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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Une nouvelle ère d’énergie viendra-t-elle ? Électricité sans voitures. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Au début du siècle dernier, les inventeurs et les scientifiques étaient déjà bien conscients des avantages que pouvait apporter l’utilisation généralisée de l’électricité. Cependant, pendant longtemps, il n’a pas été possible de l’obtenir à moindre coût et en quantité suffisante. Mais en 1821, le scientifique allemand Seebeck découvrit un curieux phénomène. Si vous prenez un circuit fermé de deux conducteurs différents soudés ensemble et que vous chauffez une jonction et refroidissez l'autre, un courant apparaîtra dans le circuit. Dans cet appareil étonnamment simple (on l’appelait thermoélément), l’énergie thermique est directement convertie en énergie électrique.
Dans la cellule galvanique, connue depuis longtemps, l'énergie était obtenue en dissolvant le métal dans l'électrolyte. Ces substances sont assez chères et l’énergie n’était pas non plus bon marché. Le thermocouple est une autre affaire. En soi, il n'est pas consommé et le carburant est tout à fait accessible. De plus, ses jonctions peuvent être chauffées par n'importe quoi : le soleil, la chaleur volcanique, les produits de combustion volant à travers le tuyau de poêle, etc.
Examinons de plus près certaines de ses propriétés. Un seul thermoélément développe une petite CEM - dixièmes, centièmes de volt. Cependant, sa résistance interne est très faible, le courant généré peut donc être très élevé. Une si belle expérience est connue depuis longtemps. Un électro-aimant avec un noyau de fer et un enroulement constitué de... un tour. Mais la bobine est un support en cuivre de l’épaisseur d’un doigt fermé par un cavalier en bismuth soudé. Nous chauffons une extrémité de la jonction avec un brûleur de laboratoire ordinaire et refroidissons l'autre avec de l'eau. Un courant de milliers d'ampères apparaît et l'aimant (d'un tour !) maintient la fonte de grand-mère.
Un faible EMF n'est pas un problème : les thermoéléments se connectent facilement à une batterie avec une connexion en série de centaines ou de milliers de sources. Il ressemble à un accordéon composé de bandes alternées de deux métaux. Le courant élevé à une tension modérée de 2 à 3 volts était idéal pour une utilisation dans les petits ateliers de galvanoplastie. Il était produit par des générateurs thermoélectriques, rappelant un petit poêle brûlant du bois, du charbon ou du gaz. Ils étaient utilisés par les artisans au début du siècle. Il y a eu des tentatives pour résoudre des problèmes plus vastes. Par exemple, à la fin des années 80 du siècle dernier, à Paris, Clouet a construit un générateur thermoélectrique qui fournissait de l'énergie pour 80 « bougies » Yablochkov. Le rendement des installations de cette époque ne dépassait pas 0.3%. Cela semblerait très peu, mais toute la chaleur perdue pourrait être utilisée pour chauffer la maison, chauffer l’eau ou cuire des aliments. Des poêles chauffants avec générateurs thermoélectriques intégrés étaient également proposés. Il est curieux que leur installation n'augmente en rien la consommation de combustible pour le chauffage. Après tout, l'électricité, si elle est consommée dans la même pièce, se transformera à nouveau en chaleur ! L’Histoire en a décidé autrement. L’électricité s’est avérée beaucoup plus rentable à produire dans les centrales électriques et à distribuer de manière centralisée aux consommateurs. Même au siècle dernier, l'efficacité des centrales électriques était des dizaines de fois supérieure à celle des thermoéléments. Cependant, l'élégante simplicité et la fiabilité causée par l'absence de pièces mobiles en ont charmé plus d'un. Les tentatives visant à accroître l'efficacité sans une pénétration approfondie de la théorie n'ont pas abouti à de sérieux succès. Les CEM résultent du chauffage des branches du thermoélément, mais en même temps, un flux de chaleur parasite apparaît également, circulant inutilement de la jonction chaude vers la jonction froide. En essayant de l'utiliser, ils ont commencé à assembler des cascades de thermoéléments, dans lesquels la jonction la plus froide de l'un chauffe la jonction chaude de l'autre. La température des soudures chaudes à chaque étage de la cascade diminue. Cependant, en sélectionnant les matériaux qui fonctionnent le mieux dans une plage de températures donnée, l’efficacité de l’ensemble du système peut être considérablement augmentée. Il existe une autre possibilité. C'est ce qu'on appelle la récupération de chaleur. Dirigons le flux d'air le long de la cascade thermoélectrique de l'extrémité froide vers l'extrémité chaude. En même temps, il récupérera une partie de la chaleur des éléments qui les traverse et se réchauffera. Après cela, nous dirigerons l’air chaud dans la chambre de combustion et économiserons une partie du combustible. L'ensemble de cette procédure équivaut à réduire la conductivité thermique des matériaux des thermoéléments, et elle ne sera bénéfique que si une partie strictement définie de la chaleur est évacuée de chaque élément. Cependant, la régénération n'est perceptible que lorsque les thermoéléments eux-mêmes inclus dans la cascade sont suffisamment parfaits. Dans les années 30, les travaux théoriques dans le domaine de la thermoélectricité ont été menés de manière particulièrement intensive dans notre pays. On dit qu’il n’y a rien de plus pratique qu’une bonne théorie. L'académicien A.F. Ioffe a créé une nouvelle théorie des processus se produisant dans les solides. Certains scientifiques réputés l’ont pris avec hostilité et l’ont appelé le « subconscient de la mécanique quantique ». Mais en 1940, sur la base de ses découvertes, il fut possible d'augmenter de 10 fois l'efficacité du thermoélément. Cela est dû au remplacement des métaux par des semi-conducteurs - des substances avec un thermoEMF plus élevé et une faible conductivité thermique. Au début de la guerre, une « chaudière partisane » a été créée dans le laboratoire d'Ioffe : un générateur thermoélectrique pour alimenter les stations de radio portables. C'était un pot avec des thermocouples situés à l'extérieur du fond. Leurs joints inflammables étaient dans le feu du feu, et les froids, attachés au fond du pot, étaient refroidis par l'eau versée dedans.
Une sélection rigoureuse des matériaux et le recours à la régénération ont désormais permis d'augmenter le rendement du thermoélément à 15 %. Au début du siècle, les centrales électriques conventionnelles avaient ce rendement, mais aujourd'hui, il a plus que triplé. Il n’y a actuellement pas de place pour un thermoélément dans le secteur énergétique à grande échelle. Mais il y a aussi une petite énergie. Plusieurs dizaines de watts sont nécessaires pour alimenter une station relais radio au sommet d’une montagne ou une bouée de signalisation maritime. Il existe également des endroits éloignés où vivent des personnes qui ont besoin d’électricité et de chauffage. Dans de tels cas, des thermoéléments chauffés par du gaz ou du combustible liquide sont utilisés. Il est particulièrement intéressant que ces appareils puissent être placés dans un petit bunker souterrain et laissés complètement sans surveillance, ne réapprovisionnant en carburant qu'une fois par an ou moins souvent. En raison de la faible puissance, sa consommation à n'importe quel rendement s'avère acceptable, et d'ailleurs... il n'y a pas le choix. Les médecins ont trouvé une application intéressante aux générateurs thermoélectriques. Depuis plus de deux décennies, des milliers de personnes portent un stimulateur cardiaque implanté placé sous la peau. La source d'énergie est une minuscule batterie (de la taille d'un dé à coudre) composée de centaines de thermocouples connectés en série, chauffés par la désintégration d'un isotope inoffensif. Une opération simple pour le remplacer est effectuée tous les 5 à 10 ans. Au Japon, on produit des montres électroniques alimentées par un thermoélément provenant de la chaleur de la main. Récemment, une entreprise italienne a annoncé le début des travaux sur une voiture électrique équipée d'un générateur thermoélectrique. Cette source de courant est beaucoup plus légère que les batteries, le kilométrage d'une voiture thermoélectrique ne sera donc pas inférieur à celui d'une voiture conventionnelle. (Rappelons que les voitures électriques sont capables de parcourir 150 km avec une seule charge.) On pense que grâce à diverses astuces, la consommation de carburant peut être rendue acceptable. Les principaux avantages du nouveau type d'équipage sont des gaz d'échappement absolument inoffensifs, un mouvement silencieux, l'utilisation du carburant liquide (et éventuellement solide) le moins cher et une très grande fiabilité. Dans les années 30, les travaux sur les thermoéléments menés dans notre pays étaient largement connus. C'est probablement pourquoi l'écrivain G. Adamov a décrit dans son roman « Le secret des deux océans » le sous-marin Pioneer, qui recevait de l'énergie des câbles de batteries. C'est ce qu'il appelle des générateurs thermoélectriques réalisés sous forme de longs câbles. Leurs jonctions chaudes, à l'aide d'une bouée, sont remontées jusqu'aux couches supérieures de l'océan, où la température atteint 20-25°C, et les froides ont été refroidies par l'eau des profondeurs avec une température de 1-2°C. Donc le fantastique "Pioneer" est un bateau capable de donner une centaine de points d'avance sur les nucléaires actuels, j'ai chargé mes batteries. Est-ce réel? Il n’existe aucun rapport faisant état d’expériences directes de ce type dans la presse. Cependant, quelque chose d’intéressant s’est produit. Un générateur thermoélectrique de 1000 23 kW a été créé, générant de l'énergie à partir de la chaleur de sources chaudes souterraines. La différence de température entre les jonctions chaudes et froides est de 6°C, car dans l'océan, la densité est de 1 kg pour XNUMX kW, soit bien inférieure à celle des centrales électriques des sous-marins conventionnels. Sommes-nous à l’aube d’une nouvelle révolution énergétique, d’une nouvelle ère de l’électricité ? Auteur : A. Saveliev
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