Термоэлектрический генератор: принцип работы, применение, как сделать

Что такое термоэлектрический генератор?

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Обозначения:

1 – медный проводник.
2 – проводник из сурьмы.
3 – стрелка компаса.
А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

Варочной поверхности.
Обогревателя.
Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Особенности термоэлектрических генераторов

Что это такое?
Устройство и принцип работы
Обзор типов
Сферы применения

Теплоэлектростанции признаны в мире как наиболее дешевый вариант получения энергии. Но существует альтернатива этому способу, которая отличается экологичностью, – термоэлектрические генераторы (ТЭГ).

Что это такое?

Термоэлектрический генератор – это приспособление, задача которого заключается в превращении тепловой энергии в электричество путем применения системы термических элементов.

Понятие «тепловая» энергия в данном контексте трактуется не совсем верно, так как тепло означает лишь метод превращения данной энергии.

ТЭГ представляет собой термоэлектрическое явление, которое впервые было проиллюстрировано немецким физиком Томасом Зеебеком в 20-ых годах 19 столетия. Результат исследования Зеебека трактуется как электрическое сопротивление в цепи из двух отличающихся материалов, однако весь процесс протекает лишь в зависимости от температуры.

Устройство и принцип работы

Принцип работы термоэлектрического генератора, или, как его еще называют, теплового насоса, основывается на преобразовании энергии тепла в электрическую энергию с использованием термических элементов полупроводников, которые связываются между собой параллельно или последовательно.

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Но как же понять, как работает данная система? Все довольно-таки просто, такая концепция основана на определенном алгоритме: когда один из элементов охлаждают, а другой нагревают, то мы получаем энергию силы тока и напряжения. Главная особенность, которая выделяет из остальных именно этот метод, заключается в том, что тут могут использоваться всевозможные источники тепла, среди которых недавно отключенная плита, лампа, костер или даже чашка с только налитым чаем. Ну а охлаждающим элементом чаще всего является воздух или же обычная вода.

Как же устроены эти термические генераторы? Они состоят из специальных термических батареек, которые изготавливают из материалов проводников, и тепловых обменников разнородных температур спаев термобатарей.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Среди положительных сторон термоэлектрического модуля отмечают возможность использовать абсолютно во всех условиях, в том числе и в походах, да и к тому же легкость транспортировки. Более того, в них отсутствуют подвижные детали, которые имеют свойство быстро изнашиваться.

А к недостаткам относят далеко не низкую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (приблизительно 2–3%), а также важность еще одного источника, который обеспечит рациональный перепад температур.

Следует отметить, что ученые активно работают над перспективами усовершенствования и устранения всех погрешностей в получении энергии таким способом. Продолжаются эксперименты и исследования по разработке наиболее эффективных термических батареек, которые помогут повысить значение коэффициента полезного действия.

Однако довольно сложно определить оптимальность этих вариантов, так как они базируются исключительно на практических показателях, не имея при этом теоретического обоснования.

Учитывая все недостатки, а именно, несоответствие материалов для сплавов термобатареек, говорить о прорыве в ближайшем будущем довольно сложно.

Существует теория, что на современном этапе физиками будет использоваться технологически новый метод замены сплавов на более эффективные, в отдельности с внедрением нанотехнологий. Более того, возможен вариант использования нетрадиционных исходников. Так, в университете Калифорнии был проведен эксперимент, где термические батарейки заменили синтезированной искусственной молекулой, которая выступала как связующий материал золотых микроскопических полупроводников. Согласно проведенным опытам стало ясно, что результативность нынешних исследований покажет лишь время.

Обзор типов

В зависимости от методов получения электроэнергии, источников тепла, а также от разновидностей задействованных структурных элементов все термоэлектрические генераторы бывают на нескольких видов.

Топливные. Получают тепло от сжигания топлива, который представляет собой уголь, природный газ и нефть, а также тепло, полученное путем сгорания пиротехнических групп (шашек).

Атомные термоэлектрические генераторы, в которых источником выступает тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), зачастую здесь термический насос — вторая и третья ступени превращения.

Солнечные генераторы формируют тепло от солнечных коммуникаторов, которые известны нам в повседневной жизни (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Утилизационные генерируют тепло из всевозможных источников, в результате чего выделяется отходное тепло (выбросные и топочные газы и прочее).

Радиоизотопные получают тепло путем распада и расщепления изотопов, данный процесс характеризуется неконтролируемостью самого расщепления, и результатом выступает момент полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы базируются на перепаде температур без каких-либо вмешательств извне: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оснащенным оборудованием, промышленным трубопроводом и т. д.) с использованием исходного отправного тока. Приведенный тип теплоэлектрического генератора был использован с утилизацией полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для превращения в тепловую энергию согласно закону Джоуля-Ленца.

Сферы применения

Из-за низкого коэффициента полезного действия термоэлектрические генераторы широко используются там, где отсутствуют какие-либо другие варианты источников энергии, а также во время процессов со значительной нехваткой тепла.

Дровяные печи с электрогенератором

Данное устройство характеризуется наличием эмалированной поверхности, источника электроэнергии, в том числе и обогревателя. Мощности такого приспособления может хватить для того, чтобы зарядить мобильное устройство или же другие девайсы с помощью гнезда прикуривателей для автомобилей. Исходя из параметров, можно сделать вывод, что генератор способен работать без обычных условий, а именно, без наличия газа, отопительной системы и электричества.

Термоэлектрические генераторы промышленного производства

Фирмой BioLite была представлена новая модель для походов – портативная печка, которая позволит не только разогреть еду, но и зарядить ваше мобильное устройство. Все это возможно благодаря встроенному в это приспособление термоэлектрическому генератору.

Данное устройство отлично вам послужит в походах, на рыбалке или же в любом месте, отдаленном от всех условий современной цивилизации. Работа генератора BioLite характеризуется сжиганием топлива, которое последовательно по стенкам передается и вырабатывает электричество. Получаемая электроэнергия позволит зарядить телефон или же подсветить светодиод.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

В них источником энергии выступает тепло, которое образуется в результате расщепления микроэлементов. Они нуждаются в постоянном снабжении топливом, поэтому имеют превосходство над другими генераторами. Однако их существенный недостаток заключается в том, что при работе необходимо соблюдать правила безопасности, так как имеет место излучение ионизированными материалами.

Несмотря на то что запуск таких генераторов может быть опасен, в том числе и для экологической ситуации, их использование довольно распространено. Например, их утилизация возможна не только на Земле, но и в космосе. Известно, что радиоизотопные генераторы применяются для заряда навигационных систем, чаще всего в местах, где отсутствуют системы связи.

Термические микроэлементы

Термобатарейки выступают как преобразователи, а также их конструкцию составляют электроизмерительные приборы, калиброванные в Цельсиях. Погрешность в таких приборах обычно приравнивается к 0,01 градусам. Но необходимо отметить, что данные устройства разработаны для использования в диапазоне от минимальной черты абсолютного нуля и до 2000 градусов по Цельсию.

Термические электрогенераторы в последнее время получили широкую популярность при работе в труднодоступных местах, которые полностью лишены систем связи. К этим локациям относится и Космос, где данные устройства все чаще используются в виде альтернативных источников электропитания на борту космических средств.

В связи с развитием научно-технического прогресса, а также углубленными исследованиями в физике получает популярность применение термоэлектрических генераторов в транспортных средствах для восстановления энергии тепла, чтобы переработать вещества, которые извлекают из вытяжных систем автомобилей.

В следующем видео представлен обзор современного термогенератора электричества для похода BioLite energy everywhere.

Термоэлектрические генераторы: радиоизотопные и другие. Принцип работы генераторов энергии промышленного применения. Их устройство

Радиоизотопные источники энергии — устройства использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
(radioisotope thermoelectric generator (RTG, RITEG)

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) преобразует тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов, в электроэнергию.
РИТЭГ состоят из двух основных элементов: источника тепла, который содержит радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, которые преобразуют тепловую энергию распада плутония в электричество. Термопары в РИТЭГе используют тепло от распада радиоактивного изотопа для нагрева горячей стороны термопары и холода пространства или планетарной атмосферы для получения низкой температуры на холодной стороне.
По сравнению с ядерными реакторами РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика (до нескольких сотен ватт) и небольшой КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.
В усовершенствованном типе РИТЭГа − The Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), который стал применяться в последнее время, был изменен состав термопары. Вместо SiGe в MMRTG для термопар применяется PbTe/TAGS (Te, Ag, Ge, Sb).
MMRTG предназначен для производства 125 Вт электроэнергии в начале миссии, с падением до 100 Вт после 14 лет. При массе 45 кг MMRTG обеспечивает около 2.8 Вт/кг электроэнергии в начале жизни. Конструкция MMRTG способна работать как в вакууме космического пространства, так и в планетарных атмосферах, например, на поверхности Марса. MMRTG обеспечивает высокую степень безопасности, минимизацию веса оптимизацию уровней мощности в течение минимального срока службы в 14 лет.
NASA также работает над новой технологией RTG, называемой Advanced Stirling Radioisotope Generator ASRG (Радиоизотопный генератор Стирлинга). ASRG, как и MMRTG, преобразует тепло распада плутония-238 в электричество, но не использует термопары. Вместо этого тепло распада заставляет газ расширяться и осциллировать поршень, подобно двигателю автомобиля. Это перемещает магнит назад и вперед через катушку более 100 раз в секунду, генерируя электричество для космического корабля. Количество вырабатываемой электроэнергии больше, чем у MMRTG, примерно на 130 ватт, с гораздо меньшим количеством плутония-238 (примерно на 3.6 кг меньше). Это результат более эффективного преобразования цикла Стирлинга. Если для миссии требуется больше энергии, можно использовать несколько ASRG, чтобы генерировать больше энергии. На сегодняшний день нет запланированных миссий, которые будут использовать ASRG, но они разрабатываются для 14-летней миссии.
Существует концепция подкритических РИТЭГ. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества с как можно большей критической массой. Нейтроны источника захватываются атомами делящегося вещества и вызывают их деление. Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать. Наилучшим примером изотопа с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других изотопов, является уран-232. Основное преимущество такого генератора в том что энергия распада реакции с захватом нейтрона может быть гораздо выше энергии спонтанного деления. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчете на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Требования к характеристикам радиоизотопов, использующихся в РИТЭГах, к сожалению часто противоречивы. Для того, чтобы достаточно долго поддерживать мощность для выполнения задачи период полураспада радиоизотопа должен быть достаточно велик. С другой стороны, у него должна быть достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. А это означает, что период полураспада у него не должен быть слишком мал, ибо удельная активность обратно пропорциональна периоду распада.
У радиоизотопа должен быть удобный для утилизации вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение и нейтроны достаточно легко покидают конструкцию, унося заметную часть энергии распада. Высокоэнергетичные электроны β-распада хотя и неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. Кроме того, гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала (если он присутствует) и близкорасположенной аппаратуры.
Предпочтительным для радиоизотопной генерации энергии является альфа-излучение.
Не последнюю роль в выборе радиоизотопа является его относительная дешевизна и простота его получения.
Типичные периоды полураспада для радиоизотопов, используемых в РИТЭГ, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с более короткими периодами полураспада могут использоваться для специализированных применений.

Маломощные и малогабаритные радиоизотопные источники питания

Бета-вольтаические источники питания
(Betavoltaic power sources)

Рис. 1. Схема бетавольтаического источника питания

Также существуют нетермические генераторы, похожие по принципу работы на солнечные батареи. Это бета-гальванические* и оптико-электрические источники. Они малогабаритны и предназначены для питания устройств, не требующих больших мощностей.
В бета-вольтаическом источнике питания изотопный источник испускает бета-частицы, которые собираются на полупроводнике. В результате генерируется постоянный ток. Процесс преобразования энергии, который аналогичен процессу фотогальванической (солнечной) ячейки, происходит эффективно даже в экстремальных условиях окружающей среды. Выбирая количество и тип изотопа, можно создать настраиваемый источник питания с заданным выходом и временем жизни. Такие батареи практически не дают гамма-лучей, а мягкое бета-излучение задерживается корпусом батарей и слоем фосфора. Бета-вольтаические источники обладают высокой плотностью энергии и сверхнизкой мощностью. Это позволяет бета вольтаическому устройству функционировать дольше, чем конденсаторам или батареям для маломощных устройств. Длительность работы, например бета-вольтаического источника на оксиде прометия примерно два с половиной года, а 5 мг оксида прометия дают энергию в 8 Вт. срок службы бета-вольтаических источников может превышать 25 лет.

* Бета-вольтаический эффект. Работа бета-вольтаического преобразователя основана на том, что излученные при распаде электроны или позитроны высоких энергий, попадая в область
p-n перехода полупроводниковой пластины, генерируют там электронно-дырочную пару, которая затем пространственно разделяется областью пространственного заряда (ОПЗ). Вследствие этого на n и p-поверхностях полупроводниковой пластины возникает разность электрических потенциалов. Принципиально механизм преобразования напоминает тот, который реализован в полупроводниковых солнечных батареях, но с заменой фотонного облучения на облучение электронами или позитронами бета-распада радионуклидов.

Пьезоэлектрический радиоизотопный микроэлектрогенератор
(The Radioisotope Thin-film Mkropower Generator)

Рис. 2. Принцип работы пьезоэлектрического радиоизотопного микроэлектрогенератора.
1) Накопление отрицательного заряда на нижнем электроде кантилевера, 2) деформация кантилевера и и нейтрализация заряда, 3) циклические колебания кантилевера приводят к возникновению переменного напряжения на электродах пьезокантилевера.

Сердце этого элемента питания — кантилевер, тонкая пластина из пьезокристаллического. Коллектор на кончике кантилевера захватывает заряженные частицы, испускаемые из тонкопленочного радиоактивного источника. За счет сохранения заряда, радиоизотопная пленка остается с равными и противоположными зарядами. Это приводит к электростатическим силам между кантилевером и радиоактивным источником, изгибу кантилевера и преобразованию излучаемой источником энергии в запасенную механическую энергию. Кантилевер все больше изгибается и наконец кончик кантилевера вступает в контакт с радиоактивной тонкой пленкой, а накопленные заряды нейтрализуются посредством переноса заряда. Это происходит периодически. При подавлении электростатической силы кантилевер высвобождается. Внезапное высвобождение возбуждает колебания, которые приводят к зарядам, индуцированным в пьезоэлектрическом элементе у основания кантилевера. Сигнал переменного тока от пьезоэлектрического источника питания можно использовать непосредственно через импеданс нагрузки или выпрямлять с помощью диодов и фильтровать через внешний конденсатор. Поднятое таким образом напряжение смещения используется для управления маломощными датчиками и электроникой.

Основная область применения изотопных источников – космические исследования. Изучение «глубокого космоса» без использования радиоизотопных генераторов невозможно, так как при значительном удалении от Солнца уровень солнечной энергии, который можно было бы использовать для производства электричества, необходимого для функционирования аппаратуры и передачи радиосигналов, очень мал. Химические источники также не оправдали себя.
На Земле радиоизотопные источники нашли применение в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам не было возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР выпускались термоэлектрические генераторы нескольких видов. В качестве радиоактивных изотопов в них использовались 90 Sr и 238 Pu. Однако у них очень большой период достижения безопасной активности. Они выработали свой срок службы, составляющий 10 лет, и в настоящее время должны быть утилизированы. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых радиоизотопных источников в малодоступных местах прекратили.
Радиоизотопные источники энергии применяются там, где необходимо обеспечить автономность работы оборудования, компактность, надёжность.

Читайте также:

Этапы разметки фундамента

Радиоизотопы и их использование

С развитием и ростом ядерной энергетики цены на важнейшие генераторные изотопы быстро падают, а производство изотопов быстро возрастает. В то же время стоимость изотопов, получаемых облучением (U-232, Pu-238, Po-210, Cm-242 и др.), снижается незначительно. В связи с чем изыскиваются способы более рациональных схем облучения мишеней, более тщательной переработки облучённого топлива. Большие надежды на расширение производства синтетических изотопов связаны с ростом сектора реакторов на быстрых нейтронах. В частности, именно реакторы на быстрых нейтронах с использованием значительных количеств тория позволяют надеяться на получение больших промышленных количеств урана-232.
При использовании изотопов во многом разрешается проблема утилизации отработанного ядерного топлива, и радиоактивные отходы из опасного мусора превращаются не только в дополнительный источник энергии, но и в источник значительного дохода. Практически полная переработка облучённого топлива способна приносить денежные средства, сопоставимые со стоимостью энергии, выработанной при делении ядер урана, плутония и других элементов.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Кроме них их в технологии и медицине используют еще около 30 радиоактивных изотопов.

238 Pu У 238 Pu период полураспада 87.7 года (потеря мощности 0.78 % в год), удельная мощность для чистого изотопа 0.568 Вт/г и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного излучения. 238 Pu имеет самые низкие требования к экранированию. Требуется менее 25 мм свинцового экранирования для блокирования излучения 238 Pu. 238 Pu стал наиболее широко используемым топливом для РИТЭГов, в форме оксида плутония (PuO₂).
В середине прошлого века 236 Pu и 238 Pu применялись для изготовления радиоизотопных электрических батареек для питания кардиостимуляторов срок службы которых достигал 5 и более лет. Однако вскоре вместо них стали применять нерадиоактивные литиевые батарейки, срок службы которых доходит до 17 лет.
238 Pu должен быть специально синтезирован; его мало (

1% – 2%) в ядерных отходах, изотопное его выделение затруднительно. Чистый 238 Pu может быть получен, например, с помощью облучения нейтронами 237 Np.
Кюрий. Два изотопа 242 Cm и 244 Cm являются альфа-излучателями (энергия 6 МэВ); Они имеют относительно короткие периоды полураспада 162.8 дней и 18.1 года и производят до 120 Вт/г и
2.83 Вт/г тепловой энергии соответственно. Кюрий-242 в виде окиси применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных источников энергии. Однако 242 Cm очень дорог (около 2000 долларов США за грамм). В последнее время все большую популярность приобретает более тяжелый изотоп кюрия − 244 Cm. Так как оба эти изотопы практически чистые альфа-излучатели, проблема радиационной защиты остро не стоит.
90 Sr. 90 Sr β-излучатель с незначительной γ-эмиссией. Его период полураспада в 28.8 лет намного короче, чем у 238 Pu, Цепочка из двух β-распадов ( 90 Sr → 90 Y→ 90 Zr) дает суммарную энергию 2.8 МэВ (один грамм дает

0.46 Вт). Поскольку выход энергии ниже, он достигает более низких температур, чем 238 Pu, что приводит к снижению эффективности термоэлектрического преобразования. 90 Sr – продукт деления ядер и доступен в больших количествах по низкой цене. Стронций является источником ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите.
210 Po. 210 Po имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 142 Вт/г. Это практический чистый альфа-излучатель. Из-за малого периода полураспада 210 Po плохо подходит для РИТЭГов, а используется для создания мощных и компактных источников тепла (Половина грамма полония может нагреться до 500 °C). Стандартные источники с тепловой мощностью 10 Вт были установлены в космических аппаратах типа «Космос» и на «Луноходах» в качестве источника тепла для поддержания нормального функционирования аппаратуры в приборном отсеке.
210 Po также широко используется там, где нужна активная антистатика. Из-за малого периода полураспада утилизация отработанных устройств с 210 Po не требует никаких особых мер. В США допустимо выбрасывать их на помойку общего назначения.
При использовании альфа-активных изотопов с большим удельным энерговыделением часто необходимо разбавить рабочий изотоп для уменьшения тепловыделения. Кроме того, полоний весьма летуч, и требуется создание прочного химического соединения с каким-либо элементом. В качестве таких элементов предпочтительны свинец, иттрий, золото, так как они образуют тугоплавкие и прочные полониды.
241 Am. В связи с дефицитом 238 Pu, альтернативой ему в качестве топлива для РИТЭГов может стать 241 Am. У 241 Am период полураспада 432 года. Он практически чистый альфа-излучатель. 241 Am находится в ядерных отходах и почти изотопически чист. Однако удельная мощность 241 Am составляет только 1/4 от удельной мощности 238 Pu. Кроме того от продуктов распада 241 Am исходит более проникающее излучение и необходимо лучшее экранирование. Впрочем, требования к экранированию излучения для 241 Am не намного более строги чем в случае с 238 Pu.
241 Am широко используется в детекторах дыма. В ионизационном детекторе дыма используется крошечный кусочек америция-241. Заполненное воздухом пространство между двумя электродами создает камеру, которая позволяет течению небольшого постоянного тока между электродами. Если дым или тепло поступают в камеру, электрический ток между электродами прерывается и срабатывает сигнал тревоги. Эта дымовая сигнализация является менее дорогостоящей, чем другие устройства.
63 Ni. 63 Ni чистый β − -излучатель. Максимальная энергия электронов 67 кэВ, период полураспада 100.1 л. В начале двухтысячных годов в США и России были разработаны элементы питания, основой которых является 63 Ni. Срок работы устройств более 50 лет, а размеры меньше одного кубического миллиметра. Для получения электроэнергии используется бета-вольтаический эффект. Также ведутся работы по созданию пьезоэлектрического радиоизотопного генератра. Подобные батареи могут быть использованы в нейро- и кардиостимуляторах.
144 Ce. Источник тепла – 144 Ce. 144 Ce чистый β − -излучатель. Период полураспада 144 Ce 285 суток, Удельная мощность для чистого изотопа 2.6 Вт/г. РИТЭГ предназначается для питания радиопередатчиков и автоматических метеостанций. Стандартная мощность 200 Вт.
Радиоизотопы широко применяются в смеси с фосфором для обеспечения постоянного свечения в контрольных приборах на борту транспортных средств, в часах, фонарях на полярных аэродромах и в навигационных знаках и даже в ёлочных игрушках. Раньше чаще всего для этого применялся 226 Ra, период полураспада которого 1620 лет. Однако из соображений радиационной безопасности после 1970-х годов радий в этих целях не используется. В наши дни для этих целей чаще всего используют мягкими бета излучателями: прометием ( 147 Pm Т_1/2 = 2.64 года), криптоном ( 85 Kr Т_1/2 = 10.8 лет) и тритием ( 3 H Т_1/2 = 12.3 года). Конечно, периоды их полураспада маловаты, зато их ионизирующее излучение не проникает за оболочки устройств.

Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения

К неоспоримым достоинствам термоэлектрического прямого преобразования тепловой энергии в электрическую следует отнести отсутствие промежуточного звена, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Также термоэлектрические генераторы (ТЭГ) обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность.

Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.) Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отводимой) тепловой энергии на промышленных объектах и оборудовании выделяется при температуре поверхностей до +300 °С.

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно в принципе.

Сферы применений ТЭГ крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем до бытовых генераторных устройств, например в составе дровяной топочно-варочной печи, камина и котла.

Приведем несколько примеров практического применения ТЭГ:

использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;
автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;
источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;
автономное обеспечение энергией электронных блоков и насосов водяных котлов и мусоросжигательных установок;
преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;
обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи;
обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);
получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.

Термоэлектрические генераторы промышленного применения

В качестве источника тепла для современных промышленных ТЭГ чаще всего применяют тепловую энергию, выделяемую при сжигании природного газа. Также используется тепловая энергия, отводимая от двигателей внутреннего сгорания, тепловая энергия пара, другие доступные источники тепла на промышленных объектах. Выходная мощность генераторов определяется типом и числом термоэлектрических модулей, входящих в состав генератора, а также конструкцией радиаторов. Линейка выпускаемых компанией «Криотерм» ТЭГ промышленного назначения обеспечивает возможность получения электрической мощности от 2 до 200 Вт от одного генератора. Следует отметить, что производитель указывает выходную мощность для наихудших условий эксплуатации и среднестатистически можно ожидать результаты, превосходящие гарантированные в полтора раза и более. При выполнении условий согласования можно суммировать вырабатываемую мощность от нескольких генераторов.

В упрощенном виде термоэлектрический генератор можно представить в виде металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающим среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур (рис. 1). Вся конструкция должна сжиматься с усилием, обеспечивающим надежную передачу тепла от источника в окружающую среду с одной стороны и не допускающей превышения допустимого усилия при тепловом расширении конструкции.

Рис. 1. Базовая конструкция термоэлектрического генератора

На рисунке видно, что сжатие обеспечивается с помощью резьбовых соединений и рессорной пружины. Пружины могут быть также иной конструкции, например витой или дисковой. Целью конструкции является обеспечение равномерности усилия сжатия в заданном интервале температур. Благодаря своей простоте базовая конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет).

Примеры термоэлектрических генераторов промышленного применения

Универсальный термоэлектрический генератор Б4-М

Универсальный генератор Б4-М позволяет получать напряжение питания 12 В при установке на вертикальные горячие поверхности с температурой +250 °С и обеспечивающие мощность теплового потока через генератор 300 Вт. Генератор обеспечивает непрерывную круглосуточную работу без постоянного наблюдения за его функционированием. Степень защиты ТЭГ Б4-М от прикосновения к токоведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости — IP35 по ГОСТ 14254-96. Генератор предназначен для работы в помещении и на открытом воздухе при любой погоде. Генератор снабжен бронерукавом, служащим защитой проводов выходного напряжения от механических повреждений и перегрева (рис. 2). На бронерукаве также установлен разъем выходного напряжения.

Рис. 2. Внешний вид и состав ТЭГ Б4-М (1 — рабочая поверхность; 2 — кожух; 3 — отверстия для крепежа; 4 — ребра радиатора; 5 — разъем подключения переходного устройства

В реальных условиях эксплуатации в силу ряда факторов достаточно сложно обеспечить постоянную температуру источника тепла. В этой связи для защиты от перегрева и повышения надежности генератор имеет встроенную тепловую защиту, предотвращающую выход из строя генератора при нагреве установочной поверхности до +300 °С. Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М приведены в таблице 1.

В процессе проектирования систем с применением термоэлектричесих генераторов возникает вопрос: какими будут выходные параметры генератора при температурах ниже номинальной? На рис. 3 приведена зависимость выходной мощности генератора Б4-М на согласованной нагрузке от температуры источника тепла. На графике видна область срабатывания тепловой защиты после роста температуры источника тепла свыше +260 °С, при котором происходит уменьшение теплового потока через термоэлектрический модуль и, как следствие, снижение вырабатываемой электрической мощности. Испытания производились при комнатной температуре, в условиях естественной конвекции. Для нормальной работы ТЭГ Б4-М необходимо охлаждение радиатора, поэтому важно обеспечить свободное прохождение воздуха вдоль его ребер. Эксплуатация генератора на открытом воздухе, как правило, дает лучшие результаты за счет присутствия дополнительного естественного обдува радиатора, при этом защищать генератор от дождя и снега необходимости нет, так как попадание влаги на радиатор дополнительно охлаждает его и, соответственно, увеличивает вырабатываемую мощность устройства. Для питания электронных устройств рекомендуется применять соответствующий стабилизатор напряжения.

Рис. 3. Типовые результаты испытаний генератора Б4-М

Термоэлектрический генератор ТЭГ-5

Модернизация инфраструктуры промышленных предприятий и внедрение современных систем энергоучета зачастую ограничены отсутствием электрического питания в местах установки различных приборов телеметрии и передачи данных. При этом во многих случаях в наличии есть паропровод. Для получения источника электрической энергии от тепловой энергии пара служит термоэлектрический генератор ТЭГ-5 (рис. 4), устанавливаемый на паропроводах промышленных объектов и имеющий выходную мощность 5 Вт, гарантированную производителем для самых неблагоприятных сочетаний условий эксплуатации. Основные технические характеристики приведены в таблице 2.

Рис. 4. Генератор ТЭГ-5: сверху габаритные размеры; внизу внешний вид

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15

Термоэлектрический генератор на газовом топливе ТЭГ-15 (рис. 5) предназначен для получения электрической энергии для питания аппаратуры учета расхода газа путем преобразования тепловой энергии сжигания газового топлива в электрическую. Генератор успешно эксплуатируется на газораспределительных пунктах и обеспечивает автономное питание систем сбора и передачи информации, независимое от внешних источников электрической энергии.

Рис. 5. Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительных пунктах

Применение термоэлектрических генераторов на газовом топливе позволяет снизить затраты, исключив необходимость подключения к линиям электроснабжения пунктов размещения измерительной и передающей аппаратуры. Генераторы снабжены аккумуляторными батареями и устройством контроля заряда и работы устройства. Как указано в таблице 3, номинальная мощность генератора составляет 15 Вт. Этой мощности достаточно для питания современных электронных приборов учета расхода и параметров газа. В случае необходимости получения большей мощности или резервирования генераторы могут каскадироваться.

Термоэлектрический генератор ГТГ-200

ГТГ-200 (рис. 6) является автономным источником электроэнергии, работающим на природном газе, пропане или пропан-бутановой смеси. Применяется для комплектации автономных источников питания (АИП) мощностью 200–2000 Вт.

Рис. 6. Устройство термоэлектрического генератора ГТГ-200

Высокая вырабатываемая генератором мощность определяется применением в нем среднетемпературных термоэлектрических генераторных модулей серии Mars, обеспечивающих выходную мощность до 45 Вт (базовый вариант 40 Вт) и предназначенных для применения совместно с источником тепла с температурой +530 °С и мощностью теплового потока 650 Вт. Основные параметры этого генераторного модуля приведены в таблице 4, внешний вид на рис. 7, нагрузочная характеристика на рис. 8.

Рис. 7. Среднетемпературный генераторный модуль серии Mars

Гарантийный срок эксплуатации генераторного модуля серии Mars составляет 10 лет.

Рис. 8. Типовая вольт-амперная характеристика генераторного модуля Mars

Генераторы термоэлектрические ГТГ-200 применяются в качестве необслуживаемых автономных источников электроэнергии постоянного тока и тепла в составе независимых автономных источников энергопитания для станций катодной защиты газопроводов от коррозии, питания изолированных от стационарного электроснабжения узлов учета, питания средств автоматики, телемеханики и технологической связи магистральных газопроводов. Генераторы работают на природном или сжиженном газе. Для управления работой термоэлектрического генератора ГТГ-200 в составе автономного источника питания применяется блок стабилизации напряжения и управления, предназначенный для:

стабилизации и ограничения зарядного напряжения аккумуляторных батарей;
включения и отключения электромагнитного клапана подачи газа в генератор;
подачи напряжения на высоковольтный блок для электроискрового «поджига» газовой горелки генератора;
контроля вырабатываемой генератором мощности;
обеспечения параллельной работы нескольких генераторов.

Условия эксплуатации генератора ГТГ-200:

климатическое исполнение О;
категория размещения 2 по ГОСТ 15150-69;
температура окружающего воздуха –50…+50 °С;
относительная влажность воздуха до 98%.

Основные параметры прибора приведены в таблице 5, а внешний вид с воздуховодом и газоотводящей трубой — на рис. 9.

Рис. 9. Внешний вид генератора ГТГ-200

Заключение

Рассмотренные термоэлектрические генераторы промышленного назначения были разработаны для решения задач альтернативного электрического питания различных приборов и устройств. В процессе разработки и испытаний на объектах были учтены особенности эксплуатации, пожелания заказчиков. Применение современных узлов и компонентов, в первую очередь высокоэффективных термоэлектрических генераторных модулей компании «Криотерм», позволило обеспечить высокую надежность серийно выпускаемых термоэлектрических генераторов промышленного применения.

Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение

Тепловая энергия и электрическая энергия – разные виды энергии, и мысль о преобразовании одного вида в другой напрашивается само собой (Термогенераторы). Электрическую энергию превратить в тепловую легко – это делает любая электроплитка, а иногда подобное преобразование является побочным и невыгодным для нас, как, например, в электролампочке накаливания.

Но существует и возможность получения электрической энергии непосредственно от источника тепла посредством устройств, называемых термогенераторы или термоэлектрогенераторы (ТЭГ), составляются из отдельных термоэлементов.

Устройство и принцип действия термоэлементов

Принцип действия термоэлементов основан на эффекте, открытом немецким физиком Зеебеком в 1821 году. Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи из двух соединенных разнородных проводников возникает электродвижущая сила (ЭДС) постоянного тока, если место спая проводников и свободные (неспаянные) концы проводников поддерживаются при разных температурах.

Разнородными проводниками могут служить разные металлы либо полупроводники с разными типами проводимости (n-типа и p-типа). Суть эффекта в том, что энергия свободных электронов (как и энергия молекул любого газа), зависит от температуры – чем выше температура, тем выше энергия. При контакте двух проводников электроны перемещаются от проводника с электронами более высокой энергии к проводнику с электронами менее высокой энергии. Если такое устройство из двух проводников замкнуть на внешнюю нагрузку, в ней возникнет электрический ток, стремящийся выровнять энергию электронов в проводниках, чему можно воспрепятствовать постоянным подводом тепла к нагретому спаю и удержанием низкой температуры холодных свободных концов.

Особенности термоэлементов

Величина ЭДС термоэлемента (термоэдс) определяется по формуле E = a (T1 — T2), где а – коэффициент термоэдс (называемый еще коэффициентом Зеебека, удельной термоэдс или термосилой), зависящий от материала проводников, составляющих термоэлемент. А T1 и T2 соответственно температура горячего и холодного концов термоэлемента. Поскольку a – это значение ЭДС термоэлемента при разнице температур в 1 °С (или 1 кельвин, обозначаемый К, и равный одному градусу Цельсия), то и выражается a в микровольтах на градус или кельвин (мкВ/К).

Сложность в том, что коэффициент термоэдс зависит от материала проводников термоэлемента, и, если мы имеем 10 материалов, из которых составляются термоэлементы в любых сочетаниях, они попарно дадут 90 значений a. Но ситуация облегчается тем, что значения коэффициентов термоэдс аддитивны, их можно складывать – если известны термоэдс двух материалом в паре с опорным материалом, то термоэдс пары материалов будет равна сумме термоэдс каждого из материалов в паре с опорным материалом.

Если взять один из металлов, например платину, за основу (опорный материал), и определять коэффициенты интересующих нас металлов относительно платины. То коэффициенты для всех прочих пар металлов определяются алгебраическим сложением (со знаком) коэффициентов составляющих пару металлов относительно платины (при этом сама платина в составе термоэлемента может отсутствовать).

Значение a несколько зависит от температурного диапазона и даже может менять знак в разных температурных диапазонах, оно также чувствительно к микроскопическим количествам примесей и к ориентации кристаллов в проводнике.

Поскольку разница температур в термобатареях обычно составляет сотни градусов, проще определить термоэдс относительно платины при нагреве одного конца термоэлемента до 100 °С, при поддержании нулевой температуры другого конца.

Подсчитаем термоэдс для пары с наибольшей термоэдс сурьма-висмут: 4,7-(-6,5) = 11,2 (мВ). Для пары железо-алюминий термоэдс составит всего 1,6 — 0,4 = 1,2 (мВ), почти в 10 раз меньше. Не следует забывать, что эту ЭДС термоэлемент развивает при разности температур в 100 °С с пропорциональным изменением при иной разности температур.

ЭДС термоэлементов из металлических проводников лежит в пределах 5-60 мкВ/К. Наибольшую термоэдс дает контакт двух полупроводников, при нагреве горячих спаев до 300-400 °С можно получить термоэдс до 0,3В на один термоэлемент.

История создания

Первоначально термоэлементы использовались в измерительных приборах и датчиках температуры (термопарах), в последующем из них стали создавать термогенераторы, собирая термобатареи из термоэлементов. В термобатареях термоэлементы для повышения вырабатываемых напряжения и мощности соединяются параллельно-последовательно.

Первую термоэлектрическую батарею создали в 1823 году века датские физики Эрстед и Фурье с термоэлементами из сурьмы и висмута, разница температур создавалась газовой горелкой. Термобатареи создавались и в последующие годы, но практического применения не находили, поскольку имели низкий коэффициент полезного действия (КПД), составлявший при электродах из чистых металлов менее процента. Для поднятия КПД следовало применять в качестве электродов полупроводниковые материалы – окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Советский академик А.И. Иоффе в начале 1930-х годов предложил превращать световую и тепловую энергию в электричество посредством полупроводников. В годы войны «партизанский котелок» на основе термобатареи из константана и сурьмянистого цинка позволял вырабатывать электроэнергию, мощности которой хватало для питания портативной радиостанции. Горячие спаи термобатареи нагревались пламенем костра, холодные находились в котелке с водой, что поддерживало разницу температур до 300 °С, при этом КПД доходил до 2%.

В 50-е годы в СССР выпускались термогенераторы для питания радиоприемников в неэлектрофицированных местностях. Горячие спаи термобатареи нагревались обычной керосиновой лампой, применявшейся для освещения, холодные спаи охлаждались воздушным радиатором с металлическими ребрами.

Одна секция подобной батареи вырабатывала напряжение 1,2 В для питания цепей накала электронных ламп радиоприемников, другая – напряжение 2 В для питания вибропреобразователя, вырабатывающего анодное напряжение. Общая мощность термобатареи составляла 4,6 Вт, вырабатываемой энергии хватало для питания распространенных в то время бытовых радиоприемников. Подобный генератор работал практически бесплатно, не боялся работы вхолостую и короткого замыкания, срок службы не ограничивался.

Применение термоэлементов и термогенераторов

Термоэлемент, используемый для измерения температуры, принято называть термопарой. Термоэлектрические термометры состоят из термопары в качестве датчика и электроизмерительного прибора (милливольтметра), градуированного в °С. Точность определения температуры термопарами доходит до 0,01 °С. Работают они в диапазонах от нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273 °С) до 2500 °С.

Термогенераторы вырабатывают электроэнергию посредством:

Сжиганием топлива и пиротехнических составов.
Радиоактивным распадом изотопов.
Работой атомного реактора.
Концентрацией солнечного света солнечным коллектором (зеркалом, линзой, тепловой трубой).
Съемом с выхлопных и печных труб.

Термоэлектрогенераторы собираются из термобатарей, набранных из полупроводниковых термоэлементов. Термогенераторы различаются низко-, средне- и высокотемпературные с работой соответственно в диапазоне температур 20-300, 300-600 и 600-1000 °С.

В ТЭГ осуществляется прямое преобразование энергии с исходной тепловой энергией, и их КПД. При выработке электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно с работой в том же интервале температур. Из этого следует, что высокотемпературные термогенераторы потенциально обладают более высоким КПД.

К полупроводниковому материалу, пригодному для создания термогенераторов, предъявляются требования по высокому КПД, технологичности, низкой стоимости, высокому коэффициенту термоэдс, нетоксичности, возможности работы в широком температурном диапазоне. Материал термоэлементов – это обычно твердые растворы германий-кремний. КПД лучших ТЭГ составляет 15%, при мощности до нескольких сотен кВт. Иногда КПД самых совершенных термоэлектрогенераторов доходит до десятков процентов.

Термоэлектрогенераторы широко применяются в качестве бортовых источников питания на космических аппаратах, предназначенных для исследования дальнего космоса, где солнечные батареи неэффективны. Такие генераторы обычно используют тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде плутония.

Используются термоэлектрогенераторы на автомобилях для полезного использования тепла выхлопной системы, на автоматических маяках, навигационных буях, метеостанциях, активных ретрансляторах.

Преимущества и недостатки термогенераторов

Преимущества ТЭГ:

Отсутствие движущихся частей.
Высокая надежность.
Большой (до 25 лет) срок службы.
Работа в широком диапазоне температур.
Автономность.

Недостатки ТЭГ:

Низкий КПД.
Сравнительно высокая стоимость.

Недостатки термоэлектрогенераторов преодолеваются по мере совершенствования технологий. Применения материалов с более совершенными характеристиками и их удешевления.

Огород-365

Главная
КАЛЕНДАРЬ ДАЧНИКА
_КАЛЕНДАРИ
ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ДЕЛА
_ПОСАДКА И ПОСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
_
_
_ПОЛЕЗНЫЕ РЕЦЕПТЫ
_ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ
_МЕРОПРИЯТИЯ И СОБЫТИЯ
_
_БОЛЕЗНИ И ВРЕДИТЕЛИ
_
_ДАЧНЫЙ ДИЗАЙН
_ЛАНДШАФТНЫЙ ДИЗАЙН
_
_
_
_СТРОИТЕЛЬСТВО ДОМА
__Фундамент
ЦВЕТЫ И РАСТЕНИЯ
_ЦВЕТОЧНЫЕ
_
_
_
САД И ОГОРОД
_ЯГОДЫ
_ТЫКВЕННЫЕ
_ТОМАТ
_ПРЯНЫЕ
_ПАСЛЁНОВЫЕ
_ОВОЩИ
_ЛУКОВИЧНЫЕ
_
_ЛИСТОВЫЕ
_КОРНЕПЛОДЫ
_КЛУБНЕПЛОДЫ
_КАПУСТНЫЕ
_ЗЛАКОВЫЕ
_
_ДЕРЕВЬЯ И КУСТАРНИКИ
_
_ВИШНЯ И ЧЕРЕШНЯ
_БОБОВЫЕ
Mega Menu

Что это такое?

Устройство и принцип работы

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Учитывая все недостатки, а именно, несоответствие материалов для сплавов термобатареек, говорить о прорыве в ближайшем будущем довольно сложно.

Обзор типов

Топливные. Получают тепло от сжигания топлива, который представляет собой уголь, природный газ и нефть, а также тепло, полученное путем сгорания пиротехнических групп (шашек).

Атомные термоэлектрические генераторы, в которых источником выступает тепло атомного реактора (уран-233, уран-235, плутоний-238, торий), зачастую здесь термический насос — вторая и третья ступени превращения.

Солнечные генераторы формируют тепло от солнечных коммуникаторов, которые известны нам в повседневной жизни (зеркала, линзы, тепловые трубы).

Радиоизотопные получают тепло путем распада и расщепления изотопов, данный процесс характеризуется неконтролируемостью самого расщепления, и результатом выступает момент полураспада элементов.

Градиентные термоэлектрические генераторы базируются на перепаде температур без каких-либо вмешательств извне: между окружающей средой и местом проведения эксперимента (специально оснащенным оборудованием, промышленным трубопроводом и т. д.) с использованием исходного отправного тока. Приведенный тип теплоэлектрического генератора был использован с утилизацией полученной электрической энергии от эффекта Зеебека для превращения в тепловую энергию согласно закону Джоуля-Ленца.

Сферы применения

Дровяные печи с электрогенератором

Термоэлектрические генераторы промышленного производства

Фирмой BioLite была представлена новая модель для походов – портативная печка, которая позволит не только разогреть еду, но и зарядить ваше мобильное устройство. Все это возможно благодаря встроенному в это приспособление термоэлектрическому генератору.

Данное устройство отлично вам послужит в походах, на рыбалке или же в любом месте, отдаленном от всех условий современной цивилизации. Работа генератора BioLite характеризуется сжиганием топлива, которое последовательно по стенкам передается и вырабатывает электричество. Получаемая электроэнергия позволит зарядить телефон или же подсветить светодиод.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы

В них источником энергии выступает тепло, которое образуется в результате расщепления микроэлементов. Они нуждаются в постоянном снабжении топливом, поэтому имеют превосходство над другими генераторами. Однако их существенный недостаток заключается в том, что при работе необходимо соблюдать правила безопасности, так как имеет место излучение ионизированными материалами.

Несмотря на то что запуск таких генераторов может быть опасен, в том числе и для экологической ситуации, их использование довольно распространено. Например, их утилизация возможна не только на Земле, но и в космосе. Известно, что радиоизотопные генераторы применяются для заряда навигационных систем, чаще всего в местах, где отсутствуют системы связи.

Термические микроэлементы

Термобатарейки выступают как преобразователи, а также их конструкцию составляют электроизмерительные приборы, калиброванные в Цельсиях. Погрешность в таких приборах обычно приравнивается к 0,01 градусам. Но необходимо отметить, что данные устройства разработаны для использования в диапазоне от минимальной черты абсолютного нуля и до 2000 градусов по Цельсию.

Термические электрогенераторы в последнее время получили широкую популярность при работе в труднодоступных местах, которые полностью лишены систем связи. К этим локациям относится и Космос, где данные устройства все чаще используются в виде альтернативных источников электропитания на борту космических средств.

В следующем видео представлен обзор современного термогенератора электричества для похода BioLite energy everywhere.

Описание и секреты выбора паяльных фенов

Что это и для чего нужны?
Требования
Основные характеристики
Популярные модели
Как выбрать?
Как пользоваться?

Паяльный фен имеет вид обычного бытового прибора, который работает с высокой температурой. Инструмент можно считать практически незаменимым в бытовых условиях, так как с его помощью можно сделать массу полезной работы.

Что это и для чего нужны?

Паяльным феном называется современный вид электрического оборудования, благодаря которому за короткое время можно разогреть металлический отвод. Устройство имеет простую конструкцию и качественную сборку, поэтому им сможет пользоваться даже неопытный мастер. Это приспособление используется для работы с элементами электросхемы и электросети.

Ко всему прочему термофен необходим для термической обработки самых мелких размеров деталей. Данное приспособление имеет некоторое сходство со строительным феном, но с меньшей мощностью. Также у термоприбора компактные размеры. Принцип работы термофена довольно простой:

нажимается кнопка включения;
начинает функционировать вентилятор и нагреватель;
благодаря захватыванию воздуха вентилятором горячие воздушные массы подаются к месту, которое нуждается в расплавке;
после достижения нужной температуры припоя мастер может отсоединить или присоединить разного рода элементы.

Фен для пайки может использоваться с легкоплавким металлом и сплавом. Прибор также часто применяется для ликвидации лакокрасочных покрытий из старых деталей во время их разогрева. Регуляцию температуры воздуха, выходящей из сопла, можно осуществлять при помощи реле. Обычно насадки изготавливают из термостойкого материала.

Приспособление удобно в применении, им пользуются при помощи одной руки.

Требования

Для того чтобы разогреть отводы из металла, потребуется воспользоваться специальным оборудованием под названием паяльный фен. Согласно требованиям устройство для пайки обязано разогреваться до определенной температуры до 800 градусов. В некоторых моделях присутствует контроллер, благодаря которому использование прибора намного упрощается. В продаже также встречаются паяльные станции с термофеном. Они бывают турбинными и компрессорными. Несмотря на конструкцию и стоимость приспособления, оно должно быть изготовлено из качественного жаропрочного материала.

Основные характеристики

Фен-паяльник имеет следующие характерные особенности:

диаметр от 2 до 5 миллиметров;
уровень мощности в пределах 450 Вт;
вентиляторную производительность 30л/мин;
максимальную рабочую температуру в 800 градусов по Цельсию.

Схема конструкции мини-фена следующая.

Корпус-нагреватель, который имеет вид трубки. Он должен быть произведен из жаропрочного материала, которому под силу выдержать высокий температурный режим. С этой целью пользуются фарфором, керамикой или эбонитом.
Ручка. При изготовлении рукоятки выполняются все требования, которые были описаны выше. Также ее обматывают жаропрочными тканями, которые помогают уменьшить температуру.
Насадки. Одной из самых распространенных является неширокая труба.
Нагревательный элемент часто представлен в виде нихромовой проволоки с небольшим радиусом. Именно этот материал способен сохранить свою форму при нагревании.
Нагнетатель в виде насоса, вентилятора. Его монтируют с обратной стороны термофена. Эта деталь имеет небольшие размеры, что способствует удобству использования прибора.

Как выбрать?

Современное электроприспособление в виде паяльного фена стоит выбирать с ответственностью. Перед покупкой устройства стоит тщательно обдумать, для какой цели она совершается. Мастера, как и новички, не должны приобретать слишком дорогие термофены. Оптимальным вариантом приспособления считается то, что находится в средней ценовой категории. Бюджетные модели могут подойти для бытовых нужд или мелких ремонтных работ, выполняемых в домашних условиях.

Для профессиональных работ лучше купить паяльную станцию, так как она имеет широкие функциональные возможности и практически безопасна.

Как пользоваться?

Паяльным феном называется многокомпонентное приспособление с множеством возможностей, так как оно имеет разные насадки. Работать можно непосредственно электрофеном без станции. Для выполнения процедур работнику стоит знать, как правильно паять полипропилен, подключить флюс, тенту без повреждения платы. Также нелишними будут знания о температуре плавления олова, алюминия радиодеталей, светодиодов. Для того чтобы припаять какие–либо компоненты, потребуется приготовить следующие материалы:

термофен;
насадку;
флюс и паяльную пасту;
медную оплетку;
пинцет, чтобы поддевать детали;
щетку;
линзу;
паяльник, что имеет тонкое жало;
перекаточный трафарет.

Для удаления старой сгоревшей детали стоит заранее приготовить флюс и насадку. После чего устанавливают нужный температурный режим. Далее мастеру потребуется нанести флюс на элемент, который нуждается в замене, и начинать медленно его прогревать. При этом стоит помнить, что не нужно устанавливать сильный воздушный напор, так как он может стать причиной поломки. После того как припой станет жидким, можно переходить к демонтажу компонента.

Следующим шагом является зачищение каждой контактной площадки при помощи оплетки из меди. После на этих же местах стоит сделать небольшие бугорки с помощью паяльной пасты или припоя. Отремонтированный элемент стоит уложить на прежнее место с минимальным числом флюса. Далее деталь подогревают феном и после возникновения отблеска распределяют на контакты. Работа с термофенами, особенно теми, что собраны своими руками, требует соблюдения мер безопасности.

Запрещается менять температурный режим путем резкого поворота регулятора.
Ни в коем случае нельзя прикасаться к элементу нагрева и рукоятке во время проведения процедуры.
Смену насадок стоит осуществлять только после того, как прибор выключиться и остынет.

Также мастерам не стоит забывать, что во время пайки нельзя допускать попадания жидкости на фен. Когда происходит работа, не будет лишним проветривание комнаты, так как процесс может вызвать отравление.