Генерация электричества с помощью термопар, элементов Пельтье и энергопечей

Принцип работы и материалы термопар

Термопара представляет собой спай двух проводников из разнородных металлов или специальных сплавов. При нагревании места соединения возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Чем больше разница электроотрицательности материалов по таблице Менделеева, тем выше показатели. Одним из самых доступных сочетаний металлов является пара «медь — цинк», которая способна работать даже без интенсивного нагрева.

Существуют распространенные промышленные типы сплавов для термопар:

• ТЖК (тип J): Железо (Fe) — константан (сплав 45% Cu + 45% Ni, Mn, Fe). Коэффициент термоЭДС составляет 50–64 мкВ/°С при диапазоне температур от 0 до 800 °С (рабочий диапазон от -200 до +750 °С, предельный — до 900 °С).
• ТХА (тип K): Хромель (90,5% Ni + 9,5% Cr) — алюмель (94,5% Ni + 5,5% Al, Si, Mn, Co). Коэффициент составляет 35–42 мкВ/°С при температурах от 0 до 1300 °С (рабочий диапазон от -200 до +1200 °С, кратковременно до 1300 °С).
• ТМК (тип T): Медь (Cu) — константан (55% Cu + 45% Ni, Mn, Fe). Коэффициент равен 40–60 мкВ/°С в диапазоне от 0 до 400 °С.

Термопары широко применяются в системах автоматики (например, в газовых котлах) и датчиках контроля температуры благодаря надежности конструкции, дешевизне, линейности характеристик и способности работать вплоть до 2200 °С. Однако на выходе одна термопара дает сигнал на уровне микровольт или милливольт и требует последовательного соединения элементов для получения полезного напряжения.

Полупроводниковые модули Пельтье

В сравнении с металлическими проволочными термопарами полупроводниковые термоэлектрические элементы гораздо продуктивнее по силе выходного тока. Принцип генерации электричества на их основе требует, чтобы одна сторона модуля нагревалась, а противоположная при этом эффективно охлаждалась.

Главный сдерживающий фактор применения таких модулей в системах энергоснабжения — их стоимость. На практике создание генерирующей сборки мощностью около 30 Вт обходится приблизительно в 12 000 рублей.

Дровяные электрогенерирующие печи

Для автономного обогрева и одновременного получения электроэнергии применяются готовые заводские энергопечи со встроенными термогенераторами:

• КРИОТЕРМ Вега-25: вырабатывает выходную электрическую мощность 25 Вт при напряжении 12 В. Тепловая мощность достигает 4 кВт. Габариты печи — 466х300х404 мм (высота без учета дымохода), объем камеры сгорания — 30 л, диаметр дымохода — 80 мм (рекомендуемая высота — 3000 мм), масса установки составляет 22 кг.
• КРИОТЕРМ Арктур: рассчитана на электрическую мощность 50 Вт при напряжении 12 В. Оснащается встроенным аккумулятором емкостью 12 А·ч. Тепловая мощность составляет до 6 кВт. Масса конструкции — 59 кг, размеры — 572х605х790 мм, топка объемом 60 л, диаметр дымохода — 120 мм при рекомендуемой высоте 5000 мм.
• Индигирка: отопительно-варочная печь, позволяющая готовить пищу. Отапливает помещение объемом до 50 м³ при тепловой мощности 4 кВт. Обеспечивает электрическую мощность 50 Вт с напряжением 12 В и оснащена встроенным аккумулятором на 12 А·ч. Суммарная площадь поверхностей нагрева — 0,6 м², объем топки — 41 л (диаметр проема дверцы 178 мм). Габариты составляют 430х540х650 мм при массе 54 кг, диаметр дымохода — 80 мм при минимальной высоте трубы 5 м.