В 1821 г. немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых к разнородных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает электрический ток. А в 1834 г. французский физик Жан Пельтье открыл обратимость этого явления. Оказалось, что при протекании постоянного электрического тока через подобную цепь места соединения проводников охлаждаются или нагреваются в зависимости от направления тока. С тех пор этот эффект, а также термоэлемент, созданный на его основе, называют по фамилиям первооткрывателей.
Эффективность термопары Пельтье-Зеебека с применением полупроводников возросла до такой степени, что в XX веке их стали широко использовать как для генерации электричества, так и в холодильной технике.
Сегодня единичным элементом Пельтье-Зеебека является пара соединённых медной пластиной полупроводников, один из которых — с типом проводимости р, а другой — с n-проводимостью. Сборку из включённых последовательно элементов (рис. 1) вклеивают между керамическими пластинами.
Однажды мне попалась интересная информация о портативном термогенераторе, которым пользовались партизаны для питания радиостанций во время Великой Отечественной войны.
Оказывается, наша оборонка ещё до войны начала выпускать термоэлектрогенераторы, принцип работы которых был основан на эффекте Зеебека. Генератор одевали на стекло керосиновой лампы, и он вырабатывал электричество, которого хватало для питания лампового приёмника или передатчика. По легенде, немецкая служба контрразведки очень удивлялась, откуда партизаны берут электричество в лесу для такой долгой работы своих раций.
Моя дача находится в дальнем Подмосковье, где очень часто отключают электричество. Особенно грустно дела обстояли этой зимой. Я, как «партизан в немецком тылу», сидел на даче без света, лишь тёща жгла керосинку. При свете тёщиной керосинки в моей голове и всплыла эта легенда, а затем появилась мысль поэкспериментировать с элементом Пельтье-Зеебека как источником электричества. Производит их в Питере отечественная фирма «Криотерм». Такие элементы применяют в офисных кулле-рах и для охлаждения компьютерных процессоров, а также в автомобильных холодильниках. В ассортименте имеются и электрогенераторные модули. Такой модуль размерами 40x40 мм даёт (по паспорту) около 5 В при разнице температур в 100°С. Причём, отбираемый ток может быть более 300 мА. Их в Москве можно приобрести на Митинском радиорынке в магазине «Чип и Дип».
Мною были куплены два охладителя ТВ 127-1,4-1,5 6.1 А, лист дюралюминия размерами 400x300x3 мм и термоклей, выдерживающий нагрев до 300°С (фото 2). Первый элемент я приклеил на алюминиевую подложку (фото 3). На подложку был приклеен и второй элемент. С первым он был соединён последовательно. Нагревать их выше 200°С не имело смысла.
Первый испытательный стенд я собрал из подставки под чайник, алюминиевого ковшика и свечки. В ковшик налил холодную воду и наскрёб туда льда из морозилки. После поджига свечки напряжение поползло вверх и через несколько минут достигло 1,36 В. Этого не хватит даже для зарядки мобильного телефона (фото 4).
Стало понятно, что нужно поднять температуру и собрать повышающий напряжение преобразователь.
На отечественной микросхеме КР1446ПН1 при желании можно собрать такой преобразователь, но я же заказал готовый DC-DC 1.5В/5В ЕК-1674 модуль преобразователя в интернет-магазине «Платан». Схема преобразователя и его внешний вид представлены на рис.2 и фото 5.
Преобразователь я припаял к термосборке, а к выходу преобразователя затем был припаян штекер от зарядного устройства телефона «НОКИА» (фото 6). Что интересно, прежде чем отрезать штекер от зарядника, я замерил на нём напряжение, которое он выдавал при питании от сети. Результат меня слегка удивил: зарядник выдавал 8,2 В, я же планировал заряжать телефон 5 В, которые по моим расчётам преобразователь должен был выдать на выходе при питании от термогенератора. Эксперимент мог закончиться неудачей.
В качестве нагревателя использовал «сухой спирт», помещённый в импровизированную печь, которую я сделал из подходящей жестяной банки (фото 7) . На банку установил сборку из термоэлементов, на неё поставил кофейник с холодной водой. Мультиметр практически сразу показал напряжение 4,96 В (фото 8). Преобразователь работал стабильно. При подключении телефона появился индикатор зарядки — телефон стал заряжаться (фото 9). Но «сухой спирт» давал очень сильный жар, и сборка «поплыла» — контакт отпаялся вместе с одним из элементов сборки (фото 10).
Пришлось в фирме «ДЕК» покупать аналог сожжённых в первом эксперименте элементов. Сборка ТЕС1-12712 размерами 62x62 мм по площади оказалась приблизительно в два раза больше (фото 11), следовательно и ток она должна выдавать больший. Под новый элемент был на базаре куплен новый ковшик. Продавец гарантировал, что его дно — идеально ровное. Элемент приклеил на дюралевую пластину, а затем ко дну ковшика.
Нагревать полученный генератор я решил осторожно, одной свечкой. Первые замеры напряжения на выходе показали, что напряжение на нём «разгоняется» до 1,5 В. К генератору через преобразователь подключил сотовый телефон, который бодренько начал заряжаться, хотя после подключения напряжение на выходе преобразователя упало с 4,95 В до 3,95-4 В. Но индикатор зарядки телефона показывал, что тот продолжает заряжаться.
Экспериментировать с телефоном мне быстро надоело. Стало понятно, что современные «партизаны» легко смогут зарядить сотовый в лесу от свечки.
Следующим развлечением стала интеграция открытого в XIX веке термоэлектрического преобразователя с технологией освещения XXI века. К генератору был подключён мощный светодиод, потребляющий 1 Вт. Такие диоды появились на рынке по доступным ценам не более года назад. Обычная свечка была заменена на толстую и «долгоиграющую». В магазине «Икея» мне на глаза попалась именно такая. Больше всего мне понравилось то, что она продавалась в стеклянном стакане. Оставалось поставить ковшик с генератором на этот стакан — и все дела. Думать о подставке не надо (фото 12).
«Прожектор» загорелся не сразу — минуты через три после того, как я зажёг мегасвечу. При дневном свете казалось, что диод светил не очень ярко (фото 13). Пришлось дождаться темноты. Запустил опять тепловой фонарь, вроде он начал светить ярче. Вот тут-то мне под руку и попался экспонометр (измеритель освещённости для фотографов). Замерить им освещённость, которую давал «прожектор», было делом пары минут (фото 14) Фонарь «на свечке» давал освещённость около 30 люксов на расстоянии 30 см.
Было сделано несколько замеров. Под фонарём сохранялась стабильная освещённость от 16 до 30 люксов. То есть при его свете можно было читать. А световой поток по моим прикидкам соответствовал потоку 10-ваттной лампы накаливания. Получалось, что тепло, которое давала свечка, преобразовалось в излучение видимого спектра интенсивностью минимум в 10 раз больше, чем излучение от самой свечи, которое, впрочем, тоже вносит свою долю в освещение при работе термогенератора. И это при кпд элемента Пельтье всего в 2-3%.
Таким образом, эксперименты показали, что тепла свечи вполне достаточно, чтобы с помощью сборки элементов Пельтье-Зеебека и преобразователя напряжения подзарядить сотовый телефон в походных условиях, а в случае необходимости и собрать фонарь на светодиоде, яркость которого гораздо больше, чем свечи. И этого света вполне достаточно для чтения даже в тёмной землянке или на подмосковной даче.
Каталог статей
