Как известно, температура в верхней и нижней части морей и океанов заметно различается. Подсчёты специалистов показывают, что количество энергии в морях и океанах во много раз превышает все потребности человечества в обозримом будущем. Несложный расчёт маломощной электростанции на термопарах позволит оценить возможности использования градиента температур морской воды для получения электрической энергии с помощью термоэлементов.

Для примера и упрощения арифметических расчётов задаём небольшие по величине следующие исходные данные:

Необходимо получить на выходе напряжение 12 В при токе 1А, что соответствует выходной мощности 12 Вт.

Принимаем также, что расстояние между верхними и нижними концами термоэлементов составляют 100 м, а градиент температур между концами термопар составляет 10⁰С.

Надо выбрать материалы термопар, рассчитать необходимое количество термопар, их сечение и необходимое количество материалов для изготовления термоэлементов.

В качестве материалов для изготовления термопар термоэлементов, желательно выбирать недорогие материалы, имеющие низкое электрическое сопротивление и большое значение термо-эдс. По этим требованиям выбираем термопары, состоящие из соединения железных и никелевых проводников.

Получение термоэлектричества

Реально термо-эдс металлов сильно зависит от незначительного количества примесей и даже от способов механической и термической обработки, видимо, поэтому значение термоэдс для металлов в справочниках немного различаются. Принимаем, что термопара, состоящая из железа и никеля, при разнице температур холодного и горячего концов спая в 1⁰С даёт термоэдс α= 35 мкВ/⁰С. Тогда при заданной разнице температур в 10⁰С, значение термоэдс для железо-никелевой пары составит 0,35 мВ.

Для получения максимальной мощности термоэлектричества от источника электрической энергии необходимо согласование сопротивления источника и нагрузки. В этом режиме сопротивление нагрузки и источника энергии должны быть равны. Следовательно, при выходном напряжении 12 В и выходной мощности 12 Вт, точно такие же потери должны иметь железные и никелевые проводники. С учётом этих потерь выходное напряжение на холостом ходу (без нагрузки), должно быть в два раза большим и составлять 24 В.

По закону Ома сопротивление лампы на 12 В при токе 1А равно 12 Ом. Точно такое сопротивление выбираем и для термоэлементов из термопар. Для этого необходимо рассчитать сечение проводников термоэлементов в зависимости от материала и длины проводников.

Прежде всего, находим количество термопар из железа и никеля, которые должны совместно выдавать на холостом ходу напряжение 24 В. С учётом того что одна термопара при заданной разнице температур 10⁰С выдаёт напряжение 0,35 мВ, получаем, что общее количество должно составлять 68571термопары. Каждая термопара состоит из двух проводников, железного и никелевого по 100 м каждый. Для изготовления термобатареи, способной выдавать на холостом ходу напряжение 24 В нам необходимо 6857100 м железного провода и столько же никелевого.

Теперь необходимо рассчитать сечение каждого проводника с учётом того, чтобы общее сопротивление батареи термоэлементов составляло 12 Ом. С учётом того, что железо и никель имеют близкие электрическое сопротивление и удельный вес, для расчёта берём одинаковое общее сопротивление для железных и никелевых проводников, равное по 6 Ом.

Удельное сопротивление железа ρ = 0,1 мкОм.м = 0,0000001 Ом.м.

Удельное сопротивление никеля ρ = 0,08 мкОм.м = 0,000008 Ом.м.

Определяем площадь поперечного сечения железных проводников сопротивлением 2 Ом

S = ( ρ · L) : R = (0.0000001 · 6857100) : 2 = 0,1143 м².

Аналогично рассчитываем площадь сечения никелевых проводников сопротивлением 10 Ом. Площадь сечения никелевых проводников составит 0,09143 м².

Зная длину и сечение железных проводников, определяем объём железа, необходимого для батареи термоэлементов.

V = L · S = 6857100 м • 0,1143 м² = 783766,53 м³.

Определяем объём никелевых проводников.

V = L · S = 6857100 м • 0,09143 м² = 626944,65 м².

По справочнику находим удельный вес железа = 7800 кг/м³.

Удельный вес никеля составляет 8900 кг/м³.

Рассчитываем вес железа, необходимого для этой термобатареи, для этого количество кубометров металла умножаем на удельный вес (вес одного кубометра в килограммах).

783766,53 м³ · 7800 кг/м³ = 6 113 378 934 кг.

И никеля:

626944,65 м² · 8900 кг/м³ = 5 579 807 385 кг.

В нашем примере получается, что для того, чтобы получить выходную мощность 12 Вт, необходимо израсходовать на изготовление термоэлементов больше шести миллионов тонн железа и больше пяти с половиной миллионов тонн никеля. Как видим из результата, источник электрической альтернативной энергии с использованием градиентов температур морской воды с использованием термоэлементов, получается слишком материалоёмким для его практического использования.

Применяемые для некоторых практических целей плоские термоэлементы на основе полупроводников не смогут эффективно работать при малой разнице температур и большими расстояниями между верхними и нижними слоями воды. Внутреннее сопротивление таких термоэлементов слишком велико для этих целей. При желании количество необходимых термоэлементов также несложно посчитать.