Электричество из тепла

категория
Альтернативная энергия
материалы в категории

В начале прошлого века изобретатели и учёные уже хорошо представляли ту пользу, которую может дать широкое применение электроэнергии. Однако способов её дешёвого получения в достаточном количестве долго не существовало. Но вот в 1821 году немецким учёным Зеебеком было открыто любопытное явление.

Если взять замкнутую цепь из двух спаянных между собой разнородных проводников и один спай нагревать, а другой охлаждать, то в цепи возникнет ток. В этом удивительно простом устройстве (назвали его термоэлементом) тепловая энергия как бы прямо превращается в электрическую.

В известном задолго до него гальваническом элементе энергия получалась за счёт растворения металла в электролите. Вещества эти достаточно дороги, недёшево получалась и энергия. Термоэлемент - другое дело. Сам он не расходуется, а топливо вполне доступно. Тем более, что нагревать его спаи можно чем угодно: солнцем, вулканическим теплом, продуктами сгорания, вылетающими через трубу печи, и т. д.

Давайте повнимательней разберём некоторые его свойства. Одиночный термоэлемент развивает маленькую ЭДС - десятые, сотые доли вольта. Однако его внутреннее сопротивление очень мало, следовательно, создаваемый ток может быть очень велик.

Давно известен такой красивый эксперимент. Электромагнит с железным сердечником и обмоткой, состоящей из... одного витка. Но виток - скоба из меди толщиной в палец, замкнутая впаянной перемычкой из висмута. Один конец спая нагреваем обычной лабораторной горелкой, другой - охлаждаем водой. Возникает ток в тысячи ампер, и магнит (при одном-то витке!) удерживает чугунный бабушкин утюг.

Низкая ЭДС - не беда, термоэлементы легко соединяются в батарею с последовательным соединением сотен или тысяч источников. Выглядит она такой гармошкой из чередующихся полос двух металлов. Сильный ток при умеренном напряжении в 2-3 вольта как нельзя лучше годился для применения в мелких гальванических мастерских. Его вырабатывали термоэлектрогенераторы, напоминающие небольшую печь на дровах, угле или газе.

Применялись они кустарями ещё в начале века. Были попытки решать и более крупные задачи. Так, например, в конце 80-х годов прошлого века в Париже Клуэ построил термоэлектрический генератор, дававший энергию для 80 «свечей» Яблочкова. КПД установок того времени не превышал 0.3%. Казалось бы, уж очень мало, но всё потерянное тепло можно было использовать для отопления дома, подогрева воды или приготовления пищи. Предлагались и отопительные печи со встроенными термоэлектрогенераторами. Любопытно, что их установка ни в коем случае не увеличивает расхода топлива на отопление. Ведь электричество, если его израсходуют в том же помещении, вновь перейдёт в тепло!

История распорядилась иначе. Электричество оказалось значительно выгоднее производить на электростанциях и централизованно распределять потребителям. Даже в прошлом веке КПД электростанций был в десятки раз выше, чем у термоэлементов. Однако изящная простота, надёжность, вызванная отсутствием движущихся частей, очаровали многих. Попытки повысить КПД без глубокого проникновения в теорию к серьёзному успеху не привели. ЭДС возникает в результате нагревания ветвей термоэлемента, но одновременно возникает и паразитный поток тепла, бесполезно перетекающий от горячего спая к холодному. Пытаясь его использовать, стали собирать каскады термоэлементов, в которых более холодный спай одного нагревает горячий спай другого. Температура горячих спаев на каждом ярусе каскада понижается. Однако, подбирая материалы, наиболее хорошо работающие именно в заданном диапазоне температур, КПД всей системы удаётся значительно повысить.

Есть и другая возможность. Её называют регенерацией тепла. Направим поток воздуха вдоль термоэлектрического каскада от холодного конца к горячему. При этом он обретёт от элементов часть протекающего по ним тепла и нагреется. После этого направим горячий воздух в топку и сэкономим часть топлива. Вся эта процедура равноценна снижению теплопроводности материалов термоэлементов, а принесёт она пользу лишь в том случае, если произойдёт отбор строго определённой части тепла от каждого элемента. Однако регенерация ощутима лишь тогда, когда сами термоэлементы, входящие в каскад, достаточно совершенны.

В 30-е годы теоретические работы в области термоэлектричества особенно интенсивно проводились в нашей стране. Говорят, нет ничего практичнее хорошей теории. Академик А. Ф. Иоффе создал новую теорию процессов, происходящих в твёрдом теле. Некоторые солидные учёные принимали её в штыки, называли «квантово-механическим подсознанием». Но в 1940 году, основываясь на её выводах, удалось поднять КПД термоэлемента в 10 раз. Произошло это благодаря замене металлов на полупроводники - вещества с более высокой термоЭДС и низкой теплопроводностью.

В начале войны в лаборатории Иоффе был создан «партизанский котёл» - термоэлектрогенератор для питания портативных радиостанций. Это был котелок, на днище которого снаружи располагались термоэлементы. Их горючие спаи находились в огне костра, а холодные, прикреплённые ко дну котелка, охлаждались налитой в него водой.

Тщательный подбор материалов, применение регенерации позволили в наше время довести КПД термоэлемента до 15%. В начале века такую эффективность имели обычные электростанции, но теперь она возросла более чем в три раза. Термоэлементу в большой энергетике пока места нет. Но ведь есть и энергетика малая. Несколько десятков ватт требуется для питания радиорелейной станции, стоящей на горной вершине, или морского сигнального буя. Есть и отдалённые места, где живут люди, которым требуются электричество и тепло. В подобных случаях применение находят термоэлементы, подогреваемые газом или жидким топливом. Особенно ценно, что эти устройства можно поместить в небольшой подземный бункер и оставить совершенно без присмотра, лишь раз в год или реже пополнять запас топлива. Ввиду малой мощности расход его при любом КПД оказывается приемлем, а кроме того... нет выбора.

Любопытное применение для термоэлектрогенераторов нашли врачи. Уже более двух десятилетий тысячи людей носят имплантированный, помещённый под кожу ритмоводитель сердечной деятельности. Источником энергии для него служит крохотная (с напёрсток) батарея из сотни соединённых последовательно термоэлементов, подогреваемых распадом безвредного изотопа. Несложная операция по её замене производится раз в 5-10 лет.

В Японии выпускаются электронные часы, энергию которым от тепла руки даёт термоэлемент.

Недавно одна итальянская фирма заявила о начале работы над электромобилем с термоэлектрогенератором. Этот источник тока значительно легче аккумуляторов, поэтому пробег у термоэлектрического автомобиля будет не меньше, чем у обычного. (Напомним, что электромобили способны с одной зарядкой пройти 150 км.) Полагают, что путём разных ухищрений расход топлива удастся сделать приемлемым. Главные достоинства экипажа нового типа - абсолютно безвредный выхлоп, бесшумное движение, применение самого дешёвого жидкого (а возможно, и твёрдого) топлива, очень большая надёжность.

В 30-е годы проводившиеся в нашей стране работы над термоэлементами были широко известны. Вероятно, поэтому писатель Г. Адамов описал в своём романе «Тайна двух океанов» подводную лодку «Пионер», получавшую энергию от тросов-батарей. Так он назвал термоэлектрические генераторы, выполненные в виде длинных тросов. Их горячие спаи при помощи буя поднимались в верхние слои океана, где температура достигает 20-25°C, а холодные - охлаждались глубоководной водой с температурой 1-2°С Так фантастический «Пионер» - лодка, способная дать сто очков вперёд нынешним атомным, заряжал свои аккумуляторы.

Реально ли такое? Сообщение о прямых опытах подобного рода в печати нет. Впрочем, промелькнуло нечто любопытное. Создан термоэлектрогенератор на 1000 кВт, вырабатывающий энергию за счёт тепла горячих подземных источников. Разность температур между горячим и холодным спаями 23°С, как в океане, удельный вес 6 кг на 1 кВт - много ниже, чем у энергетических установок обычных подводных лодок. Не на пороге ли мы новой энергетической революции, нового века электричества?

А. САВЕЛЬЕВ
Юный Техник 1992 N7