Электричество термопара: Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии – без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.

Редакция сайта

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».

принцип действия, схемы, таблица типов термопар и т.д.

Термопары — это наиболее распространенное устройство для измерения температуры. Термопары генерируют напряжение при нагревании и возникающий ток позволяет проводить измерения температуры. Отличается своей простотой, невысокой стоимостью, но внушительной долговечностью. Благодаря своим преимуществам, термопара используется повсеместно.

Стандартная термопара

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Принцип работы термопары

Термопара представляет собой два провода, изготовленных из различных металлов. Эти два провода скреплены или сварены вместе и образуют спай. Когда на этот спай оказывают воздействие изменения температуры, то термопара реагирует на них генерируя напряжение, пропорциональное по величине изменениям температуры.

Если термопара подсоединена к электрической цепи, то величина генерируемого напряжения будет отображаться на шкале измерительного прибора. Затем показания прибора могут быть преобразованы в температурные показания с помощью таблицы. На некоторых приборах шкала откалибрована непосредственно в градусах.

Термопара в электрической цепи

Спай термопары

В конструкции большинства термопар предусмотрен только один спай. Однако, когда термопара подсоединяется к электрической цепи, то в точках ее подсоединения может образовываться еще один спай.

Цепь термопары

Цепь, показанная на рисунке, состоит из трех проводов, помеченных как А, В и С. Провода скручены между собой и помечены как D и Е. Спай представляет собой дополнительный спай, который образуется, когда термопара подсоединяется к цепи. Этот спай называется свободным (холодным) спаем термопары. Спай Е — это рабочий (горячий) спай. В цепи находится измерительный прибор, который измеряет разницу величин напряжения на двух спаях.

Два спая соединены таким образом, что их напряжение противодействует друг другу. Таким образом, на обоих спаях генерируется одна и та же величина напряжения и показания прибора будут равны нулю. Так как существует прямо пропорциональная зависимость между температурой и величиной напряжения, генерируемой спаем термопары, то два спая будут генерировать одни и те же величины напряжения, когда температура на них будет одинаковой.

Воздействие нагрева одного спая термопары

Когда спай термопары нагревается, величина напряжения повышается прямо пропорционально. Поток электронов от нагретого спая протекает через другой спай, через измерительный прибор и возвращается обратно на горячий спай. Прибор показывает разницу напряжения между двумя спаями. Разность напряжения между двумя спаями. Разность напряжения, показываемая прибором, преобразуется в температурные показания либо с помощью таблицы, либо прямо отображается на шкале, которая откалибрована в градусах.

Холодный спай термопары

Холодный спай часто представляет собой точку, где свободные концы проводов термопары подсоединяются к измерительному прибору.

В силу того, что измерительный прибор в цепи термопары в действительности измеряет разность напряжения между двумя спаями, то напряжение холодного спая должно поддерживаться на неизменном уровне, насколько это возможно. Поддерживая напряжение на холодном спае на неизменном уровне мы тем самым гарантируем, что отклонение в показаниях измерительного прибора свидетельствует о изменении температуры на рабочем спае.

Если температура вокруг холодного спая меняется, то величина напряжения на холодном спае также изменится. В результате изменится напряжение на холодном спае. И как следствие разница в напряжении на двух спаях тоже изменится, что в конечном итоге приведет к неточным показаниям температуры.

Для того, чтобы сохранить температуру на холодном спае на неизменном уровне во многих термопарах используются компенсирующие резисторы. Резистор находится в том же месте, что и холодный спай, так что температура воздействует на спай и резистор одновременно.

Цепь термопары с компенсирующим резистором

Рабочий спай термопары (горячий)

Рабочий спай — это спай, который подвержен воздействию технологического процесса, чья температура измеряется. Ввиду того, что напряжение, генерируемое термопарой прямо пропорционально ее температуре, то при нагревании рабочего спая, он генерирует больше напряжения, а при охлаждении — меньше.

Рабочий спай и холодный спай

Типы термопары

Термопары конструируются с учетом диапазона измеряемых температур и могут изготавливаться из комбинаций различных металлов. Комбинация используемых металлов определяет диапазон температур, измеряемых термопарой. По этой причине была разработана маркировка с помощью букв для обозначения различных типов термопар. Каждому типу присвоено соответствующее буквенное обозначение, и это буквенное обозначение указывает на комбинацию используемых металлов в данной термопаре.

Типы термопар и диапазон их температур

Когда термопара подключается к электрической цепи, то она не будет работать нормально пока не будет соблюдена полярность при подключении. Плюсовые провода должны быть соединены вместе и подсоединены к плюсовому выводу цепи, а минусовые к минусовому. Если провода перепутать, то рабочий спай и холодный спай не будут в противофазе и показания температуры будут неточными.
Одним из способов определения полярности проводов термопары -это определение по цвету изоляции на проводах. Помните, что минусовой провод во всех термопарах — красный.

Цвет изоляции проводов термопар

Во многих случаях приходится использовать провода для удлинения протяженности цепи термопары. Цвет изоляции соединительных проводов также несет в себе информацию. Цвет внешней изоляции соединительных проводов — разный, в зависимости от производителя, однако цвет первичной изоляции проводов обычно соответствует кодировке, указанной в таблице выше.

Неисправности термопары

Если термопара выдает неточные показания температуры, и было проверено, что нет ослабленных соединений, то причина может крыться либо в регистрирующем приборе, либо в самой термопаре, первым обычно проверяется регистрирующий прибор, так как приборы чаще выходят из строя, чем термопары.

Более того, если прибор показывает хоть какие-нибудь показания, пусть даже неточные, то, скорей всего, дело не в термопаре. Если термопара неисправна, то обычно она не выдает вообще никакого напряжения, и прибор не будет выдавать никаких показаний. Если показаний на приборе нет совсем, то вероятно дело в термопаре.

Если Вы подозреваете, что термопара вышла из строя, то проверьте ее сигнал на выходе с помощью прибора, который называется милливольтный потенциометр, который используется для измерения малых величин напряжения.

Потенциометр

Пирометр
это продвинутый прибор для определения температуры любого объекта на основе инфракрасного датчика, который считывает невидимое инфракрасное излучение

Термистор
чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала

Жидкостный термометр технический
это прибор для измерения температуры технологических процессов при помощи жидкости, которая реагирует на изменение температуры

Ртутный термометр технический
это прибор для измерения температуры, в котором в качестве жидкости используется ртуть, единственный жидкий метал

Биметаллический термометр
это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел

Термопары

9004

Когда два разнородных металла соприкасаются друг с другом, возникает небольшое напряжение в милливольтовом диапазоне. Эта ЭДС перехода зависит от температуры и может использоваться в качестве термометра, если составить термопару из двух проводов из разнородных металлов. Производство ЭДС перехода связано с разницей уровней Ферми двух металлов. Если электрон в металле находится на уровне Ферми E F энергии в металле, то для того, чтобы электрон просто вырвался из металла, требуется определенное количество энергии, и эта энергия называется «работой выхода» φ металла. Разнородные металлы, как правило, будут иметь разные работы выхода, поэтому, если такие металлы привести в плотный контакт, при котором электроны могут перемещаться между ними туда и обратно, между ними будет эффективная ЭДС или напряжение, равное разнице в работах выхода φ А. — ф В . Если существует проводящий путь для образования полной цепи, то электроны будут течь из металла с более высоким уровнем Ферми в металл с более низким уровнем Ферми. Однако, если полная электрическая цепь состоит из проводов из одних и тех же металлов, соединенных вместе на обоих концах, и два соединения имеют одинаковую температуру, не будет чистого потока электронов вокруг цепи, поскольку потенциалы двух соединений компенсируются друг друга. Полезные устройства могут быть изготовлены путем поддержания двух спаев такой цепи при разных температурах. Широкое использование термопар связано с измерением потенциала перехода, поскольку он зависит от температуры. Однако температурная зависимость является нелинейной и должна быть эмпирически откалибрована, чтобы дать точное представление о температуре. Эта температурная зависимость потенциала перехода была обнаружена Зеебеком в 1821 году, поэтому ее часто называют «эффектом Зеебека». Типичные напряжения для одного перехода составляют порядка 10 -6 вольт/К, поэтому для получения более высокого напряжения сигнала некоторые из них часто объединяются последовательно в датчике температуры. При большом количестве спаев и достаточном количестве тепла можно изготовить термоэлектрический генератор. Поскольку космические миссии требуют длительного периода производства электроэнергии, использование тепла от радиоактивного распада было использовано для создания радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ). На момент приземления Марсианской научной лаборатории в августе 2012 года Соединенные Штаты запустили 45 РИТЭГов в составе 26 космических миссий. «Эффект Пельтье» является обратным эффекту Зеебека и заключается в использовании возбуждающего напряжения для пропускания тока через соединение разнородных металлов. Это приводит к охлаждению соединения, если оно направлено в одном направлении, и к нагреву соединения, если оно направлено в противоположном направлении. Это выгодно используется для создания небольших термоэлектрических холодильников. Омический электрический нагрев будет накладываться на эффект Пельтье на стыке, что является преимуществом, если нагрев является вашим намерением, но работает против вашего термоэлектрического холодильника. Другой эффект с металлическими проводниками, связанный с эффектами Пельтье и Зеебека, называется «эффектом Томсона». Это эффект нагрева или охлаждения в металле, если ток вынужден течь по тепловому градиенту, который поддерживается в металле. Эффективная кинетическая энергия электронов вблизи уровня Ферми несколько выше при более высоких температурах. Если ЭДС вызывает поток электронов от более холодного к более теплому концу металлического стержня, электронам потребуется получить некоторую кинетическую энергию, чтобы они находились в равновесии на более теплом конце. Они должны получать эту энергию из теплового резервуара кристаллической решетки, поэтому на этом конце металлическая решетка будет охлаждаться.

Индекс DC Circuits EMF Concepts Ссылка: KIP, раздел 7.7 История термоэлектриков, UCLA

Hyperphysics ***** ИЛИКА

Назад

Термоэлектричество с использованием полупроводниковых термопар

 

 

 

Когда любой электрический проводник подвергается температурному градиенту, нагревая один конец, поддерживая другой конец при низкой температуре, он генерирует напряжение между горячим и холодным концами. Это явление известно как эффект Томсона и используется для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

 

 

Термопары

Явление термоэлектричества впервые наблюдал в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, который заметил, что при изготовлении петли из проводов с использованием двух разнородных металлов между соединениями проводов возникает напряжение, если одно соединение горячее другого. . Такая петля, сделанная из разнородных металлов, стала известна как термопара, а явление было названо эффектом Зеебека в его честь. Напряжение, генерируемое термопарой, очень мало, и для создания практического термоэлектрического генератора требуется много термопар.

 

Полупроводниковые термопары

На протяжении более века термопары изготавливались из металлических проводников, и хотя было исследовано множество различных металлов, КПД редко превышал 3%. С появлением полупроводников КПД термоэлектрических генераторов значительно увеличился, и к 1950-м годам КПД генераторов достиг 5%, а охлаждение по Пельтье было достигнуто от температуры окружающей среды до температуры ниже 0°С.

См. раздел «Полупроводники», в котором объясняется, как работают термопары.

 

Характеристики термопары

 

Коэффициент Зеебека

Кельвин показал, что при небольшой разности температур напряжение, возникающее между горячим и холодным концами одного проводящего стержня, пропорционально разности температур между двумя концами. Константа пропорциональности S теперь известен как коэффициент Зеебека и определяется как:

S = Δ V / Δ T

, где Δ T — разность температур между двумя концами материала, а Δ V — генерируемое термоэлектрическое напряжение. Таким образом, генерируемое напряжение определяется как:

Δ V = S*Δ T

Таким образом, это мера величины индуцированного термоэлектрического напряжения в ответ на разность температур материала.

Для большинства проводников создается крошечное напряжение, всего несколько микровольт на градус разницы температур. Для полупроводниковых материалов коэффициент может составлять от 100 мкВ/°К до 300 мкВ/°К, что в любом случае очень мало. Это происходит главным образом потому, что кинетическая энергия носителей заряда в полупроводниках сильно зависит от температуры, тогда как в металлах она не так сильно зависит от температуры.

В более общем случае коэффициент Зеебека является нелинейным и зависит от материала проводника, его молекулярной структуры и абсолютной температуры. Напряжение Зеебека не зависит от распределения температуры вдоль проводника, а только от разности температур между концами. Коэффициент Зеебека часто ошибочно называют термоЭДС или термоЭДС (это напряжение, а не мощность).

 

Термоэлектрические материалы

Идеальные термоэлектрические материалы должны обладать следующими свойствами:

• Высокий коэффициент Зеебека S — для получения максимального выходного напряжения на градус разницы температур.
• Высокая электропроводность σ — для минимизации джоулева нагрева
• Низкая теплопроводность λ — для ограничения распространения тепла по устройству для поддержания большого температурного градиента.

 

В целях сравнения пригодность термоэлектрических материалов для выработки электроэнергии, а также для нагрева и охлаждения можно охарактеризовать с помощью добротности, включающей эти свойства.

Показатель качества Z термоэлектрического материала является мерой его эффективности в качестве компонента преобразования энергии и определяется как:

Z = σS ²

      λ

Материалы с высокими термоэлектрическими показателями качества обычно представляют собой сильнолегированные полупроводники, и в течение многих лет лучшие материалы имели показатель качества около 1. Последние достижения в области материаловедения увеличили это число примерно до 49.0006

 

Выходное напряжение термопары

На практике для извлечения полезного тока из концов токопроводящего стержня требуется подключение проводов к конечным точкам, по существу образуя второй проводник параллельно между источником тепла и радиатором. Таким образом, напряжение, генерируемое в проводах, будет противодействовать напряжению, генерируемому на стержне, а генерируемое чистое напряжение будет разностью между напряжениями, генерируемыми на стержне и на проводах. Схема, содержащая два разнородных металла, образует термопару.

 

Термоэлектрическое напряжение, генерируемое в одном проводнике, уже очень мало. Соединение проводов через проводник для извлечения электрической энергии вводит в цепь противоположное напряжение, так что доступное чистое полезное напряжение становится еще меньше.

 

На приведенной ниже диаграмме показано напряжение, развиваемое термопарой.

Разность напряжений, В , возникающая на клеммах разомкнутой цепи, изготовленной из пары разнородных металлов, А и В , два перехода которых находятся при разных температурах, зависит от разности температур между горячие и холодные спаи, (Th — Tc) . Поскольку оба проводника подвержены одинаковой разности температур, генерируемое чистое напряжение будет разностью между напряжениями, генерируемыми на каждом проводнике. Таким образом, развиваемое чистое напряжение определяется как: V = ∫ Tc Th (S b (T) — S a (T)) dT   , где S a и S b — коэффициенты Зеебека металлов A и B , и T h и T c – температуры горячего и холодного спаев. При небольших перепадах температур коэффициенты Зеебека фактически постоянны во всем диапазоне температур, и приведенная выше формула может быть аппроксимирована следующим образом: V = (S b — S a ) x (T h — T c )

 

Это физическая основа термопары, которая часто используется для измерения температуры и в особых случаях для производства электроэнергии. См. практические устройства ниже

 

Термоэлектрическая эффективность

Эффективность термопары зависит от основных свойств термоэлектрических материалов, используемых в ее конструкции, и единственный способ улучшить ее — разработать новые материалы с более высоким показателем качества. Несмотря на 180 лет экспериментов с множеством различных материалов, типичная эффективность термоэлектрического преобразования по-прежнему составляет всего около 3%, а эффективность выше 10% никогда не достигалась. Наилучший КПД, достигнутый на сегодняшний день в космических аппаратах, составляет от 7% до 8%, что аналогично солнечным элементам на основе аморфного кремния (Si), но уступает 24%, достигаемым солнечными элементами с использованием экзотических материалов.

 

Существуют гораздо более эффективные способы преобразования тепла в электричество, чем использование термоэлектрических устройств.

 

Практические термоэлектрические устройства

Поскольку эффективность преобразования очень низкая, применение термопар в основном ограничено маломощными устройствами. Затраты также очень высоки, что еще больше ограничивает их потенциальное использование.

 

Более высокая электрическая мощность может быть достигнута в устройствах Seebeck за счет использования большего количества тепла за счет увеличения разницы температур между горячими и холодными поверхностями. Ограничивающими факторами здесь являются термическая и химическая стойкость термоэлектрического материала при высоких температурах и способность отводить избыточное тепло от холодной поверхности.

Точно так же эффективность охлаждения устройств Пельтье может быть улучшена за счет использования более высоких токов, но применяются те же ограничивающие факторы, за исключением того, что в этом случае избыточное тепло должно отводиться от горячей поверхности.

 

• Применения с низким энергопотреблением

Типичными применениями термопар, использующих эффект Зеебека, являются измерение температуры, определение тепла и обнаружение излучения в болометрах. Термоэлектрические батареи, работающие от тепла тела, также используются в портативных медицинских устройствах мониторинга.

 

• Термобатарея

Поскольку энергия, получаемая от одной термопары, очень мала, для создания термоэлектрических устройств, способных передавать практическое количество энергии, необходимо использовать массивы термопар. Устройства большей мощности могут быть изготовлены путем последовательного соединения термопар для увеличения емкости по напряжению и параллельно для увеличения емкости по току. Такой массив термопар называется термобатареей.

Термобатарея

 

Термоэлектрические генераторы могут использоваться почти так же, как фотоэлектрические устройства, и могут использоваться те же электрические вспомогательные цепи. Например, более высокое выходное напряжение может быть достигнуто за счет использования массива для управления преобразователем постоянного тока в постоянный.

 

• Термобатареи на эффекте Пельтье — это, по сути, тепловые насосы, которые перекачивают тепло с одной стороны устройства на другую. Они используются для обеспечения термоэлектрического охлаждения, однако эффективность устройств на эффекте Пельтье обычно составляет от 5% до 10%, что намного меньше, чем от 40% до 50%, достижимых с компрессорными холодильными установками, что ограничивает их использование небольшими портативными холодильниками и охлаждающими плитами.

 

• Термобатареи на эффекте Зеебека используются для преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэлектрических генераторах (ТЭГ) с выходной электрической мощностью 1000 Вт и более.

 

ТЭГ

в течение некоторого времени использовались в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) для обеспечения портативной энергии в космических аппаратах с использованием тепла распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний-238. См. «Ядерные батареи».

 

Совсем недавно изучается возможность использования массивов термопар в автомобильных приложениях для рекуперации отработанного тепла выхлопных газов двигателя. При температуре выхлопных газов 250°C и температуре охлаждающей жидкости 50°C достигается выходная мощность более 300 Вт, но она падает до 150 Вт при повышении температуры охлаждающей жидкости до 90°C

 

См.