Перед человечеством стоят серьёзные вызовы: климат выходит из равновесия, природные богатства тают на глазах, а потребность в энергии неуклонно растёт. Современная наука даёт нам альтернативу — получать энергию экологично, без вреда для атмосферы и природных ландшафтов. Этот путь уже выбирают осознанные люди, прогрессивные компании и дальновидные государства, понимающие ценность здоровой планеты [1].

В работе мы использовали солнечную энергию, которая добывается с помощью солнечного коллектора — устройства для преобразования солнечной энергии в тепловую.

История солнечных коллекторов насчитывает около двух столетий. Пионер среди них — плоский коллектор, созданный в 1767 году швейцарским учёным Горацием де Соссюром. Устройство состояло из стеклянной панели, деревянной коробки и внутреннего нагревающегося слоя. Сам изобретатель охарактеризовал его как «маленькое, дешёвое и простое» [2].

На сегодняшний день солнечные коллекторы активно применяются в Китае, Германии и США. По информации Международного энергетического агентства (IEA), к 2023 году глобальная установленная мощность солнечных коллекторов превысила 1 ТВт. Области использования включают: жилищный сектор; промышленное производство; космическую отрасль (солнечные батареи спутников) [3].

Элемент Пельтье и Эффекте Зеебека. Это термоэлектрические явления, которые возникают при наличии градиента температур в металлах и полупроводниках. Они связаны тем, что эффект Пельтье — обратный эффекту Зеебека. Эффект Зеебека и Пельтье отличаются по нескольким параметрам:

— Направление процесса : эффект Зеебека заключается в появлении электрического тока при воздействии разности температур на соединение разнородных металлов, а эффект Пельтье — в переносе энергии при прохождении электрического тока от внешнего источника в месте соединения двух разнородных проводников.

— Наличие обратного эффекта : элемент Пельтье имеет как прямой, так и обратный эффект, а элемент Зеебека — только прямой [4].

Выделение или поглощение тепла : при эффекте Пельтье на одном спае происходит выделение тепла, а на другом — поглощение. При эффекте Зеебека возникает разность потенциалов за счёт разной концентрации носителей заряда [5].

В ходе работы разработан и протестирован функциональный прототип автономного источника электроэнергии на базе солнечного коллектора, в основе которого лежит эффект Зеебека. Принцип его действия заключается в прямом преобразовании тепловой энергии (в данном случае — имитирующего солнечное излучение тепла) в электрическую посредством термоэлектрического эффекта (рисунок 1).

Рис. 1. Конструкция устройства

Принцип работы устройства

1. Источник тепла (имитатор солнечного излучения) — лампа накаливания, спектр излучения которой близок к солнечным лучам.

2. Солнечный коллектор — фанерная панель, покрытая чёрной краской для эффективного поглощения излучения.

3. Система теплопереноса — змеевик (шланг) с циркулирующей водой теплоносителем, уложенный на поверхности коллектора. Вода нагревается и переносит тепло к термоэлектрическому модулю.

4. Термоэлектрический модуль (элемент Пельтье) — ключевой преобразователь:

— «горячая» сторона получает тепло от нагретой воды;

— «холодная» сторона активно охлаждается радиатором.

5. Генерация электроэнергии — за счёт разности температур на сторонах модуля возникает постоянный электрический ток (эффект Зеебека).

Особенности прототипа. Разработанное устройство представляет собой термоэлектрический генератор (ТЭГ), где:

— плоский солнечный коллектор выполняет функцию источника тепловой энергии;

— термоэлектрический модуль (элемент Пельтье) работает в генераторном режиме, преобразуя температурный градиент в электричество.

Полученные результаты : Включив имитацию Солнца, температура под лампой через 20 минут поднялась с 24 °С до 41,2 °С. Первые результаты тока появившиеся на мультиметре после включения лампы — фальшь — Солнца показали нам 0,46 В (рисунок 2). Чтобы увеличить генерируемое напряжение, увеличена температура воды за счет замены змеевика. Толстый шланг заменили на аналог с тонкими стенками и покрасили в матово-черный цвет. Тонкая стенка — меньше теплового сопротивления, черный цвет -больше поглощенной энергии. Вода внутри подогревалась быстрее, разница температур увеличивалась и напряжение, генерируемое прототипом, достигло значений 0,65 В (показания мультиметра на рисунке 3).

Следующим этапом мы приняли решение поэкспериментировать с металлической пластиной, окрашенной в тот же черный цвет. Металл отлично проводит тепло вдоль плоскости и служит встроенным «аккумулятором» тепловой энергии. Разность температур между горячей стороной Пельтье-модуля и радиатором-охладителем выросла почти до 50 ⁰С, и показания напряжения на мультиметре достигли 0,72 В (рисунок 4).

Финальным экспериментом мы увеличили разницу температур с противоположного конца: на радиатор установили временно лед, создав максимально возможный перепад температур, мультиметр выдавал нам рекордное за все время эксперимента напряжение от 1,7 В до 2,64 В (рисунок 5). Это напряжение, которое способно зажечь светодиод без предварительного усилителя.(рисунок 5).

Если учитывать тот факт, что солнечные коллекторы обычно нагревают воду до 50–70 ⁰С в обычных условиях и до 90–95 ⁰С (иногда до кипения) в жаркие солнечные дни, вакуумные модели способны нагреть теплоноситель до 120–160 ⁰С, а концентраторы — до 250 ⁰С, то можно превращать солнечный свет в электрическую энергию с высоким значения напряжения.

Результаты генерируемого прототипом электростанции напряжения и разница температур между «теплой» и «холодной» сторонами элемента Пельтье при разных материалах приведена в таблице 1.

Таблица 1

Экспериментальные результаты

Таким образом, последовательное снижение тепловых потерь, и искусственное увеличение температурного напора, позволили повысить выходное напряжение более чем в 4 раза без изменения электрической нагрузки.

Прототип демонстрирует работоспособность концепции термоэлектрической генерации с использованием солнечного тепла — в экспериментальных условиях имитированного солнечного излучения.

Созданный прототип не просто макет, а реально работающая система, которая превращает солнечный свет в электричество. Её главное преимущество — использование дешёвых и доступных компонентов, включая обычные элементы Пельтье. Это открывает путь к массовому внедрению технологии без больших затрат.

Литература:

1. Альтернативная энергетика // Знание. URL: https://znanierussia.ru/library/article/alternativnaya-energetika-1974 / (дата обращения: 25.12.2025).)
2. Солнечная энергетика. Плюсы и минусы // ТОК Арсенал. URL: tokarsenal.ru/solnechnaya-energetika-plyusy-i-minusy / (дата обращения: 15.11.2025).
3. Ветроэнергетика // RB.RU. URL: https://rb.ru/stories/vetryaki (дата обращения: 27.11.2025).
4. Элемент Пельтье // Рувики. URL: https://ru.ruwiki.ru/assistant/01KN7HCR7Y4MC76ST9JY76YDM7 / (дата обращения: 21.12.2025).
5. Эффект Зеебека // Термоэлемент. URL: https://telemento.ru/blog/effekt-zeebeka/?sphrase_id=13375 / (дата обращения: 23.12.2025).