Термоэлектрогенератор

Тема термоэлектрогенераторов всплывает в попаданческих кругах раз за разом.

Ну а что — гальваническими элементами много электроэнергии не добудешь (да и дорого), строительство классического электрогенератора — тот еще геморрой, ну так почему не получить электричество всего лишь от разницы температур, как термопара? Ведь китайцы же продают дешевые генераторы на этом принципе?

Ну что же, давайте разберем как сам принцип так и то, что делают китайцы…

Такие генераторы работают на эффекте Зеебека, который был открыт Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году по отклонению магнитной стрелки. Сам Зеебек отрицал электрическую природу отклонения стрелки, он вообще считал, что магнитное поле в опыте возникает непосредственно из-за разницы температур. И вообще — магнитные полюса Земли возникли потому, что на полюсах холодно, а на экваторе жарко.

Чтобы понять, что это было за время, можно сказать, что за год до нахождения эффекта Зеебека было доказано влияние электрического тока на магнитную стрелку (спасибо Эрстеду), и именно в этом году Фарадей обнаружил электродвижущую силу — путь к электродвигателям и генераторам тока. Однако, если генератор Фарадея взял «низкий старт», то эффект Зеебека ожидал вплоть до Второй Мировой. Думаете, это случайность?

Впервые некое подобие генератора на эффекте Зеебека собрал Эрстед через пару лет:



Эрстед использовал спай свинец-висмут, горячие концы нагревал пламенем, а холодные опускал в воду. Штука, конечно, ядовитая, но нас интересует другой вопрос — а какую разность потенциалов при этом получил Эрстед?

На этот вопрос есть ответ.

В-первых давайте посмотрим на термоэлектрический ряд металлов:



А теперь посмотрим на табличку, собранную Augustus Matthiessen в 1862 году, которая показывает насколько большую разницу потенциалов мы получаем в вольтах относительно свинца на 1 градус цельсия:

Любуемся микровольтами и понимаем, что Эрстед был молодец!

Конечно, тут материалы простые (правда, не все доступны в древние времена), но, возможно с более хитрыми материалами будет все поинтереснее? Ну что же, есть и такая данные, но вряд она будет интересна попаданцу, потому что там примерно такие же числа, чуть лучше только у палладия, сплава платина-иридий, никеля и нейзильбера. Что интересно — этот дополнительный список и сейчас не очень-то и доступен…

Пра разнице температур в 100^oC и температуре холодного спая в 0°С, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ.

Милливольт!

При разнице в 100 градусов!

Ну что же, числа не радуют, но ведь Эрстед последовательно втыкал сразу шесть термопар, и если мы поставим шесть тысяч, то ведь напряжение будет заметно? В конце концов, в случае медь-константан при разнице температур в 500°С, при разнице потенциалов 0.027 B ток достигает сотен ампер (из-за малого сопротивления спая).

Вообще, какое там КПД у такого преобразователя?

И на этот вопрос есть ответ:КПД — 1-2%.

Напоминаем, что КПД паровоза на порядок выше!

И мне бы очень хотелось напомнить, что на подобные эффекты очень сильно влияет чистота металлов, для попаданца недоступная. И еще неплохо бы подумать, каким методом попаданец будет сваривать два разнородных металла. Конечно, сейчас в атмосфере инертного газа плазмой можно много чего сварить (но опять-таки не все). Как это сделать в древние времена — это самый настоящий квест на всю жизнь. Это я к тому, что в теории милливольты и 1% КПД, а на практике эффект может быть вообще на грани обнаружения.

Поэтому задумываться про конструкцию самого прибора (в котором должен быть очень заметный перепад температур) и вовсе не стоит.

Ну как же, возражают оппоненты — ведь есть же в продаже китайские термогенераторы (фотка в начале статьи), и мощность этих генераторов доходит до 200 Вт, а замахиваются даже на киловаттные!

Да, это верно.

Тут прикол ситуации в том, что такие генераторы — полупроводниковые. Там нет спаев металлов, там чудесные полупроводниковые сочетания, типа теллурида германия, селенида гадолиния, моносульфида самария или силицида магния. Ну ладно-ладно, возьмем что-нибудь попроще, покитайскее — типа теллурида висмута, ага. Главное — правильно вырастить монокристалл в помещении с чистотой класса M1.5

ИМХО, такой материал будет доступен попаданцу, если в его распоряжении будет разбитая летающая тарелка, потому что если у него всего лишь УАЗ-696 или даже СУ-25, то таких элементов вы в них не найдете. А даже если и будет материал, то как он будет выращивать полупроводниковые кристаллы?

И кроме всего прочего — КПД современных полупроводниковых преобразователей находится в пределах 5-7%. Самые лучшие (читай «самые дорогие») до сих пор никак не перешагнут предел в 20%, да и то — они сейчас в продаже недоступны. И если вы видите в рекламе надпись «КПД преобразователя 90%», то это имеется в виду преобразователь, спаренный с тем же котлом отопления, который утилизирует тепло, не ушедшее в воду, и данное КПД — это общее КПД нагревательного котла.

Удивительно ли, что сейчас такие преобразователи чаще всего используются для радиоизотопных источников тока космических аппаратов. Вы не помните, с какого года купцы начали возить оружейный плутоний?

Общий вывод — если вы вдруг захотите в древности термоэлектричества — забудьте. Лучше растите селитряницы, по крайней мере материал для них будет доступен.