Jak přeměnit teplo na elektřinu?

Rozmanitost využití automatizačních a telemetrických systémů roste s příchodem nových technologií a nových oblastí jejich použití. Všechny systémy vyžadují spolehlivé napájecí zdroje, přičemž spotřeba energie u podobných systémů rok od roku klesá a požadavky na spolehlivost rostou. Náklady na položení napájecího kabelu mohou být mnohonásobně vyšší než náklady na samotné automatizační nebo telemetrické zařízení a v některých případech není technicky možné napájecí kabel instalovat. Tepelný výkon vypouštěný do prostředí v průmyslových zařízeních přitom může dosahovat až megawattů. Využití termoelektrické přeměny tepelného toku na elektrickou energii se v mnoha případech stává nepostradatelným.

Mezi nepopiratelné výhody termoelektrické přímé přeměny tepelné energie na elektrickou energii patří absence mezičlánku, jako například při provozu tepelné nebo jaderné elektrárny, kde se tepelná energie přeměňuje na mechanickou energii a následně mechanickou energii. se přeměňuje na elektrickou energii. Termoelektrické generátory (TEG) mají také takové jedinečné vlastnosti, jako je úplná autonomie, vysoká spolehlivost, snadná obsluha, nehlučnost a odolnost.

Mezi výhody, které určují prioritu termoelektrické přeměny v mnoha aplikacích při výběru mezi jinými, je absence pohyblivých částí a jako jeden z důsledků absence vibrací, stejně jako potřeba použití kapalin a/nebo plynů. pod vysokým tlakem. (K přeměně dochází v samotné termoelektrické látce.) Výkon nezávisí na prostorové poloze a přítomnosti gravitace. TEG lze použít při velkých a malých rozdílech teplot. To poslední nabývá na významu, vezmeme-li v úvahu, že až 90 % odvedené (odebrané) tepelné energie v průmyslových objektech a zařízeních se uvolňuje při povrchových teplotách do +300 °C.

Termoelektrická konverze je univerzální, umožňuje použití téměř jakéhokoli zdroje tepelného toku, a to i při malých teplotních rozdílech, při kterých je použití jiných metod konverze v zásadě nemožné.

Oblasti použití TEG jsou extrémně rozmanité: od napájení pro kosmické lodě umístěné na oběžných drahách daleko od Slunce, napájení plynových a ropovodů, námořních navigačních systémů až po zařízení pro výrobu energie v domácnostech, například jako součást spalování dřeva. topeniště, krb a kotel.

Zde je několik příkladů praktického použití TEG:

• využití tepla odváděného z motorů (automobilový, lodní atd.);
• autonomní napájecí zdroje pro zajištění provozuschopnosti kotelen, čistíren odpadů apod.;
• napájecí zdroje pro katodovou ochranu ropovodů a plynovodů;
• autonomní dodávka energie pro elektronické jednotky a čerpadla vodních kotlů a spaloven odpadu;
• přeměna tepla z přírodních zdrojů (například geotermálních vod) na elektrickou energii;
• poskytování energie pro různá telemetrická a automatizační zařízení v zařízeních vzdálených od elektrického vedení;
• poskytování autonomního napájení elektronických zařízení s nízkým výkonem (bezdrátové senzory) díky akumulované energii (Energy Harvesting), shromážděné za přítomnosti minimálních teplotních rozdílů (méně než 10 °C);
• získávání elektrické energie ze solárních koncentrátorů díky rozdílu teplot mezi horkým a chlazeným chladivem v okruhu.

Termoelektrické generátory pro průmyslové aplikace

Nejčastěji používaným zdrojem tepla pro moderní průmyslové TEG je tepelná energie uvolňovaná při spalování zemního plynu. Dále se využívá tepelná energie odebíraná ze spalovacích motorů, tepelná energie páry a další dostupné zdroje tepla v průmyslových zařízeních. Výstupní výkon generátorů je dán typem a počtem termoelektrických modulů obsažených v generátoru a také konstrukcí radiátorů. Řada průmyslových TEG vyrobených společností Kryotherm poskytuje možnost získat elektrickou energii od 2 do 200 W z jednoho generátoru. Je třeba poznamenat, že výrobce uvádí výstupní výkon pro nejhorší provozní podmínky a v průměru lze očekávat výsledky, které přesahují zaručené jeden a půlkrát nebo více. Pokud jsou splněny odpovídající podmínky, lze sečíst vyrobenou energii z několika generátorů.

Ve zjednodušené podobě lze termoelektrický generátor znázornit jako kovovou desku pro rozvod tepla na straně zdroje tepla, modul termoelektrického generátoru (TGM) a chladící radiátor, který odvádí teplo procházející modulem do okolí a vytváří teplotu rozdíl nutný pro provoz TGM (obr. 1). Celá konstrukce musí být stlačena silou, která na jedné straně zajistí spolehlivý přenos tepla ze zdroje do okolí a nedovolí překročení dovolené síly při tepelné roztažnosti konstrukce.

Rýže. 1. Základní konstrukce termoelektrického generátoru

Obrázek ukazuje, že stlačení je zajištěno pomocí závitových spojů a listové pružiny. Pružiny mohou být i jiné konstrukce, například kroucené nebo kotoučové. Účelem konstrukce je zajistit rovnoměrnou kompresní sílu v daném teplotním rozsahu. Základní provedení je díky své jednoduchosti vysoce spolehlivé a odolné (životnost může přesáhnout 10 let).

Příklady termoelektrických generátorů pro průmyslové aplikace

Univerzální termoelektrický generátor B4-M

Univerzální generátor B4-M umožňuje přijímat napájecí napětí 12 V při instalaci na svislé horké plochy s teplotou +250 °C a poskytuje tepelný tok výkonu 300 W generátorem. Generátor zajišťuje nepřetržitý nepřetržitý provoz bez neustálého sledování jeho provozu. Stupeň ochrany TEG B4-M před kontaktem s živými částmi, vniknutím pevných cizích těles a kapalin je IP35 podle GOST 14254-96. Generátor je navržen pro práci uvnitř i venku za každého počasí. Generátor je vybaven pancéřovým pouzdrem, které chrání vodiče výstupního napětí před mechanickým poškozením a přehřátím (obr. 2). Pancéřová objímka má také konektor výstupního napětí.

Rýže. 2. Vzhled a složení TEG B4-M (1 – pracovní plocha; 2 – plášť; 3 – otvory pro upevnění; 4 – žebra chladiče; 5 – konektor pro připojení adaptéru

V reálných provozních podmínkách je vzhledem k řadě faktorů poměrně obtížné zajistit stálou teplotu zdroje tepla. V tomto ohledu má generátor pro ochranu před přehřátím a zvýšení spolehlivosti vestavěnou tepelnou ochranu, která zabraňuje selhání generátoru při zahřátí montážní plochy na +300 °C. Hlavní technické vlastnosti TEG B4-M jsou uvedeny v tabulce 1.

V procesu navrhování systémů využívajících termoelektrické generátory vyvstává otázka: jaké budou výstupní parametry generátoru při teplotách pod nominální? Na Obr. Obrázek 3 ukazuje závislost výstupního výkonu generátoru B4-M při přizpůsobeném zatížení na teplotě zdroje tepla. V grafu je znázorněna oblast, kde se tepelná ochrana spustí poté, co teplota zdroje tepla stoupne nad +260 °C, kdy se tepelný tok termoelektrickým modulem sníží a v důsledku toho se sníží vyrobený elektrický výkon. Testy byly prováděny při teplotě místnosti za podmínek přirozené konvekce. Pro normální provoz TEG B4-M musí být chladič chlazen, proto je důležité zajistit volný průchod vzduchu podél jeho žeber. Provoz generátoru venku zpravidla poskytuje lepší výsledky díky přítomnosti dodatečného přirozeného proudění vzduchu do chladiče, není třeba chránit generátor před deštěm a sněhem, protože vlhkost na chladiči jej dále ochlazuje, a proto se zvyšuje generovaný výkon zařízení. Pro napájení elektronických zařízení se doporučuje použít vhodný stabilizátor napětí.

Rýže. 3. Typické výsledky testů generátoru B4-M

Termoelektrický generátor TEG-5

Modernizace infrastruktury průmyslových podniků a zavádění moderních systémů měření energie jsou často limitovány nedostatkem elektrické energie v místech instalace různých telemetrických zařízení a zařízení pro přenos dat. Navíc je v mnoha případech k dispozici parní potrubí. Pro získání zdroje elektrické energie z tepelné energie páry se používá termoelektrický generátor TEG-5 (obr. 4), instalovaný na parovodech průmyslových objektů a o výstupním výkonu 5 W, garantovaném výrobcem pro nejnepříznivější kombinace provozních podmínek. Hlavní technické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 2.

Rýže. 4. Generátor TEG-5: horní celkové rozměry; spodní pohled

Termoelektrický generátor využívající plynové palivo TEG-15

Termoelektrický generátor využívající plynné palivo TEG-15 (obr. 5) je určen k výrobě elektrické energie pro pohon plynového měřicího zařízení přeměnou tepelné energie hořícího plynového paliva na elektrickou energii. Generátor je úspěšně provozován na distribučních místech plynu a zajišťuje autonomní napájení systémů sběru a přenosu informací nezávisle na vnějších zdrojích elektrické energie.

Rýže. 5. Termoelektrický generátor TEG-15 v distribučních bodech plynu

Použití plynových termoelektrických generátorů může snížit náklady tím, že odpadne nutnost připojovat měřící a vysílací zařízení k elektrickému vedení. Generátory jsou vybaveny dobíjecími bateriemi a zařízením pro sledování nabití a provozu zařízení. Jak je uvedeno v tabulce 3, jmenovitý výkon generátoru je 15 W. Tento výkon stačí k napájení moderních elektronických zařízení pro měření průtoku a parametrů plynu. Je-li vyžadován větší výkon nebo redundance, lze generátory zapojit do kaskády.

Termoelektrický generátor GTG-200

GTG-200 (obr. 6) je autonomní zdroj elektřiny na zemní plyn, propan nebo směs propan-butan. Slouží k dokončení autonomních napájecích zdrojů (APS) o výkonu 200–2000 W.

Rýže. 6. Návrh termoelektrického generátoru GTG-200

Vysoký výkon generovaný generátorem je dán použitím modulů středoteplotního termoelektrického generátoru řady Mars, které poskytují výstupní výkon až 45 W (základní verze 40 W) a jsou určeny pro použití ve spojení s tepelným zdroj s teplotou +530°C a výkonem tepelného toku 650W. Hlavní parametry tohoto modulu generátoru jsou uvedeny v tabulce 4, vzhled na Obr. 7, zatěžovací charakteristika na Obr. 8.

Rýže. 7. Modul středoteplotního generátoru řady Mars

Záruční doba na modul generátoru řady Mars je 10 let.

Rýže. 8. Typická proudově napěťová charakteristika modulu Mars generátoru

Termoelektrické generátory GTG-200 se používají jako bezúdržbové autonomní zdroje stejnosměrné elektřiny a tepla jako součást nezávislých autonomních zdrojů pro stanice pro katodickou ochranu plynovodů před korozí, napájení měřicích jednotek izolovaných od stacionárního napájení, napájení automatizace, telemechaniky a technologické komunikace hlavních plynovodů. Generátory běží na zemní nebo zkapalněný plyn. Pro řízení provozu termoelektrického generátoru GTG-200 jako součásti autonomního zdroje energie se používá stabilizační a řídicí jednotka napětí, určená pro:

• stabilizace a omezení nabíjecího napětí baterie;
• zapnutí a vypnutí solenoidového ventilu pro přívod plynu do generátoru;
• napájení vysokonapěťové jednotky pro elektrické jiskrové „zapálení“ plynového hořáku generátoru;
• řízení výkonu generovaného generátorem;
• zajištění paralelního provozu několika generátorů.

Provozní podmínky pro generátor GTG-200:

• klimatická verze O;
• kategorie umístění 2 podle GOST 15150-69;
• teplota okolního vzduchu –50…+50 °С;
• relativní vlhkost vzduchu do 98 %.

Hlavní parametry zařízení jsou uvedeny v tabulce 5 a vzhled se vzduchovým potrubím a výfukovým potrubím je znázorněn na obr. 9.

Rýže. 9. Vzhled generátoru GTG-200

Závěr

Uvažované termoelektrické generátory pro průmyslové použití byly vyvinuty pro řešení problémů alternativního elektrického napájení pro různé přístroje a zařízení. Při vývoji a testování v zařízeních byly zohledněny provozní vlastnosti a přání zákazníků. Použití moderních jednotek a komponentů, především výkonných modulů termoelektrických generátorů od firmy Kryotherm, umožnilo zajistit vysokou spolehlivost komerčně vyráběných termoelektrických generátorů pro průmyslové použití.

Prozradím vám, jak získat elektřinu z tepla a jak si vlastníma rukama postavit středně velký termoelektrický generátor, který lze používat na túrách i ve volné přírodě, ale i jen tak, pro nabíjení elektronických zařízení, nabíjením dobíjecí baterie z jakéhokoli zdroje ohně. Použitím raketového vařiče nebo táborového vařiče a plynu k rychlejšímu spalování se vyrobí více energie.

Termoelektrický generátor je ideální pro přežití po katastrofě, protože vyrábí elektřinu ze snadno dostupného zdroje: ohně. Sluneční energii lze získat pouze ve dne a shromažďování měsíčního světla je neúčinné a vyžaduje vytvoření drahé čočky, kterou nelze získat v žádný den. Oheň je silný a nebezpečný zdroj energie, proto buďte opatrní při používání zařízení a dejte si pozor na horkou část radiátoru apod.

Krok 1: Požadované díly

Ukázat dalších 7 obrázků

1. 1x Peltierův článek (termoelektrický měnič)
2. Středně velký hliníkový chladič (mám ho ze starého PC)
3. Silný elektrický kabel ve dvou barvách (volitelně)
4. Vstupní a výstupní konektory/jacky, předem zakoupené nebo vyrobené (pro napájení a výstup) (volitelné)
5. Designové pouzdro, pokud možno částečně zateplené. Použijte izolační materiál, kov, fólii atd. (volitelný)
6. Tepelná pasta (volitelně), hliníková fólie (volitelně)
7. Fréza pro řezání tenkých kovů
8. Nůžky na kov
9. Různé šroubováky (pro utahování pouzdra a vstupních/výstupních šroubů)
10. Různé šrouby a šrouby (pro připevnění kovových desek a chladiče)
11. Páječka a pájka (volitelné) pro bezpečné uchycení
12. Nízký nebo střední výkon baterie (pro dobíjení)
13. Smršťovací bužírka pro ochranu vodičů před teplem (vyžadováno)
14. 1x blokovací dioda zabraňující zpětnému nabíjení.
15. 2 hliníkové plechovky (kovová deska)
16. Tlustý měděný drát
17. Digitální multimetr

Vše, co je označeno jako volitelné, není pro sestavu termogenerátoru nutné, ale bude užitečné, například pouzdro pro baterii a blokovací dioda.

Krok 2: Konstrukce

Ukázat dalších 6 obrázků

Stavba krytu a generátoru tepelné elektřiny je poměrně jednoduchá.

Nejprve odřízněte dno a víko hliníkových plechovek a vzniklé kousky rozřízněte na polovinu. Umístěte 4 kusy k sobě a stisknutím vyřízněte v rozích otvory pro matice. Plechy přitlačte ořechy. Základ pro zařízení je připraven.

Pokud máte teplovodivou pastu, naneste ji na chladič a základnu pomocí staré kreditní karty. K výrobě elektřiny potřebujete čtverec o velikosti Peltierova prvku. Umístěte Peltierův článek studenou stranou směrem k chladiči a horkou stranou směrem k hliníku. Strany můžete zkontrolovat připojením modulu ke dvěma 1.5V bateriím a dotykem na každé straně.

Modul je potřeba umístit mezi radiátor a hliníkové plechy a trochu zatlačit do teplovodivé pasty. Nyní pomocí kleští musíte měděný drát omotat kolem vyčnívajících částí chladiče a pod hliníkovými šrouby. Tím vzájemně propojíte chladič, základnu a Peltierův článek. Hlavní blok je hotový.

Krok 3: Testování generátoru tepla

K testování modulu termoelektrického generátoru jsem použil jednu malou svíčku uvnitř plechovky pokryté izolační páskou a stojan vyrobený z kovové skříně ventilátoru počítače. V závislosti na množství tepla bude výkon pomalu stoupat a dále stoupat na nastavené napětí.

Na účinnost má vliv i chlazení chladiče v chladném dni se chladič ochladí rychleji. K zařízení lze připojit palivový nebo raketový vařič, který může nabíjet baterie nebo elektronická zařízení.

Tato věc není opravdu vhodná pro každodenní použití, protože Peltierův prvek se nakonec rozbije a zařízení bude neúčinné. V každém případě jej lze využít k výrobě elektřiny při kempování, v případě nouze atd.

Podívejte se na video pro testy a měření napětí a rychlosti nárůstu. Vyzkoušejte si doma napájení ze svíčky. Druhý test je s malým vařičem, ve kterém je jasné, že pokud je palivo nepřetržitě dodáváno, můžete za 3-4 minuty nabít baterii nebo dvě.

• Test elektrotepelného generátoru..mp4
• Tepelná jednotka, raketa, test Hobo sporáku..mp4

Krok 4: Vylepšení

Jsou možné následující upgrady zařízení:

1. Přidejte další Peltierův článek, abyste zdvojnásobili výstupní napětí.
2. Pro mírné zvýšení napětí připojte Joule Thief nebo více.
3. Jako základ použijte lepší tepelně vodivé materiály, větší chladič a silnější hliníkovou nebo měděnou desku.
4. Peltierův článek můžete lépe zajistit pomocí měděného drátu nebo teplovodivé pasty, která zlepší přenos tepla.
5. Místo otevřených zdrojů ohně používejte raketová kamna. Teplo raketových pecí je lokalizováno, což bude nabíjet zařízení efektivněji.
6. Ke zvýšení výstupního napětí použijte více vzájemně propojených zařízení v sérii nad zdrojem ohně.
7. Tepelnou izolaci lze zlepšit na drátech, fólii a elektrické pásce (raketová kamna mají tendenci dráty trochu tavit)
8. Udělejte si zásobu součástek a dílů (pokud se něco rozbije nebo shoří, vždy můžete zařízení opravit)

Řeknu vám, jak vyrobit jakoukoli věc, pomocí fotografií a video pokynů krok za krokem.