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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Arriverà una nuova era di energia? Elettricità senza automobili. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative All’inizio del secolo scorso, inventori e scienziati erano già ben consapevoli dei vantaggi che l’uso diffuso dell’elettricità avrebbe potuto apportare. Tuttavia, per molto tempo non è stato possibile ottenerlo in quantità sufficienti a buon mercato. Ma nel 1821 lo scienziato tedesco Seebeck scoprì un fenomeno curioso. Se si prende un circuito chiuso di due conduttori diversi saldati insieme e si riscalda una giunzione e si raffredda l'altra, nel circuito si genererà una corrente. In questo dispositivo sorprendentemente semplice (lo chiamavano termoelemento), l'energia termica viene convertita direttamente in energia elettrica.
Nella cella galvanica, conosciuta da molto tempo, l'energia veniva ottenuta sciogliendo il metallo nell'elettrolita. Queste sostanze sono piuttosto costose e neanche l'energia era economica. La termocoppia è un'altra cosa. Di per sé non viene consumato e il carburante è abbastanza accessibile. Inoltre, le sue giunzioni possono essere riscaldate da qualsiasi cosa: il sole, il calore vulcanico, i prodotti della combustione che volano attraverso il tubo della stufa, ecc.
Diamo uno sguardo più da vicino ad alcune delle sue proprietà. Un singolo termoelemento sviluppa una piccola EMF: decimi, centesimi di volt. Tuttavia, la sua resistenza interna è molto piccola, quindi la corrente generata può essere molto elevata. Un esperimento così bello è noto da tempo. Un elettromagnete con un nucleo di ferro e un avvolgimento formato da... una spira. Ma la bobina è una staffa di rame spessa un dito chiusa da un ponticello di bismuto saldato. Riscaldiamo un'estremità della giunzione con un normale bruciatore da laboratorio e raffreddiamo l'altra con acqua. Si genera una corrente di migliaia di ampere e il magnete (con un giro!) trattiene la ghisa della nonna.
Bassi campi elettromagnetici non sono un problema; i termoelementi possono essere facilmente collegati a una batteria con una connessione in serie di centinaia o migliaia di fonti. Sembra una fisarmonica composta da strisce alternate di due metalli. L'elevata corrente con una tensione moderata di 2-3 volt era ideale per l'uso in piccoli laboratori galvanici. Era prodotto da generatori termoelettrici, che ricordavano una piccola stufa a legna, carbone o gas. Venivano utilizzati dagli artigiani all'inizio del secolo. Ci sono stati tentativi di risolvere problemi più grandi. Ad esempio, alla fine degli anni '80 del secolo scorso a Parigi, Clouet costruì un generatore termoelettrico che fornì energia per 80 “candele” Yablochkov. L'efficienza degli impianti di quel tempo non superava lo 0.3%. Sembrerebbe poco, ma tutto il calore perduto potrebbe essere utilizzato per riscaldare la casa, scaldare l'acqua o cuocere i cibi. Sono state offerte anche termostufe con generatore termoelettrico incorporato. È curioso che la loro installazione non aumenti in alcun modo il consumo di carburante per il riscaldamento. Dopotutto, l'elettricità, se viene consumata nella stessa stanza, si trasformerà nuovamente in calore! La storia ha decretato diversamente. Si è rivelato molto più redditizio produrre elettricità nelle centrali elettriche e distribuirla centralmente ai consumatori. Anche nel secolo scorso l'efficienza delle centrali elettriche era decine di volte superiore a quella dei termoelementi. Tuttavia, l'elegante semplicità e l'affidabilità causata dall'assenza di parti mobili hanno affascinato molti. I tentativi di aumentare l'efficienza senza una profonda penetrazione nella teoria non hanno portato a un serio successo. L'EMF nasce a seguito del riscaldamento delle gambe del termoelemento, ma allo stesso tempo si verifica anche un flusso di calore parassitario, che scorre inutilmente dalla giunzione calda a quella fredda. Cercando di usarlo, iniziarono ad assemblare cascate di termoelementi, in cui la giunzione più fredda dell'uno riscalda la giunzione calda dell'altro. La temperatura delle giunzioni calde su ciascun livello della cascata diminuisce. Tuttavia, selezionando i materiali che funzionano meglio entro un determinato intervallo di temperature, è possibile aumentare significativamente l’efficienza dell’intero sistema. C'è un'altra possibilità. Si chiama recupero di calore. Dirigiamo il flusso d'aria lungo la cascata termoelettrica dalla parte fredda a quella calda. Allo stesso tempo, guadagnerà parte del calore che scorre attraverso di essi dagli elementi e si riscalderà. Successivamente, dirigeremo l'aria calda nel focolare e risparmieremo parte del carburante. L'intera procedura equivale a ridurre la conduttività termica dei materiali dei termoelementi e sarà vantaggiosa solo se una porzione rigorosamente definita del calore viene rimossa da ciascun elemento. La rigenerazione però si avverte solo quando gli stessi termoelementi inseriti nella cascata sono sufficientemente perfetti. Negli anni '30 nel nostro Paese il lavoro teorico nel campo della termoelettricità fu svolto in modo particolarmente intenso. Dicono che non c'è niente di più pratico di una buona teoria. L'accademico A.F. Ioffe ha creato una nuova teoria dei processi che si verificano nei solidi. Alcuni scienziati rispettabili lo presero con ostilità e lo chiamarono “subconscio quantomeccanico”. Ma nel 1940, sulla base delle sue scoperte, fu possibile aumentare di 10 volte l'efficienza del termoelemento. Ciò è accaduto a causa della sostituzione dei metalli con semiconduttori, sostanze con un termoEMF più elevato e una bassa conduttività termica. All'inizio della guerra, nel laboratorio di Ioffe fu creata una "caldaia partigiana": un generatore termoelettrico per alimentare le stazioni radio portatili. Era una pentola con termocoppie situate all'esterno del fondo. Le loro articolazioni infiammabili erano nel fuoco del fuoco, e quelle fredde, attaccate al fondo della pentola, venivano raffreddate dall'acqua versata al suo interno.
L'attenta selezione dei materiali e l'uso della rigenerazione hanno ora permesso di aumentare l'efficienza del termoelemento al 15%. All’inizio del secolo, le centrali elettriche convenzionali avevano questa efficienza, ma ora è più che triplicata. Attualmente non c’è posto per un termoelemento nel settore energetico su larga scala. Ma c'è anche poca energia. Per alimentare una stazione radio sulla cima di una montagna o una boa di segnalazione marina sono necessarie diverse decine di watt. Ci sono anche luoghi remoti dove vivono persone che necessitano di elettricità e calore. In tali casi vengono utilizzati termoelementi riscaldati da gas o combustibile liquido. È particolarmente prezioso che questi dispositivi possano essere collocati in un piccolo bunker sotterraneo e lasciati completamente incustoditi, solo una volta all'anno o meno spesso per rifornire la riserva di carburante. A causa della bassa potenza, il suo consumo a qualsiasi efficienza risulta essere accettabile, e poi... non c'è scelta. I medici hanno trovato un'interessante applicazione per i generatori termoelettrici. Per più di due decenni, migliaia di persone hanno portato un pacemaker cardiaco impiantato sotto la pelle. La fonte di energia è una minuscola batteria (delle dimensioni di un ditale) composta da centinaia di termocoppie collegate in serie, riscaldate dal decadimento di un isotopo innocuo. Una semplice operazione per sostituirlo viene eseguita ogni 5-10 anni. In Giappone vengono prodotti orologi elettronici alimentati da un termoelemento ricavato dal calore della mano. Recentemente un'azienda italiana ha annunciato l'inizio dei lavori su un'auto elettrica con generatore termoelettrico. Questa fonte di corrente è molto più leggera delle batterie, quindi il chilometraggio di un'auto termoelettrica non sarà inferiore a quello di una convenzionale. (Ricordiamo che le auto elettriche sono in grado di percorrere 150 km con una sola carica.) Si ritiene che attraverso vari accorgimenti il consumo di carburante possa essere reso accettabile. I principali vantaggi del nuovo tipo di equipaggio sono lo scarico assolutamente innocuo, il movimento silenzioso, l'uso del carburante liquido (e possibilmente solido) più economico e l'altissima affidabilità. Negli anni '30 erano ampiamente conosciuti i lavori sui termoelementi condotti nel nostro Paese. Questo è probabilmente il motivo per cui lo scrittore G. Adamov descrisse nel suo romanzo "Il segreto dei due oceani" il sottomarino Pioneer, che riceveva energia dai cavi della batteria. Questo è ciò che chiamava generatori termoelettrici realizzati sotto forma di lunghi cavi. Le loro giunzioni calde, con l'aiuto di una boa, risalivano agli strati superiori dell'oceano, dove la temperatura raggiunge i 20-25°C, e quelle fredde venivano raffreddate dall'acqua del mare profondo con una temperatura di 1-2°C. Quindi il fantastico “Pioneer” è una barca capace di dare cento punti di vantaggio alle attuali nucleari, cariche le mie batterie. È vero? Sulla stampa non si hanno notizie di esperimenti diretti di questo tipo. Tuttavia, è successo qualcosa di interessante. È stato realizzato un generatore termoelettrico da 1000 kW che genera energia dal calore delle sorgenti calde sotterranee. La differenza di temperatura tra i punti caldi e quelli freddi è di 23°C, come nell'oceano il peso specifico è di 6 kg per 1 kW - molto inferiore a quello delle centrali elettriche dei sottomarini convenzionali. Siamo sull’orlo di una nuova rivoluzione energetica, una nuova era dell’elettricità? Autore: A. Saveliev
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