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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA ¿Llegará una nueva era de energía? Electricidad sin coches. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía A principios del siglo pasado, los inventores y científicos ya eran muy conscientes de los beneficios que podía aportar el uso generalizado de la electricidad. Sin embargo, durante mucho tiempo no hubo forma de obtenerlo a bajo precio y en cantidades suficientes. Pero en 1821, el científico alemán Seebeck descubrió un fenómeno curioso. Si toma un circuito cerrado de dos conductores diferentes soldados entre sí y calienta una unión y enfría la otra, surgirá una corriente en el circuito. En este dispositivo sorprendentemente simple (lo llamaron termoelemento), la energía térmica se convierte directamente en energía eléctrica.
En la celda galvánica, conocida desde mucho antes, la energía se obtenía disolviendo el metal en el electrolito. Estas sustancias son bastante caras y la energía tampoco era barata. El termopar es otro asunto. En sí no se consume y el combustible es bastante accesible. Además, sus uniones se pueden calentar con cualquier cosa: el sol, el calor volcánico, los productos de combustión que salen volando por el tubo de la estufa, etc.
Echemos un vistazo más de cerca a algunas de sus propiedades. Un solo termoelemento desarrolla una pequeña EMF: décimas, centésimas de voltio. Sin embargo, su resistencia interna es muy pequeña, por lo que la corriente generada puede ser muy elevada. Un experimento tan hermoso se conoce desde hace mucho tiempo. Un electroimán con núcleo de hierro y un devanado que consta de... una vuelta. Pero la bobina es un soporte de cobre del grosor de un dedo cerrado por un puente de bismuto soldado. Calentamos un extremo de la unión con un quemador de laboratorio normal y enfriamos el otro con agua. Surge una corriente de miles de amperios y el imán (¡con una vuelta!) sostiene el hierro fundido de la abuela.
Los bajos EMF no son un problema; los termoelementos se conectan fácilmente a una batería con una conexión en serie de cientos o miles de fuentes. Parece un acordeón hecho de tiras alternas de dos metales. La alta corriente a un voltaje moderado de 2-3 voltios era ideal para su uso en pequeños talleres de galvanoplastia. Se producía mediante generadores termoeléctricos, que recordaban a una pequeña estufa que quemaba leña, carbón o gas. Fueron utilizados por artesanos a principios de siglo. Ha habido intentos de resolver problemas mayores. Por ejemplo, a finales de los años 80 del siglo pasado en París, Clouet construyó un generador termoeléctrico que proporcionaba energía para 80 "velas" Yablochkov. La eficiencia de las instalaciones de esa época no superó el 0.3%. Parecería muy poco, pero todo el calor perdido se podría aprovechar para calentar la casa, calentar agua o cocinar alimentos. También se ofrecieron estufas de calefacción con generadores termoeléctricos incorporados. Es curioso que su instalación no aumenta en modo alguno el consumo de combustible para calefacción. Después de todo, la electricidad, si se consume en la misma habitación, ¡volverá a convertirse en calor! La historia decretó lo contrario. Resultó mucho más rentable producir electricidad en centrales eléctricas y distribuirla centralmente a los consumidores. Incluso en el siglo pasado, la eficiencia de las centrales eléctricas era decenas de veces mayor que la de los termoelementos. Sin embargo, la elegante simplicidad y la confiabilidad causada por la ausencia de partes móviles cautivaron a muchos. Los intentos de aumentar la eficiencia sin una profundización de la teoría no condujeron a un éxito importante. EMF surge como resultado del calentamiento de las patas del termoelemento, pero al mismo tiempo surge un flujo de calor parásito, que fluye inútilmente desde la unión caliente a la fría. Al intentar utilizarlo, comenzaron a montar cascadas de termoelementos, en las que la unión más fría de uno calienta la unión caliente del otro. La temperatura de las uniones calientes en cada nivel de la cascada disminuye. Sin embargo, al seleccionar materiales que funcionen mejor dentro de un rango de temperatura determinado, se puede aumentar significativamente la eficiencia de todo el sistema. Hay otra posibilidad. Se llama recuperación de calor. Dirijamos el flujo de aire a lo largo de la cascada termoeléctrica desde el extremo frío al caliente. Al mismo tiempo, obtendrá parte del calor que fluye a través de ellos desde los elementos y se calentará. Tras esto, dirigiremos el aire caliente hacia el hogar y ahorraremos parte del combustible. Todo este procedimiento equivale a reducir la conductividad térmica de los materiales termoelementos, y será beneficioso sólo si se elimina una parte estrictamente definida del calor de cada elemento. Sin embargo, la regeneración sólo se nota cuando los propios termoelementos incluidos en la cascada son suficientemente perfectos. En la década de 30 el trabajo teórico en el campo de la termoelectricidad se desarrolló con especial intensidad en nuestro país. Dicen que no hay nada más práctico que una buena teoría. El académico A.F. Ioffe creó una nueva teoría de los procesos que ocurren en los sólidos. Algunos científicos reputados lo tomaron con hostilidad y lo llamaron el “subconsciente mecánico cuántico”. Pero en 1940, basándose en sus hallazgos, fue posible aumentar 10 veces la eficiencia del termoelemento. Esto sucedió debido a la sustitución de metales por semiconductores, sustancias con mayor termoEMF y baja conductividad térmica. Al comienzo de la guerra, se creó en el laboratorio de Ioffe una "caldera partidista", un generador termoeléctrico para alimentar estaciones de radio portátiles. Era una olla con termopares ubicados en la parte exterior del fondo. Sus porciones inflamables estaban al fuego del fuego, y las frías, adheridas al fondo de la olla, se enfriaban con agua vertida en ella.
La cuidadosa selección de materiales y el uso de regeneración han permitido aumentar la eficiencia del termoelemento al 15%. A principios de siglo, las centrales eléctricas convencionales tenían esta eficiencia, pero ahora se ha más que triplicado. Actualmente no hay lugar para un termoelemento en el sector energético a gran escala. Pero también hay poca energía. Se necesitan varias decenas de vatios para alimentar una estación de retransmisión de radio en la cima de una montaña o una boya de señales marina. También hay lugares remotos donde vive gente que necesita electricidad y calefacción. En tales casos, se utilizan termoelementos calentados con gas o combustible líquido. Es especialmente valioso que estos dispositivos puedan colocarse en un pequeño búnker subterráneo y dejarse completamente desatendidos, solo una vez al año o con menos frecuencia para reponer el suministro de combustible. Debido a la baja potencia, su consumo a cualquier eficiencia resulta aceptable, y además... no hay elección. Los médicos han encontrado una aplicación interesante para los generadores termoeléctricos. Durante más de dos décadas, miles de personas han llevado un marcapasos cardíaco implantado debajo de la piel. Su fuente de energía es una pequeña batería (del tamaño de un dedal) de cientos de termopares conectados en serie, calentados por la desintegración de un isótopo inofensivo. Se realiza una sencilla operación de sustitución cada 5-10 años. En Japón se fabrican relojes electrónicos que funcionan con un termoelemento procedente del calor de la mano. Recientemente, una empresa italiana anunció el inicio de los trabajos de construcción de un coche eléctrico con generador termoeléctrico. Esta fuente de corriente es mucho más ligera que las baterías, por lo que el kilometraje de un coche termoeléctrico no será menor que el de uno convencional. (Recordemos que los coches eléctricos son capaces de recorrer 150 km con una sola carga). Se cree que mediante varios trucos se puede conseguir que el consumo de combustible sea aceptable. Las principales ventajas del nuevo tipo de tripulación son los gases de escape absolutamente inofensivos, el movimiento silencioso, el uso del combustible líquido (y posiblemente sólido) más barato y una fiabilidad muy alta. En la década de 30 eran ampliamente conocidos los trabajos sobre termoelementos realizados en nuestro país. Probablemente por eso el escritor G. Adamov describió en su novela "El secreto de los dos océanos" el submarino Pioneer, que recibía energía de los cables de la batería. Así llamó a los generadores termoeléctricos fabricados en forma de largos cables. Sus uniones calientes, con la ayuda de una boya, subieron a las capas superiores del océano, donde la temperatura alcanza los 20-25°C, y las frías fueron enfriadas por agua de aguas profundas con una temperatura de 1-2°C. "Así que el fantástico "Pioneer" es un barco capaz de dar cien puntos de ventaja a los actuales nucleares", cargó mis pilas. ¿Es esto real? No hay noticias en la prensa sobre experimentos directos de este tipo. Sin embargo, sucedió algo interesante. Se ha creado un generador termoeléctrico de 1000 kW que genera energía a partir del calor de manantiales subterráneos calientes. La diferencia de temperatura entre las uniones frías y calientes es de 23°C, ya que en el océano la gravedad específica es de 6 kg por 1 kW, mucho menor que la de las centrales eléctricas de los submarinos convencionales. ¿Estamos al borde de una nueva revolución energética, una nueva era de la electricidad? Autor: A. Saveliev
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