Если один из них нагревать, а другой охлаждать, то в цепи появится электрический ток. Явление это было открыто в 1821 году немецким физиком Томасом Зеебеком. На его основе пытались получать электроэнергию для практических целей. Однако применение спаев из разнородных металлических проводников позволяло добиться лишь весьма низкого КПД, не превышавшего 0,5 %. Лишь после изобретения в 1930 году советским ученым А.Ф. Иоффе полупроводников КПД термоэлементов удалось сразу же увеличить в 10 раз.
В конце 80-х годов в СССР были созданы экспериментальные полупроводниковые термоэлектрогенераторы, имеющие КПД более 40 %.
Вот как могла бы выглядеть домашняя термоэлектростанция (рис. 2).
Каталитическая газовая горелка, в которой газ горит самым чистейшим образом без малейшего выделения ядовитых веществ, нагревает горячие спаи батареи термоэлементов. Противоположные спаи охлаждаются водой, которая нагревается и расходуется для различных домашних нужд. Продукты сгорания, пройдя через спаи термоэлементов, еще имеют высокую температуру. Поэтому они направляются в регенератор, где своим теплом подогревают свежий воздух, поступающий к горелке.
Этим достигается значительная экономия газа. Отметим, что наша электростанция, в сущности, выполняет все функции теплоэлектроцентрали. Как и нормальная ТЭЦ, она снабжает нас электричеством, а бросовое тепло, которое появляется в результате охлаждения, не выбрасывается на улицу, а направляется потребителю. И крохотная домашняя ТЭЦ сможет выполнять свое предназначение во всех отношениях лучше, чем полноразмерная. Судите сами.
Начнем с того, что домашняя ТЭЦ не нуждается в подстанциях и проводах, а потому не теряет 15 % на передачу электроэнергии. Присмотримся к качеству поставляемой нам сегодня электроэнергии. Оно сложилось исторически, но отнюдь не безупречно. Напряжение (220 В) опасно для жизни. Но столь высокое значение выбрано ради снижения потерь в весьма протяженных городских электросетях. В квартире длина проводов ничтожна, и можно выбрать абсолютно безопасное напряжение, например, 24 вольта. Частота переменного тока 50 Гц также не является наилучшей. В бортовых сетях самолетов применяют ток в 400 Гц а на ракетах даже частотой 1000 Гц. С ростом частоты резко уменьшаются размеры электродвигателей и трансформаторов, но одновременно резко возрастают потери на излучение энергии проводами в виде радиоволн. Поэтому для передач на большие расстояния и выбрали ток частотой 50–60 Гц. Однако в пределах квартиры, как и на борту самолета, больших расстояний нет. И, выбрав ток повышенной частоты, мы получим колоссальные преимущества. Пылесосы станут очень легкими и дешевыми.
Дроссели люминесцентных ламп миниатюрными, а свет в них перестанет мигать. Конфорки электроплит, как об этом давно мечтают изобретатели, будут заменены трансформаторными обмотками (рис. 3).
Поставленная на них сковородка станет нагреваться непосредственно за счет наведенных в ее стенках вихревых токов. Расход энергии по сравнению с современными электроплитами уменьшится в 2–3 раза.
А теперь перейдем к другому виду продукции ТЭЦ — теплу.
Его передача на большие расстояния тоже связана с большими потерями, требует прокладки очень дорогих теплотрасс. В нашем случае всего этого нет, а тепло в изобилии.
Посмотрим, как им распорядиться. Начнем с холодильников. Современные компрессионные холодильники в некотором смысле варварство. Они расходуют ценную высокоорганизованную электрическую энергию. Но холод ведь можно получать и за счет тепла в так называемых абсорбционных холодильниках, как это было в почти забытом «Севере». Он был абсолютно бесшумен, недорог, практически вечен, но расходовал слишком много электроэнергии. Потому и сошел со сцены. Электричество же для них, в сущности, не обязательно. Оно используется лишь для подогрева реагентов. И его можно заменить теплом иного происхождения. В 60-е годы выпускались подобные холодильники, получавшие тепло от газовой горелки. В месяц они расходовали газа на 36 копеек, что равнялось стоимости одного килограмма картошки.
Казалось бы, такие холодильники могут получать тепло от горячей воды батарей центрального отопления. Но температура ее недостаточно высока. От своей же собственной ТЭЦ можно получить воду любой температуры, и добывание холода в домашних условиях станет гораздо дешевле. Это особенно важно еще и потому, что ныне мы приобрели вкус к летней прохладе за счет кондиционеров. Расход электроэнергии у компрессионных кондиционеров непомерно велик. Несравненно выгоднее абсорбционные, работающие за счет тепла.
Расчеты показывают, что при нынешних ценах на газ все энергетические потребности квартиры, включая применение кондиционера, должны стоить 30–50 рублей в месяц.
Если преимущества домашнего производства энергии достаточно ясны, посмотрим, как мы можем приблизить эту эпоху. На первых порах ограничимся изготовлением модели термоэлектростанции, пригодной для питания простейшего радиоприемника или приготовления чашки чая. Даже столь скромная установка позволит вам ознакомиться со многими проблемами реальной мини-ТЭЦ.
Поскольку достать полупроводниковые термопары очень трудно, эксперимент проведем с металлическими. Несмотря на низкий КПД, они способны развивать солидную мощность. Например, в свое время батареи термоэлементов давали ток для освещения бульваров Парижа при помощи свечей Яблочкова.
Работу начнем с подбора пар проволочек. Нам понадобится милливольтметр со шкалой на 100 mV и… терпение.
На первых порах концы проволочек можно соединить скручиванием и измерять ЭДС, нагревая один из концов термопары. В качестве одной из ветвей термопары можно взять стальную струну, а для другой — кусок спирали от электроплитки. Чтобы струна потеряла свою упругость, ее надо отжечь. Нагреть докрасна и медленно остудить на воздухе.
Проволочки перед скруткой должны быть тщательно очищены от окалины.
Подобрав пару проволок из разнородных металлов, дающую максимальное напряжение, можно приступать к изготовлению термобатареи и последовательно соединенных элементов.
Однако нам еще предстоит научиться эти металлы соединять. Скрутка вещь ненадежная. Поскольку температура горячего спая может превысить 300–400 градусов, пайка оловянными припоями нам тоже непригодна. Придется освоить пайку серебром. Не пугайтесь, этого дорогого металла понадобятся десятые доли грамма. Найдите испорченное серебряное украшение и с помощью напильника получите на листке бумаги щепотку опилок. Поскольку напильник при работе срабатывается, в серебро попадут частицы стали. Они сильно ухудшат его свойства. Их стоит собрать при помощи магнита. Очищенные серебряные опилки смешайте с бурой. Припой готов.
Отдельно приготовьте четверть стакана насыщенного раствора буры с водой. Для расплавления припоя необходима газовая горелка, способная раскалить место пайки докрасна.
Вот как производится пайка.
Скрутите тщательно очищенные проводники и смочите их раствором буры, а после посыпьте припоем. Теперь внесите их в пламя горелки. Через очень короткое время серебро расплавится и тонкой блестящей пленкой покроет место спая. Дело сделано. Вынимайте изделие из огня, студите, проверяйте на прочность.
Спаяв два-три десятка проволочек, можно получить батарею, развивающую при нагревании газовой горелкой 2–3 вольта. Этого напряжения вполне достаточно для питания небольшого радиоприемника.
Варианты «энергоблока», позволяющего не только питать приемник, но еще, например, греть воду или жарить яичницу, могут быть очень разные. Один из них мы показали на рисунке 5.
Достойная замена современной керосинке. Она позволяет не только вскипятить воду, но и слушать радиоприемник:
1 — жаровая труба; 2 — регенератор; 3 — газовый баллон; 4 — термоэлектрическая батарея.
Применяя газовую горелку, соединенную с баллоном, можно провести небольшую научную работу. Путем взвешивания определить расход газа. Замерив ток и напряжение в цепи, определить мощность и высчитать КПД термобатареи. Это позволит вам найти пути для увеличения эффективности всего устройства. Покопайтесь в литературе. Найдите прекрасный учебник: Г.М. Алексеев. Общая теплотехника. М., 1980 г.
Вы с удивлением узнаете, что от вашей крохотной модели до большой энергетики вас отделяет только шаг.
Сделайте его!
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
НАБОР
Заочная физико-техническая школа Министерства образования РФ при Московском физико-техническом институте
