Termoelektrični materiali so se v vesolju uporabljali v vesoljskih satelitih, avtomobilih in v zadnjem času, v solarnih toplotnih uporabah kot generatorji energije, znani kot sončni toplotno električni generatorji (STEG). Ti sistemi postajajo pomemben interes tako za koncentrirane kot za ne koncentrirane sisteme in so bili uporabljeni v hibridnih napravah s sončnimi celicami. Nazadnje se izpostavljajo strateške usmeritve, ki se izvajajo za izdelavo visoko učinkovitih toplotno električnih materialov za razvoj stroškovno učinkovitega sistema STEG, kar bi lahko pripomoglo k temu, da bi ta tehnologija postala komercialna pripravljenost. Lepa stvar pri tem je, da se približa eni od glavnih omejitev solarnih sončnih celic, da ne delujejo samo med dnevno svetlobo. Če bi bila ta stvar pravilno oblikovana, bi morala električno energijo ustvariti za 24 ur dneva.
Solarna plošča za ogrevanje je napolnjena z vodo. Na njenem dnu je nameščena dobro toplotno izolirano cev, ki je speljana do dna dobro toplotno izoliranega rezervoarja ter nad in za njim. Tudi vrh plošče je povezan z izolirano cevjo. Gre za grelnik, kjer se ogreva voda in deluje v zaprtem krogu. Topla voda ima manjšo gostoto od hladne vode, tako se dvigne na vrh vročega toplotnega hranilnika. Hladnejša voda v ogretem hranilniku prehaja počasi v sončni sprejemnik, kjer se dodatno ogreje. Voda ves čas kroži s pomočjo konvekcije. Ponoči zaradi nižjih temperatur voda ne kroži, saj konvekcija deluje le, če je sončni sprejemnik toplejši od vode v toplotnem rezervoarju, zato ni potrebna nobena obtočna črpalka ali regulacija.
Nad rezervoarjem za toplo vodo je še ena dobro izolirana posoda, v kateri je prav tako voda. To je hladilni rezervoar. Povezan je z drugo ploščo nad in za njim, pri čemer zgornja cev vodi do vrha plošče in spodnje cevi, ki je speljana do spodnjega dela plošče. Vendar ta plošča ni sončni sprejemnik. Gre za radiator, ki nima nobene steklene prevleke in je usmerjen proč od sonca, pri čemer so zračne tuljave z vgrajenimi ploščicami izpostavljene zraku. Voda v ohišju se ohlaja in hladna voda pade na dno rezervoarja za hladno shranjevanje, medtem ko se toplejša voda dvigne iz rezervoarja na ploščo, kjer se ohlaja. Voda nato ponovno kroži s konvekcijo. Po navadi niso potrebni ventili, saj se plošča radiatorja ohladi od hladnega rezervoarja in obtok vode se ustavi.
Temperaturna razlika med tema dvema cisternama povzroča električno energijo s toplotno električno napravo (imenovano tudi termopil). Na vrhu toplotnega hranilnika je najbolj vroča voda, na dnu hladilnega hranilnika pa je voda najhladnejša. Med rezervoarji so cikcak povezane kovine, ki ustvarjajo električno energijo, kadar so njihovi konci pri različnih temperaturah (poceni, a varni in z nizkim izkoristkom) ali pa se lahko uporabijo polprevodniški peltier hladilni moduli. Danes jih je mogoče kupiti precej poceni. Mnogi ljudje se ne zavedajo, da hladilniki delujejo tudi obratno. Namesto da teče skozi tok, da se na eni strani ustvari hlad, se na drugi strani ogrejejo. Če napravo na eni strani segrejete in jo na nato, na drugi strani ohladite, začne naprava proizvajati električno energijo.
Na trgu obstaja že nekaj toplotno električnih generatorjev, vendar se zdi, da se oblikovalci ujamejo v past zaradi razmišljanja le o ogrevanju. Stvar je v tem, da ni toplota tista, ki povzroča ustvarjanje elektrike, ampak to opravi razlika v temperaturi. Goriva gorijo, da segrejejo eno stran naprave in nato zapletene črpalke s hladilno tekočino in termostati, preprečujejo, da ne pride zaradi toplote do poškodb naprave S preprostejšo zasnovo se lahko izognemo številnim težavam in zmanjšamo možne točke, ki povzročajo odpovedi sistema. Uporaba konvekcije odpravlja vodne črpalke in z radiatorjem izkorišča hladni nočni zrak, ki omogoča, da se iz razlike med rezervoarjem za toplo vodo in rezervoarjem za hladno vodo ustvarja električna energija. Ker se že hrani energija kot toploto (dejansko iz toplotne razlike), mora ta sistem delati tudi brez električnih akumulatorjev, s čimer se odpravi še en velik strošek in možna odpoved v sistemih sončne energije.
Usmerjanje sončnega sprejemnika
V letnih časih se zdi, da se sonce dviga in sije pod različnimi koti. To je zato, ker je naš planet na svoji osi nagnjen za 23,433° glede na svojo orbito okoli sonca. Toda to ne vpliva veliko na to, kako usmerjamo sončni sprejemnik, ker želimo zajeti povprečne sezonske spremembe. Če nimate sledilnega solarnega sprejemnika, boste želeli usmeriti ploščo v isto smer, kot je horizontalna plošča na ekvatorju Zemlje. Vaša zemljepisna širina na Zemlji je podana kot je kot od ekvatorja do središča Zemlje in kje ste. Primerno je, da je to tudi naklon nagiba iz horizonta, na katero bi morali postaviti sprejemnik. Seveda bi morali usmeriti sprejemnik proti severu, če ste na južni polobli in če ste na jugu, jo je treba usmeriti proti severni polobli.
Predlagam, da sončni sprejemnik usmerite nekoliko bolj strmo od svoje zemljepisne širine, saj to pomeni, da je pozimi toploto od sonca najtežje zbrati. V mrzlih zemljepisnih širinah bi bilo morda smiselno, da bi ta kot znašal skoraj 23°, saj bolj kot je strmo usmerjeno, bolj neposredno zajamemo zimsko sonce. V bolj zmernih širinah je lahko 10° ali manj.
- V mrzlih podnebjih je treba grelni vodi dodati tekočino proti zmrzovanju. Tudi sončni sprejemniki bi lahko v toplejših in s soncem obsijanih dneh izkoristili več toplote, z uporabo evakuiranih cevi z reflektorji. Drug način za izboljšanje zbiranja sončnih žarkov je lahko z velikim reflektorjem ali s fresneljevo lečo.
- V vročih podnebjih lahko radiatorju pomagamo pri hlajenju z mokro krpo, prekrijemo s tuljavami ali z ne glazirano keramiko, ki jo obdamo okoli radiatorja, in neprestano dopolnjujemo z vodo. Voda se izlije iz ne glaziranega vsebnika in upari.
- Toplotne črpalke se lahko uporabljajo za premikanje toplote iz hladnega rezervoarja v vročega. Zdi se, da je precej nesmiselna stvar, dokler se ne zavedaš, da lahko tudi toplotno črpalko obrnete z ventilatorjem, ohišjem ter celo z motorjem, ki se uporablja tudi za druge namene.
Obstajata dve glavni vrsti toplotnih črpalk: ꓸ Vrste, ki se uporabljajo v hladilniku za črpanje toplote iz ohišja v tuljave na hrbtu radiatorja, in
ꓸ Solid-peltier naprava, kot je čip, ki se v tem projektu uporablja v središču generatorja.
Mehanske toplotne črpalke stisnejo in širijo plin, da premaknejo toploto iz enega mesta v drugega. Lahko uporabijo mehansko gibanje za shranjevanje energije v temperaturni razliki med obema rezervoarjema. Če so dobro izdelani, se zdi, da "proizvedejo" več energije, kot jih uporabljajo za vodenje. To je zato, ker dejansko ne ustvarjajo toplote, temveč ga preprosto premikajo iz enega mesta v drugega. Imajo pa velike pomanjkljivosti in so zapletene ter drage za vzdrževanje.
Toplotne črpalke s Peltier napravo nimajo gibljivih delov, zato ne potrebujejo vzdrževanja in delujejo tiho. Lahko bi jih uporabili za usmerjanje presežne električne energije, ki jo lahko ujamejo, morda sončne celice pri dnevni svetlobi. Pomislite na to kot "polnjenje" rezervoarjev za shranjevanje. Če od toplotno električnega generatorja ni potrebe po električni energiji, bi ga bilo mogoče preklopiti na zunanji električni vir in za delovanje v obratni smeri, da bi premaknili toploto iz hladnega rezervoarja v vroči rezervoar.
Toploto in hladilo bi bilo mogoče shraniti veliko dlje časa, če bi se lahko toplotno električna naprava izključila od dveh rezervoarjev, ko nista v uporabi. Nekaj podobnega je pri drsnih blokih, ki so izdelani iz toplotno prevodnih materialov in izolatorja, ki je, ali ko je na položaju, ki vodita toploto iz vročega rezervoarja skozi toplotni modul v hladni rezervoar in v drugem položaju toplotno električni modul izolira v obeh rezervoarjih.
Sferičen skladiščni rezervoar je lahko učinkovitejši kot tisti v obliki blokov. Zaradi manjšega razmerja med površino in prostornino bi se skozi stene posode izgubilo manj toplote / mraza. Oblika bi morda omogočila tudi večjo in bolj učinkovito konvekcijo, z manj "mrtvimi" točkami. Spodnji del hladnega rezervoarja bi skupaj z zgornjim delom vročega rezervoarja koncentriralo največjo temperaturno razliko v toplotno električnem modulu.
Za pomoč sončnemu sprejemniku v podnebjih, kjer pol leta, ni veliko sonca ali med dolgim globoko oblačnim podnebjem, se lahko uporabi alternativni vir toplote, kot je gorenje biogoriva, geotermalna toplota ali toplota sesalcev itn.
Sončni sprejemnik, ki sledi soncu, bo učinkoviteje ogreval vodo. Izračunati bi bilo treba, ali je izboljšanje koristno, čeprav sončni grelniki vode dobro delajo, tudi če niso natančno usmerjeni, in celo segrevajo vodo ob oblačnih in deževnih dneh. Sončne celice po navadi ne delujejo dobro pod nobenim od teh pogojev in zato zahtevajo dodajanje sledilnih sistemov. Tudi učinkovitost sončnih celic se zmanjša, če postanejo prevroče. Zgornja temperatura za grelnike solarne vode je omejena.
Merjenje
Glavni poudarek v tem trenutku je izdelava preprostega prototipa in elektronike za merjenje. Za to je treba vključiti temperature na dveh zbiralnih točkah, ki sta najbolj uporabni za toplotno električno napravo. Morda bi bilo tudi koristno voditi evidenco o okolijskih temperaturah, tako da je mogoče vreme oceniti glede na njegov vpliv na generator.
Še vedno mislim na najboljši način za snemanje električnega izhoda naprave.
Zemlja se vrti okoli sonca v svoji letni orbiti. Prav tako pa se vsak dan vrti na svoji osi. Ta os je nagnjena s 23,422°, tako da je na eni strani orbite južna polobla poleti in severna polobla pozimi. Na drugi strani orbite je severno poleti, medtem ko je južno pozimi. Na poletni višini za vsako hemisfero opazite, da je sonce neposredno nad glavo »Tropik kozoroga« ali Tropik raka« (dve črtkasti črti oranžne barve). Ti dve tropiki sta pod kotom 23,433° od ekvatorja. Zelena in modra oseba sta 33° severno in južno od ekvatorja.
Če bi živeli na ekvatorju, torej na 0° zemljepisne širine, bi se sonce čez leto povprečno izravnalo, tako da bi sončni sprejemnik, ki bi bil postavljen ravno na tla, v letu dni zvišal največjo sončno svetlobo. Poskusiti moramo usmeriti svoj sončni sprejemnik v približno isti smeri, kjerkoli smo na Zemlji. Vidite lahko, da če smo v nekaj stopinjah oddaljeni od ekvatorja, moramo svojo ploščo nagniti nazaj proti ekvatorju za enako število stopinj, da bi se pokazalo v isti smeri, kot ena ravna na tleh na ekvatorju, to pomeni, da želimo, da je vzporedno s sprejemnikom na ekvatorju.
I.K.
