Ни для кого не секрет, что в нашей стране, сумевшей многого достичь в освоении космоса, есть немало районов и населенных пунктов, до сегодняшнего дня лишенных возможности подключения к электричеству. По этой причине, попробуем найти ответ на простой вопрос « как получить электричество, не используя солнечных батарей и ветрогенераторов?»
Для этого рассмотрим самый простой загородный дом, называемый в народе дачей. Как правило, в нем имеется небольшая дровяная печь, типа буржайка. На даче может быть устроена баня, отопление которой осуществляется также на основе дровяной печи, поверхность которой к тому же, оборудована специальным контейнером для укладки природных камней.
Отметим, что природные камни предназначены для накопления тепловой энергии. Действительно, некоторые из них, например, жадеит, имеют уникально высокую теплоемкость и способны хранить тепло на протяжении 10-12 часов, равномерно отдавая его в окружающее пространство.
Это значит, что поверхность печи каменки вполне пригодна для получения электрической энергии, при помощи, например, элементов Пельтье.
На сегодняшний день в нашей стране есть две компании «Термофор» и «Криотерм», занимающиеся разработкой различных устройств и элементов, с помощью которых можно получать электричество при наличии любой нагретой поверхности, неважно идет речь о поверхности печи, кружке с горячим чаем, или нагретой поверхности дымохода.
Более того, компания «Термофор» выпускает серийно печь «Индигирка», рассчитанную на сжигание любого твердого топлива и позволяющую получать 4кВт тепловой энергии и одновременно 50Вт электричества.
Много это или мало, каждый решает для себя самостоятельно. Вероятно, для жителя мегаполиса, быт которого базируется на использовании различных приборов и устройств, работающих от электрической сети, это ничтожно мало. Но для человека, живущего в условиях дикой природы, это может быть единственной возможностью зарядить мобильный телефон и ноутбук, использовать для освещения не коптящую керосиновую лампу, а обычную, электрическую, пятидесяти ватт, генерируемых «индигиркой», для работы которой вполне достаточно.
Боле того, при использовании энергосберегающих ламп, электрической мощности печи «индигирка» достаточно для одновременного подключения четырех лампочек, что позволяет создать вполне комфортные условия в небольшом доме или, например, в бане.
Как устроена печь
Устройство печи «индигирка» практически ничем не отличается от устройства обычной печки, предназначенной для отопления помещения или приготовления еды: в ней имеется топка, дымоход, зольник и варочная поверхность с конфоркой. Кроме этого, на одной из стенок печи установлен термоэлектрический генератор, в основе которого лежит использование элементов Пельтье.
Термоэлектрический генератор ТЭГ
В основе современного термоэлектрического генератора лежит эффект Зеебека, открытый им еще в начале девятнадцатого века. Речь идет о непосредственном преобразовании тепловой энергии в электрическую. Суть этого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных материалов, при поддержании различной температуры в местах их контакта, возникает электродвижущая сила.
Причиной ее появления является переход зарядов из проводника с большей энергией заряда в проводник с меньшей энергией заряда и возникновения при этом свободных «дыр».
Если при этом один контакт нагрет больше, чем другой, то в цепи возникает электрический ток. Его значение тем выше, чем больше разница температур между контактами двух различных материалов, используемых для изготовления полупроводника.
На рисунке приведена схема, иллюстрирующая процесс возникновения электрического тока в такой цепи. Здесь же показано, что сама цепь состоит из двух р и n ветвей, имеющих разные знаки коэффициента термоэлектродвижущей силы, активной нагрузки, а также коммутационных пластин с горячей и холодной поверхностью.
Для работы термоэлектрического генератора необходим подвод тепла к горячей поверхности спая Тг, и отвод тепла (охлаждение) от холодной поверхности спая Тх.
Тогда при незамкнутой электрической цепи между горячей поверхностью спая и холодной поверхностью спая устанавливается постоянная разность температур Тг-Тх.
Тогда (с некоторой долей упрощения), значение теплового потока, возникающего через созданный таким образом термоэлектрический элемент, можно записать в следующем виде
Здесь
x - средняя величина значения интегралов теплопроводностей ветвей
р и
n,
S и
l их сечение и длина, а
(Тг-Тх) рассматриваемый интервал температур.
Разность температур, создаваемая в местах соприкосновения различных материалов, является причиной возникающей термоэлектрической диффузии, вследствие которой электроны из горячего слоя переходят в холодный слой. При этом горячий слой имеет меньшее количество электронов и дыр, а холодный, напротив, имеет их избыток.
В результате чего возникает электрическое поле, направленное от холодных участков спаев к горячим, а, значит, возникает электродвижущая сила Е, значение которой можно рассчитать по формуле
E=(ap-an)(Tг-Tх)
Если цепь замкнуть, подключив к ней некое сопротивление R, то в цепи потечет электрический ток
При этом идет поглощение тепловой энергии холодным спаем, и выделение тепла со стороны горячего спая. Чтобы система работала более эффективно, горячий спай нужно охлаждать, обеспечивая постоянный отвод излишков тепла. По этой причине, даже при установке на поверхность печи ТЭГ, она все равно будет отдавать в пространство тепловую энергию.
На приведенном рисунке представлена схема устройства элемента пельтье, позволяющего при его установке на любой нагретой поверхности, получать электрический ток. В зависимости от способов соединения элементов (параллельно и последовательно), можно получать ток с различными значениями силы и напряжения.
Следует отметить, что готовые термоэлектрические генераторы, выпускаемые компанией Термофор, рассчитанные на получение электрической мощности равно 50 Вт, можно купить как в обычном магазине, так и в интернет магазине, введя в поисковик соответствующий запрос. Более того, сегодня термоэлектрические генераторы с большим успехом производят в Китае. Качество их по различным отзывам, различное, но цена намного меньше, чем у одноименной продукции компании Термофор.
Разумеется, выбор каждый делает самостоятельно, но при этом положительным моментом является то, что этот выбор в принципе возможен, а это значит, что есть возможность получить электрическую энергию при эксплуатации простой дровяной печи, установленной в бане.
1-печь с термоэлектрическим генератором
2-контролер заряда
3-инвертор
4-аккумуляторная батарея При эксплуатации термоэлектрического генератора его наибольшая производительность достигается при температуре горячей поверхности элемента, равной 200 градусам Цельсия. При этом возможна быстрая зарядка аккумуляторной батареи, схема подключения которой приведена на рисунке.
При температуре горячей поверхности термоэлектрического генератора меньше номинального значения, аккумуляторная батарея находится в режиме подзарядки. Для того, чтобы система работала исправно, а аккумулятор служил долго, необходимо использовать контролер заряда.
Сколько электричества можно получить?
Печь индигирка рассчитана на получение электрической мощности 50Вт, при этом только 15% ее поверхности используются для установки термоэлектрического генератора. В действительности, можно с успехом занять 50 процентов греющей поверхности печи термоэлектрическими генераторами и увеличить количество получаемой электрической энергии, пропорционально их количеству.
При этом не стоит опасаться, что в доме или в бане будет недостаточно тепло. В действительности, тепловая эффективность печи не изменится, а вот ее производительность возрастет. Дело в том, что даже в самых совершенных дровяных печах велика доля потерь тепловой энергии с уходящими дымовыми газами, не успевающими остыть и отдать запас своей энергии потребителям.
При установке на поверхности печи термоэлектрических генераторов процесс передачи тепловой энергии потребителю идет более интенсивно, что неизбежно приводит к повышению эффективности самой печи и увеличению ее КПД.
Это значит, что потребитель не сможет ощутить падения температуры в помещении, а вот наличие практически бесплатной (стоимость термоэлектрических генераторов в расчет пока не берем) электроэнергии, наверняка будет оценена по достоинству.
На рисунках представлены конструкции двух печей, предназначенных специально для бани. В первом случаи установить термоэлектрические генераторы сложно. Круглая форма печи не позволяет обеспечить контакт между греющей поверхностью и элементом пельтье. А вот во втором случае количество используемых элементов может быть ограничено только их стоимостью, ведь поверхность печи для их установки просто идеальна.
При этом устанавливать их можно и на той поверхности, которая обращена к стене и не излучает тепло в окружающее пространство. Нетрудно посчитать, что при установке четырех термоэлектрических генераторов их мощность составит 200 Вт, что при постоянной работе печи в зимнее время года позволит иметь запас энергии, достаточный для полного освещения дома и питания телевизора.
Напомним, что в данном случае речь идет об использовании готового блока термоэлектрических генераторов, разработанных компанией Термофор и специально предназначенных для установки на поверхности металлической печи.
На сегодняшний день идея получения электрической энергии от работающей дровяной печи получила широкое распространение. В частности, печи с термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) выпускает уже не только Термофор, но и ряд других отечественных производителей.
Еще одним положительным моментом является постоянное снижение их цены. Например, та самая печь «индигирка» стоит приблизительно 40000 рублей, а печь «вега», с такими же техническими параметрами, может быть куплена уже за 22000 рублей. И это тольтко начало. Наверняка в дальнейшем цены станут более доступными для рядового потребителя.
Печь «Вега»
5 - ТЭГ
6 - стабилизатор напряжения
7 - соединительный кабель
8 – дымовая труба Для тех, кто решил в собственной бане, установленной на даче, не только отдыхать и париться, но еще и получать электрическую энергию, можно предложить использовать не готовые термоэлектрические генераторы, а отдельные элементы пельтье, собранные в небольшие батареи, размером 75ммх75мм. Они рассчитаны на выработку тока силой в 4-5 ампер при напряжении 12 Вольт.
Такие батареи стоят значительно дешевле готовых термоэлектрических генераторов. К тому же, учитывая их небольшие размеры, их удобнее устанавливать на поверхности печи. При этом монтаж батарей может производиться даже на поверхности круглой печи для бани.
Учитывая то, что ТЭГ работает лучше при постоянном отводе тепла с его горячей поверхности, Правдинский завод электрического оборудования предложил потребителям термоэлектрические генераторы, вмонтированные в днище бака для нагрева воды, что особенно удобно для использования в бане или в сауне.
При этом конструкция ТЭГ предусматривает постоянную циркуляцию воды, ее нагрев и равномерное распределение тепла.
Преимущества термоэлектрических генераторов
Термоэлектрические генераторы долговечны, надежны, в них просто нечему ломаться или выходить из строя. Их можно хранить любое количество времени, не опасаясь, что они испортятся или придут в негодность. Установка ТЭГ по силам любому человеку, даже совершенно не знакомому с техникой и далекому от ее использования.
ТЭГ идеально подходят именно для нашей страны, где в любом месте можно найти обычную дровяную печь и приспособить ее для получения электричества.
Как видите, получение электрической энергии, возможно даже в собственной бане.
