Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Определение слова «Джоуль» по БСЭ:

Джоуль — Джоуль (Joule) Джеймс Прескотт (24.12.1818, Солфорд, Ланкашир, — 11.10.1889, Сейл, Чешир), английский физик, член Лондонского королевского общества (1850). Был владельцем пивоваренного завода близ Манчестера. Внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения энергии. Д. установил (1841. опубликовано в 1843), что количество тепла, выделяющееся в металлическом проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально электрическому сопротивлению проводника и квадрату силы тока (см. Джоуля — Ленца закон). В 1843-50 Д. экспериментально показал, что теплота может быть получена за счёт механической работы, и определил механический эквивалент теплоты, дав тем самым одно из экспериментальных обоснований закона сохранения энергии. В 1851, рассматривая теплоту как движение частиц, теоретически определил теплоёмкость некоторых газов. Совместно с У. Томсоном опытным путём установил, что при медленном стационарном адиабатическом протекании газа через пористую перегородку температура его изменяется (см. Джоуля — Томсона эффект). Обнаружил явление магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков. Соч.: The scientific papers, v. 1-2, L., 1884-87. в рус. пер. — Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей, в кн.: Основатели кинетической теории материи, М. — Л., 1937. Лит.: Wood A., Joule and the study of energy, L., 1925. Дж. П. Джоуль.

Джоуль — единица энергии и работы в Международной системе единиц и МКСА системе единиц, равная работе силы 1 н при перемещении ею тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. Названа в честь английского физика Дж. Джоуля. Обозначения: русское дж, международное J. Д. был введён на Втором международном конгрессе электриков (1889) в Абсолютные практические электрические единицы в качестве единицы работы и энергии электрического тока. Д. был определён как работа, совершаемая при мощности в 1 вт в течение 1 сек. Международная конференция по электрическим единицам и эталонам (Лондон, 1908) установила «международные» электрические единицы, в том числе так называемый международный Д. После возвращения с 1 января 1948 к абсолютным электрическим единицам было принято соотношение: 1 международный Д. = 1,00020 абсолютный Д. Д. применяется также как единица количества теплоты. Соотношения Д. с др. единицами: 1 дж = 107 эрг = 0,2388 кал. Г. Д. Бурдун.

Экскурс в историю

Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии. Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.

Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».

Инсолятор О. Мушо Долгое время инсоляторы выпускались по схеме, использующей энергию солнца для превращения воды в пар. И преобразованная энергия использовалась для совершения какой-либо работы. Первое устройство, преобразующее солнечную энергию в электрическую, было создано в 1953 году в США. Оно стало прообразом современных солнечных батарей. Фотоэлектрический эффект, на котором основана их работа, был открыт ещё в 70-е годы XIX столетия. В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.

Фотоэлемент для солнечной батареиСтоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними. Поэтому их чаще всего используют в быту. Есть также целые солнечные электростанции. Как правило, они создаются в странах с большим числом солнечных дней в году. Это Израиль, Саудовская Аравия, юг США, Индия, Испания. Сейчас есть и совсем фантастические проекты. Например, солнечные электростанции вне атмосферы. Там солнечный свет ещё не потерял энергию. То есть, излучение предлагается улавливать на орбите и затем переводить в микроволны. Затем в таком виде энергия будет отправляться на Землю.

Электричество из дерева

Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.

Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.

Так выглядит древесина после растворения лигнина

(Фото: САУ Nano / Empa)

Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.

КПД тепловой электростанции

Основным показателем любой тепловой электростанции является ее коэффициент полезного действия. Например, для угольных ТЭС существует термический КПД, определяемый количеством угля, необходимого для выработки 1 кВт*ч электроэнергии. Если в начале 20-х годов прошлого века этот показатель составлял 15,4 кг, то в 60-е годы он снизился до 3,95 кг. В дальнейшем расход угля вновь незначительно поднялся до 4,6 кг.

Причиной такого подъема стали газоочистители, уловители пыли и золы, из-за которых угольная электростанция снизила выходную мощность на 10%. Многие станции пользуются более чистым в экологическом плане углем, что также привело к увеличению потребления топлива.

Процентное выражение термического КПД тепловой электростанции составляет не более 36%, что связано с высокими тепловыми потерями, вызываемыми отходящими газами при горении. У атомных электростанций, отличающимися низкими температурами и давлением термический КПД еще ниже – 32%. Самый высокий показатель у газотурбинных установок, оборудованных котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами. КПД электростанций с таким оборудованием превышает 40%. Этот показатель полностью зависит от величины рабочих температур и давления пара.

Современные паротурбинные электростанции используют промежуточный перегрев пара. После того как он частично отработает в турбине, происходит его отбор в промежуточной точке для последующего повторного нагрева до первоначальной температуры. Система промежуточного перегрева может состоять из двух ступеней и более, что способствует значительному увеличению термического КПД.

Ядерное взаимодействие

Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.

Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент от энергетической возможности водорода.

Солнце освобождает энергию подобным образом, что и водородная бомба за счет синтеза легких элементов в тяжелые. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения. Поэтому светимость Солнца и обеспечивает жизнь на Земле.

Электромагнитные силы (соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.

Как перевести Гкал в Квт и обратно?

Тепловая энергия имеет несколько вариантов измерения.

Энергетическую мощность, которая измеряется в Ваттах (Вт, мВт и кВт), чаще всего указывают на отопительных котлах, обогревателях и проч.

С другой единицей измерения энергии, гигокалорией (Гкал), можно столкнуться при установке теплосчётчиков.

Также поставленное тепло порой указывают в Гкал, в квитанциях об оплате.

И если расчёт принимается управляющей компанией в одной единице, а счётчик показывает другую, может потребоваться ежемесячно переводить Гкал в кВт и обратно. Разобравшись во всём один раз, можно научиться делать это быстро и просто.

Особенности

Индигирка – многофункциональный аппарат, представляющий собой симбиоз дровяной печки длительного горения и теплового электрического генератора, способного производить электроэнергию.

Компактную и не тяжелую печь можно с легкостью транспортировать и устанавливать не только в помещении, но и пользоваться ею на открытом воздухе. Работать прибор может при температурном режиме от +40 до -30 ° C.

На вместительной варочной панели можно разместить несколько видов посуды (сварить суп, подогреть чай и другое). Генерируемого печкой электричества вполне хватит, чтобы подключить переносной телевизор, радиоприемник, 1-2 лампочки, зарядить источник питания мобильного телефона, ноутбука или видеокамеры.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рис. 2.

Рис. 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом. В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Изготовление своими руками

Схематично устройство самодельной термоэлектростанции можно представить так:

  1. Элемент Пельтье положим на дно глубокой посудины – миски или кружки.
  2. Далее в эту посудину вставим еще одну: если используются миски, то понадобится такая же; если ваш выбор пал на кружки, то вторая должна быть чуть меньше первой.
  3. К выведенным от элемента Пельтье проводам присоединим преобразователь напряжения.
  4. Внутреннюю посудину заполним снегом или холодной водой, после чего всю конструкцию поставим на огонь.

Через какое-то время снег растает, превратится в воду и закипит. Производительность генератора при этом понизится, но зато турист получит возможность выпить горячего чайку. После чаепития можно будет заправить генератор новой порцией снега.

Чем больше термоэлементов (их еще называют ветвями) будет у приобретенного вами элемента Пельтье, тем лучше. Можно применить прибор марки TEC1-127120-50 – их у него 127. Данный элемент рассчитан на токи до 12А.

Примеры термоэлектрических генераторов промышленного применения

Универсальный термоэлектрический генератор Б4-М

Универсальный генератор Б4-М позволяет получать напряжение питания 12 В при установке на вертикальные горячие поверхности с температурой +250 °С и обеспечиваю­щие мощность теплового потока через генератор 300 Вт. Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянного наблюдения за его функционированием. Степень защиты ТЭГ Б4-М от прикосновения к токоведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости — IP35 по ГОСТ 14254-96. Генератор предназначен для работы в помещении и на открытом воздухе при любой погоде. Генератор снабжен бронерукавом, служащим защитой проводов выходного напряжения от механических повреждений и перегрева (рис. 2). На бронерукаве также установлен разъем выходного напряжения.

Рис. 2. Внешний вид и состав ТЭГ Б4-М (1 — рабочая поверхность; 2 — кожух; 3 — отверстия для крепежа; 4 — ребра радиатора; 5 — разъем подключения переходного устройства

В реальных условиях эксплуатации в силу ряда факторов достаточно сложно обеспечить постоянную температуру источника тепла. В этой связи для защиты от перегрева и повышения надежности генератор имеет встроенную тепловую защиту, предотвращающую выход из строя генератора при нагреве установочной поверхности до +300 °С. Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М приведены в таблице 1.

В процессе проектирования систем с применением термоэлектричесих генераторов возникает вопрос: какими будут выходные параметры генератора при температурах ниже номинальной? На рис. 3 приведена зависимость выходной мощности генератора Б4-М на согласованной нагрузке от температуры источника тепла. На графике видна область срабатывания тепловой защиты после роста температуры источника тепла свыше +260 °С, при котором происходит уменьшение теплового потока через термоэлектрический модуль и, как следствие, снижение вырабатываемой электрической мощности. Испытания производились при комнатной температуре, в условиях естественной конвекции

Для нормальной работы ТЭГ Б4-М необходимо охлаждение радиатора, поэтому важно обеспечить свободное прохождение воздуха вдоль его ребер. Эксплуатация генератора на открытом воздухе, как правило, дает лучшие результаты за счет присутствия дополнительного естественного обдува радиатора, при этом защищать генератор от дождя и снега необходимости нет, так как попадание влаги на радиатор дополнительно охлаждает его и, соответственно, увеличивает вырабатываемую мощность устройства

Для питания электронных устройств рекомендуется применять соответствующий стабилизатор напряжения.

Рис. 3. Типовые результаты испытаний генератора Б4-М

Термоэлектрический генератор ТЭГ-5

Модернизация инфраструктуры промышленных предприятий и внедрение современных систем энергоучета зачастую ограничены отсутствием электрического питания в местах установки различных приборов телеметрии и передачи данных. При этом во многих случаях в наличии есть паропровод. Для получения источника электрической энергии от тепловой энергии пара служит термоэлектрический генератор ТЭГ-5 (рис. 4), устанавливаемый на паропроводах промышленных объектов и имеющий выходную мощность 5 Вт, гарантированную производителем для самых неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации. Основные технические характеристики приведены в таблице 2.

Рис. 4. Генератор ТЭГ-5: сверху габаритные размеры; внизу внешний вид

 Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15 (рис. 5) предназначен для получения электрической энергии для питания аппаратуры учета расхода газа путем преобразования тепловой энергии сжигания газового топлива в электрическую. Генератор успешно эксплуатируется на газораспределительных пунктах и обеспечивает автономное питание систем сбора и передачи информации, независимое от внешних источников электрической энергии.

Рис. 5. Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительных пунктах

Применение термоэлектрических генераторов на газовом топливе позволяет снизить затраты, исключив необходимость подключения к линиям электроснабжения пунктов размещения измерительной и передающей аппаратуры. Генераторы снабжены аккумуляторными батареями и устройством контроля заряда и работы устройства. Как указано в таблице 3, номинальная мощность генератора составляет 15 Вт. Этой мощности достаточно для питания современных электронных приборов учета расхода и параметров газа. В случае необходимости получения большей мощности или резервирования генераторы могут каскадироваться.

Приливная энергетика

Используетсяэнергия приливов и отливов Мировогоокеана.

Двараза в сутки уровень в океане топоднимается, то опускается. Это происходитпод действием гравитационных сил солнцаи луны, которые притягивают к себе водыокеана.

Уберега разность уровней воды приливаи отлива достигают более 10 метров. Еслив заливе на берегу моря, в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилищеможно создать запасы воды во времяприливов. А при отливе воду пропускаютчерез гидротурбины, в результате энергияпреобразуется в электрическую.

Недостатки:

  • Дороговизна строительстваНеравномерность выработки электроэнергии

Способ №1 — Электрогенератор на дровах своими руками

Основа прибора – элемент Пельтье. Его можно специально купить или извлечь из компьютера (он находится между процессором и радиатором).

Кроме него, для работы агрегата понадобится:

  • стабилизатор напряжения, он же модуль с USB выходом;
  • металл для корпуса (можно использовать корпус от старого блока питания);
  • радиатор охлаждения и кулер;
  • термопаста;
  • инструмент – заклёпочник, ножницы по металлу, дрель;
  • паяльник;
  • клёпки.

Для начала изготавливается корпус щепочницы (на которой можно с помощью мелкого хвороста вскипятить в кастрюльке воду).

Это квадратная банка без дна, снизу имеет отверстия для воздуха, сверху подставка для емкости (хотя это не обязательно, генератор будет работать и без воды).

На корпус сбоку крепится элемент Пельтье, а к его холодной стороне, через термопасту – радиатор охлаждения

Важно, чтобы контакт между деталями был как можно плотнее. Получается основа печи-генератора

Радиатор должен как можно лучше охлаждать систему, поскольку наибольшая эффективность достигается при большой разнице температур. Зимой проблем не будет, поскольку аппарат можно поставить в снег. Но в тёплое время года радиатор будет постепенно нагреваться, поэтому для его охлаждения устанавливается кулер.

Дальше электрическая часть. Хорошо если удалось найти стабилизатор напряжения в одном корпусе с USB гнездом – это будет удобно.

Стабилизатор нужен для того чтобы на выходе всегда было заданное напряжение, независимо от того, сколько выдает генерирующий элемент.

Можно приобрести готовый с диодным индикатором, который загорается, когда напряжение достигает заданной величины.

Спаивается стабилизатор и Пельтье, согласно полюсам. Стабилизатор тщательно изолируется, чтобы не попадала никакая влага.

Конструкция готова, можно проводить испытания.

Где уже используют атмосферное электричество

Тем не менее, есть примеры использования приборов, работающих по описанному принципу — ионизатор люстра Чижевского уже не первое десятилетие продается и успешно работает.

Еще одной рабочей схемой получения электроэнергии из воздуха является генератор TPU Стивена Марка. Устройство позволяет получить электроэнергию без внешней подпитки. Многими учеными эта схема апробирована, но широкого применения пока не нашла из-за своих особенностей. Принцип действия этой схемы в создании резонанса токов и магнитных вихрей, которые способствуют возникновению токовых ударов.

В настоящее время в Грузии тестируется генератор Капанадзе. Этот источник энергии также работает без внешней подпитки и добывает электричество из воздуха без дополнительных ресурсов.

На фото готовый к работе генератор Капанадзе

Термоэлектрические генераторы промышленного применения

В качестве источника тепла для современных промышленных ТЭГ чаще всего применяют тепловую энергию, выделяемую при сжигании природного газа. Также используется тепловая энергия, отводимая от двигателей внутреннего сгорания, тепловая энергия пара, другие доступные источники тепла на промышленных объектах. Выходная мощность генераторов определяется типом и числом термоэлектрических модулей, входящих в состав генератора, а также конструкцией радиаторов. Линейка выпускаемых компанией «Криотерм» ТЭГ промышленного назначения обеспечивает возможность получения электрической мощности от 2 до 200 Вт от одного генератора. Следует отметить, что производитель указывает выходную мощность для наихудших условий эксплуатации и среднестатистически можно ожидать результаты, превосходящие гарантированные в полтора раза и более. При выполнении условий согласования можно суммировать вырабатываемую мощность от нескольких генераторов.

В упрощенном виде термоэлектрический генератор можно представить в виде металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термо­электрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающим среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур (рис. 1). Вся конструкция должна сжиматься с усилием, обеспечивающим надежную передачу тепла от источника в окружающую среду с одной стороны и не допускающей превышения допустимого усилия при тепловом расширении конструкции.

Рис. 1. Базовая конструкция термоэлектрического генератора

На рисунке видно, что сжатие обеспечивается с помощью резьбовых соединений и рессорной пружины. Пружины могут быть также иной конструкции, например витой или дисковой. Целью конструкции является обеспечение равномерности усилия сжатия в заданном интервале температур. Благодаря своей простоте базовая конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет).

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:

— экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;- доступность основных составляющих – фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;- постоянно снижающаяся себестоимость.

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

— влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;- необходимость в аккумулировании энергии;- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Похожие записи:

Подсветка под шкафы на кухне из светодиодной ленты: выбор элементов, схемы, монтаж своими руками Chipstarпрограмматоры универсальные Default ThumbnailЧто измеряется в люменах и какие нормы освещенности на 1 квадратный метр? Генератор тестовых сигналов Устройство защиты от импульсных перенапряжений (узип) для частного дома Нихромовая проволока, технологии