадает в специальный теплообменник, изготовленный из алюминиевой пластины толщиной 10мм

Термоэлектрические генераторы своими руками

Все отверстия в этом теплообменнике соединяются только одним каналом, а в сборе с трубками, которые ввернуты и вклеены в него с помощью эпоксидного компаунда, это выглядит так:

Термоэлектрические генераторы своими руками

Теплообменник имеет размеры в точности по размеру модулей Пельтье. Модули прижимаются к теплообменнику с двух сторон четырьмя винтами (изначально винтов предполагалось восемь, но в результате моей недальновидности и конструкторской бездарности двум из них помешали паровые трубки, а другие два с противоположной стороны решено было не устанавливать, чтобы избежать перекоса),

Термоэлектрические генераторы своими руками

Термоэлектрические генераторы своими руками

поэтому отверстия в теплообменнике и канальцы между ними образуют систему сообщающихся паровых камер. Войдя в одну трубку, пар проходит по единственно возможному пути последовательно через каждую паровую камеру, образованную объемами отверстий в теплообменнике, и выходит через вторую трубку. Тепло от пара передается модулю при непосредственном контакте с его поверхностью (на площади, равной суммарной площади отверстий в теплообменнике) и через материал теплообменника.

Для прижатия модулей Пельтье к теплообменнику и для отвода тепла к "холодному" источнику тепла используются алюминиевые пластины толщиной 5мм

Термоэлектрические генераторы своими руками

Для предотвращения попадания охлаждающей воды внутрь модулей Пельтье, вся сборка герметизирована полупрозрачным силиконовым затекающим герметиком

Термоэлектрические генераторы своими руками

Теперь осталось только пустить пар по трубкам, а саму сборку опустить в емкость с холодной водой. Однако, в результате экспериментов на кухонной плите выяснилось, что напряжения, которое выдает эта система, недостаточно для полноценного заряда аккумуляторов. "Холодная" вода в охлаждающей емкости быстро нагревается, разница температур уменьшается и напряжение еще более снижается. Кроме того, для полноценной зарядки аккумуляторов требуется достаточно продолжительное время, исчисляемое часами (от слова "час", а не "часы"), как показала практика, в походных условиях при дождливой погоде не всегда удается развести хороший огонь и вскипятить воду, не говоря уже о паропроизводстве в течение нескольких часов.

Поэтому данная система так и осталась не задействована, а вместо нее была собрана другая – на солнечных батареях. В ее состав входит сборка солнечных элементов, которую можно свернуть в "трубочку"

Термоэлектрические генераторы своими руками

и блок-стабилизатор для обеспечения необходимого напряжения для заряда Li-ION аккумулятора

Читать также:  Пайка схемы на плате

Термоэлектрические генераторы своими руками

Термоэлектрические генераторы своими руками

Как затем показала практика эксплуатации – это решение вполне пригодно для исполнения своих функций.

Главная страница » Термоэлектрический генератор (тепловой насос) своими руками

Термоэлектрические генераторы 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.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиКлассическая 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.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиКонструкция 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.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиСтруктура 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.
Читать также:  Регулировка глубины пропила циркулярной пилы

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.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиМодуль 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.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиЭкспериментальное 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:

Термоэлектрические генераторы своими рукамиСтруктурная 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.

Кратко о принципе действия

Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает. Данный модуль состоит из последовательно соединенных термопар, находящихся между керамических пластин, как показано на картинке ниже.Термоэлектрические генераторы своими руками

Когда через такую цепь проходит электрический ток, происходит так называемый эффект Пельтье — одна сторона модуля нагревается, а вторая – охлаждается. Для чего это нам нужно? Все очень просто, если действовать в обратном порядке: одну сторону пластины нагреть, а второю охладить, соответственно можно сгенерировать электроэнергию небольшого напряжения и силы тока. Надеемся, что на данном этапе все понятно, поэтому переходим к мастер-классам, которые наглядно покажут из чего и как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Читать также:  Ремонт лазерный уровень сокол

Мастер-класс по сборке

Итак, мы нашли в интернете очень подробную и в то же время простую инструкцию по сборке самодельного генератора электроэнергии на базе печи и элемента Пельтье. Для начала Вам необходимо подготовить следующие материалы:

  • Непосредственно сам элемент Пельтье с параметрами: максимальный ток 10 А, напряжение 15 Вольт, размеры 40*40*3,4 мм. Маркировка – TEC 1-12710.
  • Старый блок питания от компьютера (с него нужен только корпус).
  • Стабилизатор напряжения, со следующими техническими характеристиками: входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе – 5 Вольт. В данной инструкции по сборке термоэлектрического генератора используется модуль с USB выходом, что упростит процесс подзарядки современного телефона либо планшета.
  • Радиатор. Можно взять от процессора сразу с куллером, как показано на фото.
  • Термопаста.

Термоэлектрические генераторы своими рукамиТермоэлектрические генераторы своими руками

Подготовив все материалы можно переходить к изготовлению устройства своими руками. Итак, чтобы Вам было понятнее, как самому сделать генератор, предоставляем пошаговый мастер-класс с картинками и подробным объяснением:

  1. Разберите старый блок питания и оставьте только корпус. Он будет использоваться, как место розжига огня (так называемая печь).
  2. К ровной поверхности радиатора приклейте пластину Пельтье на термопасту. Клеить нужно маркировкой к радиатору, это будет холодная сторона. Если Вы перепутаете полярность, в дальнейшем нужно будет поменять полярность проводов, чтобы термоэлектрический генератор работал правильно.Термоэлектрические генераторы своими руками
  3. К обратной стороне модуля приклейте корпус блока питания, как показано на фото ниже.
  4. К выводам пластины припаяйте стабилизатор с выходом USB. Кстати, для соединения можно и паяльник сделать своими руками.Термоэлектрические генераторы своими руками
  5. Аккуратно поместите 5-вольтовый преобразователь в радиаторе и переходите к испытаниям самодельного термоэлектрического генератора.Термоэлектрические генераторы своими рукамиТермоэлектрические генераторы своими руками

Работает термоэлектрический генератор следующим образом: внутри печи засыпаете дрова, поджигаете их и ждете несколько минут, пока одна из сторон пластины не нагреется. Для подзарядки телефона нужно, чтобы разница между температурами разных сторон была около 100 о С. Если охлаждающая часть (радиатор) будет нагреваться, его нужно остужать всеми возможными методами – аккуратно поливать водой, поставить на него кружку со льдом и т.д.

Также можно установить на холодную сторону вентилятор от компьютера, как показывается на втором варианте самодельного термоэлектрического генератора с элементом Пельтье:Термоэлектрические генераторы своими руками

В этом случае куллер будет затрачивать небольшую долю мощности генераторной установки, но в итоге система будет с более высоким КПД. Помимо телефонной зарядки модуль Пельтье можно использовать в качестве источника электроэнергии для светодиодов, что не менее полезный вариант применения генератора. Кстати, второй вариант самодельного термоэлектрического генератора с виду и по конструкции немного похож. Единственная модернизация, помимо системы охлаждения, это способность регулировать высоту так называемой горелки. Для этого автор элемента использует «тело» CD-ROMа (на одном из фото хорошо видно, как самому можно изготовить конструкцию).

Термоэлектрические генераторы своими руками Термоэлектрические генераторы своими руками Термоэлектрические генераторы своими руками

Если сделать термоэлектрический генератор своими руками по такой методике, на выходе у Вас может быть до 8 Вольт напряжения, поэтому чтобы заряжать телефон, не забудьте подключить преобразователь, который на выходе оставит только 5 В.

Ну и последний вариант самодельного источника электроэнергии для дома может быть представлен такой схемой: элемент – два алюминиевых «кирпичика», медная труба (водяное охлаждение) и конфорка. Как результат – эффективный генератор, позволяющий сделать бесплатное электричество в домашних условиях!Термоэлектрические генераторы своими руками

Вот мы и предоставили три простых варианта самодельного аппарата, который можно собрать из подручных средств. Теперь Вы знаете как сделать термоэлектрический генератор своими руками, на чем основан принцип работы элемента Пельтье и для чего его можно использовать!

Будет интересным к прочтению:

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *