Испытания термоэлектрического преобразователя

Вышеупомянутый эффект, заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников при определенных обстоятельствах возникает термо-ЭДС. Следовательно, в змеевидном проводнике, состоящем из симетричных термопар, необходимо создать условия для одновременного нагрева одной стороны и охлаждения другой, в этом случае, электроны на горячем конце проводника, приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном (в полупроводниковых проводниках, концентрация электронов и проводимости растет с температурой).

В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

В качестве исполнительного элемента для термогенерации, обычно используется изобретение другого ученого, получившее название элемент Пельтье и поскольку используется оно как правило прямо противоположно эффекту Зеебека, до сих пор существовала неразрешимая проблема, как не перегреть рабочий элемент.

Дело в том, что создаваемое в технической группе ТЕГИР устройство, должно было работать в широкой климатической зоне, от заполярья до ближнего востока и соответственно контролировать максимальную разность температур между теплосъемником и компенсатором, при этом не допуская перегрева самого элемента практический не возможно.

На протяжений трех лет велся поиск способа решения этой проблемы. Используя блестящие практические наработки Андрея Ходкина, уже сделавшего несколько вариантов термогенераторов, в том числе и на газовой горелке, в ходе практических испытаний, мы столкнулись с тем, что минимизация габаритов теплосьемника хороша для зимнего периода или для условии заполярья.

Однако, летние условия средней полосы или Европейской части планеты накладывают серьезные конструктивные недочеты, которые можно решить только увеличивая размеры и как следствие, вес радиатора термогенератора. Конструкция становится не практичной.

Иными словами, расход газового баллона на подзарядку спутникового телефона и навигатора, в условиях больших переходов, неслыханная роскошь, однако при этом способе, теоретический возможно регулировать минимум пламени газовой горелки, при котором достигается оптимальное соотношение температуры между нагреваемой и охлаждаемой поверхностью рабочего элемента. Более практический метод - прямой нагрев от костра, однако, он требует неусыпного контроля, за огнем и расстоянием датчика от пламени. Неосторожность или неправильная оценка температурных параметров и оптимального расстояния, вызовет перегрев и как следствие выход из строя элемента термогенератора.

Экспериментальные данные, которые мы проводили на серийных элементах TEC1-12705 (4х4см) и TEC1-12706 (5х5см) показали, что самые эффективные режимы возникновения термоЭДС, возникают при температуре теплосьемника в диапазоне 110-120 градусов и разности температуры компенсирующего радиатора не менее 70 градусов Цельсия. Превышение рабочей температуры элемента, более чем 135-140 градусов, вызывает его разрушение (или постепенную деградацию) или в случаях некачественных элементов Пельтье, самопроизвольную распайку ветви элементов.

Требовалось найти какое то другое решение и оно было найдено. Во время состоявшихся недавно учений группы "3С", прошел полевые испытания и экспериментальный прототип "электрокотелка", позволяющего преобразовать тепловую энергию костра в электричество.

В качестве рабочей термокомпенсирующей жидкости, была использована вода. Таким образом, плоский дюралюминиевый котелок, вмещающий в себя 3 литра воды и весом 860 грамм, способен обеспечить максимально эффективный режим работы элементов Пельтье, с каждого из которых, под нагрузкой удалось получить мощность 1,6 Вт. (0,66 A \ 2,5 в).

Практические эксперименты показали, что даже выкипание 1,5 литров воды, существенного перегрева элемента не вызывает, что предотвращает его перегрев. Компенсацию температуры окружающей среды, таким образом можно скомпенсировать количеством воды в котелке, с нанесением на корпус шкалы температур. Таким образом, оценив температуру среды, пользователь заливает необходимое количество воды (с запасом) и достаточно надежно получает возможность подзаряжать буферные аккумуляторы от костра, при наличии дров и технической или питьевой воды. Результаты испытаний, вполне обнадеживающие и несомненно, мы будем работать над уменьшением веса и габаритов устройства.