Преобразование электрической энергии в тепловую. Преобразование тепла в электричество
Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена - тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь - тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.
|
Организатор и первый директор Физико-технического института Абрам Федорович Иоффе. 1952 год. |
Беда керосинового ТЭГа - его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.
В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь - диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20–25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь - это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.
Ядерно-энергетическая установка "Бук" с
полупроводниковым реактором-преобразователем для
радиолокационных спутников
Ядерно-энергетическая термоэмиссионная установка "Топаз".
ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Имя изобретателя: Прилежаева И.Н.; Бологов П.М.
Имя патентообладателя: Государственный научный центр - Физико-энергетический институт
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1996.09.18
Назначение: термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: в термоэмиссионном преобразователе, содержащем многослойные электроды, как минимум один слой выполнен из дырочного полупроводника, который расположен на поверхности эмиттера, обращенного к коллектору, или на поверхности коллектора, обращенного к эмиттеру. Технический результат: снижение работы выхода электронов на коллекторе, снижение эмиссии электронов с поверхности коллектора, возможность выбора дырочного полупроводника для разного уровня, стабильного в условиях работы преобразователя.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области энергетики, электроники.
Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепла в электроэнергию имеют преимущества перед другими преобразователями в отсутствии движущихся частей и в высокой температуре теплосброса. Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе ТЭП в космосе на спутниках Космос-1818 и Космос-1867 в конце 80-х гг. В наземных условиях допустимо использование низкой температуры охлаждения анода и требуется более высокий КПД. Основными путями повышения КПД ТЭП при заданном интервале температур является снижение потерь энергии эмитированных электронов на пути между эмиттером и коллектором и снижение работы выхода на коллекторе Сумма этих потерь превышает обычно 2В при рабочем напряжении ТЭП 0,5В. Пока разработчики ТЭП используют только 1/5 энергии эмитированного электрона. НИР по снижению потерь энергии эмитированного электрона ведутся непрерывно, но снизить работу выхода коллектора ниже 1,7 эВ для ТЭП энергоустановок не удалось. Базовым решением является применение в ТЭП цезия, который образует в межэлектродном зазоре ТЭП плазму, чем компенсирует запирающий объемный заряд эмитированных электронов, сорбируется на эмиттере и коллекторе, что позволяет поддерживать работу выхода эмиттера и коллектора в пределах получения энергии с КПД около 10%
В качестве аналога укажем решения по регулированию переходов металл -полупроводник методом легирования тонких слоев Таким методами удается снизить до нуля энергетический барьер между слоями полупроводника и металлом основы эмиттера и коллектора.
В качестве прототипа предлагаемому решению укажем на ТЭП с коллектором на основе ниобия, насыщенным в поверхностном слое кислородом до 1% Сорбция цезия на таком коллекторе проходит в значимой мере через кислород, что понижает работу выхода коллектора до 1,4 эВ и соответственно повышает КПД Недостатком прототипа является неустойчивость состава коллектора из-за перехода кислорода в другие фазы. Поэтому промышленного применения это решение не нашло.
Предлагаемое решение позволяет снизить работу выхода коллектора введением тонкого полупроводникового слоя, устойчивого в условиях работы ТЭП. Применение полупроводниковых слоев позволяет регулировать работу выхода в широких пределах и обеспечит малые электрические потери при протекании тока по направлению нормали к слою полупроводника. Тонкий слой полупроводника должен обладать стабильностью в условиях работы и иметь химическое сродство к электронам.
Преимуществами предлагаемого ТЭП перед известными являются:
снижение работы выхода электронов на коллекторе,
возможность выбора дырочного полупроводника, стабильного в условиях ТЭП, для разного уровня температур с оптимизацией в зоне до 1300 K на эмиттере,
снижение обратной эмиссии с поверхности коллектора,
отсутствие
короткого замыкания при касании эмиттера
и коллектора.
Пример реализации устройства (см. чертеж). На поверхность металлического коллектора из молибдена 4 со стороны межэлектродного зазора нанесен слой алмаза 3, легированного акцепторной примесью бора до 10(20) ат/см3, что обеспечивает вхождение уровня Ферми в валентную зону полупроводника. Эмиттер 1 выполнен из вольфрама, тонкий слой 2 выполнен из дырочного полупроводника. Межэлектродный зазор выполнен цезием при давлении около 1 тор. Температура эмиттера до 2000 K температура коллектора до 1000 K. Применение дырочного полупроводника на основе алмаза оправдано относительно других возможных решений его высокой стабильностью при высоких температурах При случайном касании электродов замыкание отсутствует из-за отсутствия электронной проводимости в дырочном полупроводнике. Перенос металла с эмиттера (или нанесение слоя при изготовлении) ограничивают радиусом Дебая
Пример реализации устройства с натриевым (или цезиевым) бета -глиноземом. Устройство по фигуре имеет покрытие электродов из бета-глинозема. В условиях избытка кислорода и недостатка щелочного металла бета-глинозем приобретает свойства дырочного полупроводника. Рабочие температуры для глинозема проектно принимают до 1600 K. Пленка бета-глинозема 3 нанесена на коллектор 4. В межэлектродном зазоре имеется свободный кислород и малое количество щелочного металла, но достаточное для образования монослоя (пленочный электрод) на электродах. Кислород не соединяется с натрием (цезием) при температурах выше 800 K, что обеспечит покрытие эмиттера 1 пленкой щелочного металла. Отсутствие значимого давления паров щелочного металла в объеме ТЭП (очень низкое давление щелочного металла, область слева от минимума кривой Пашена) чрезвычайно важно для работы мощных батарей ТЭП, так как позволит поднять рабочее напряжение на батарее за счет высокого пробивного напряжения при низком давлении паров щелочного металла. Батареи с мощностью более 50 кВт требуют напряжение более 100 В, что невозможно достичь в парах цезия при давлении 1-3 тора, необходима "сухая электроизоляция". Применение глинозема и избыточного кислорода в ТЭП делает сухим слой изоляции ТЭП относительно корпуса батареи. Наличие щелочного пара с давлением около тора в ТЭП требует введения второго слоя сухой изоляции и радикально усложняет батарею ТЭП.
Ядерные энергетические установки.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерные энергетические установки с термоэлектрическими генераторами
Начиная с начала шестидесятых годов, достаточно широкий размах в СССР, США и ряде других стран получили работы по новым способам получения электрической энергии и, в частности работы по непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей.
Интерес к этим работам обусловлен тем, что подобные методы преобразования энергии принципиально упрощают схему установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать компактные и лёгкие энергетические установки.
Вместе с тем, использование ядерных источников энергии на космических аппаратах сопряжено с решением большого комплекса проблем обеспечения безопасности. Первый опыт решения этих проблем в нашей стране был получен при запуске в космос КА с радиоизотопными источниками энергии.
Разработка радиоизотопных генераторов проводилась в России с начала 60-х годов. В сентябре 1965 году впервые в России в составе двух связных КА "Стрела-1" (3.09.1965 г. - "Космос-84"; 18.09.1965 г. - "Космос-90") в космос были запущены радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) "Орион-1" электрической мощностью 20 Вт. Вес РИТЭГ составлял 14,8 кг, расчётный ресурс - 4 месяца. Ампулы РИТЭГ, содержащие полоний-210, были сконструированы в соответствии с принципом гарантированного сохранения целостности и герметичности при всех авариях. Этот принцип оправдал себя при авариях ракет-носителей в 1969 году, когда, несмотря на полное разрушение объектов, топливный блок, содержащий 25000 кюри полония-210, остался герметичным.
В последующие годы проводились работы, направленные на повышение мощности и ресурса РИТЭГ для луноходов и КА дальнего космоса. Разработанные конструкции РИТЭГ отличались между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, конструктивными формами и т.п. Это значительно усложняло и удорожало создание подобных ЭУ.
Сравнительно низкая энергоемкость, высокая стоимость РИТЭГ, сложности с решением проблем использования РИТЭГ в космосе, успехи в разработке ЭУ на основе ядерного реактора явились причиной прекращения работ по РИТЭГ для космоса.
Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетание с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии - ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь.
Для экспериментальной проверки возможности создания малогабаритного реактора-преобразователя с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую в СССР, в институте атомной энергии имени И.В.Курчатова в сотрудничестве с Сухумским физико-техническим институтом, Харьковским физико-техническим институтом, Подольским научно-исследовательским технологическим институтом в 1964 г. была сооружена и прошла полный цикл ядерных энергетических испытаний экспериментальная установка "Ромашка". Эта установка являлась высокотемпературным реактором-преобразователем на быстрых нейтронах, в котором тепло, выделяемое в активной зоне, передавалось за счёт теплопроводности материалов на расположенный на внешней поверхности отражателя термоэлектрический преобразователь, вырабатывавший до 500 Вт электрической энергии. Неиспользованное тепло с преобразователя излучалось в окружающее пространство ребристым холодильником-излучателем. Выведенный на мощность 14 августа 1964 года реактор-преобразователь "Ромашка" успешно проработал ~15000 часов, выработал при этом - 6100 кВт.час электроэнергии.
Пуск и успешные испытания установки "Ромашка" продемонстрировали, что в Советском Союзе впервые в мире создан работающий высокотемпературный ядерный реактор-преобразователь, который позволяет непосредственно получать электроэнергию без участия каких-либо движущихся рабочих тел и механизмов и экспериментально показана его способность к длительной работе. Последующие разделка и изучение состояния элементов установки "Ромашка" показали, что достигнутые параметры и ресурс не являются предельными и могут быть повышены за счёт некоторых усовершенствований конструкции и, в частности, использования вместо термоэлектрического преобразователя энергии плоских модульных термоэмиссионных элементов, располагаемых на границе активной зоны и радиального отражателя.
Выполненный комплекс работ с установкой "Ромашка" показал её абсолютную надёжность и безопасность. Однако, в связи с тем, что к моменту окончания испытаний была создана ядерная электрическая станция "БЭС-5" значительно большей мощности, дальнейшие испытания установки "Ромашка" были остановлены. На базе установки "Ромашка" была создана опытная установка "Гамма" - прототип автономной транспортируемой АЭС "Елена" электрической мощностью до 500 кВт, предназначенной для энергоснабжения отдаленных районов.
Ядерная энергетическая установка "БЭС-5".
Разработка первой в нашей стране космической ядерной электрической станции "БЭС-5" с гомогенным реактором на быстрых нейтронах и термоэлектрическим генератором (ТЭГ) проводилась в соответствии с Постановлениями ЦК КПСС и СМ СССР N 258-110 от 16.3.1961 г., N 702-295 от 3.7.1962 г. и N 651-244 от 24.8.1965 г. кооперацией организаций-разработчиков ГП "Красная Звезда", ГНЦ "ФЭИ", НТЦ"Исток" НИИ НПО "Луч", РНЦ "Курчатовский институт", ИПУ РАН и др. Станция разрабатывалась для электропитания аппаратуры космического аппарата радиолокационной разведки на участке выведения и в течение всего времени активного существования КА на круговой орбите высотой порядка 260 км. В результате проделанных расчётных, конструкторских и экспериментальных работ к 1970 году были практически решены все принципиальные проблемы по созданию "БЭС-5", генерирующей выходную мощность 2800 Вт, с ресурсом 1080 часов.
В период с 1963 г. по 1969 г. проводилась отработка жидкометаллического контура, испытания безреакторных образцов "БЭС-5" с имитатором ТЭГ и эксплуатационного оборудования, испытания безреакторной "БЭС-5" с действующим ТЭГ. В 1968-1970 г.г. были проведены натурные ресурсные испытания космических ядерных ЭУ "БЭС-5" N 16, 25, 32 с действующим реактором на стенде Ц-14Э. Испытания ядерной энергетической установки (ЯЭУ) N16 прошли успешно, все задачи, поставленные перед испытаниями, были выполнены в полном объёме. Электрическая мощность основной секции ТЭГ за время испытаний (1200 часов) снизилась на 10% и в конце испытаний составила 905 Вт и 1040 Вт при уровнях температуры 6900С и 7150С соответственно. Нейтронно-физические характеристики реактора, снятые на стационарных режимах работы, были стабильны во времени и удовлетворительно совпадали с расчётными значениями и величинами, экспериментально определенными на физических сборках в Физико-энергетическом институте.
Испытания ЯЭУ N25 были прекращены вследствие "закипания" теплоносителя первого контура в зоне реактора из-за недостаточного давления в компенсационных емкостях. После проведения тарировки автономного нейтронного источника по вновь разработанной методике с использованием новой высокоточной аппаратуры испытания "БЭС-5" были продолжены на установке N32. После успешного выхода на номинальный рабочий режим энергоустановки "БЭС-5" N32 на стенде Ц-14Э (ГП "Красная Звезда") был проведён полный цикл полигонных испытаний согласно программе ЛКИ ЯЭУ N31. Положительные результаты испытаний позволили в 3 октября 1970 г. осуществить запуск ЯЭУ "БЭС-5" N31 в составе КА радиолокационной разведки ("Космос-367").
ЯЭУ "БЭС-5" N 31 проработала на орбите 110 минут и была уведена на орбиту "захоронения" по причине "заброса" температуры 1-го контура выше предельно допустимой, вызванной расплавлением активной зоны реактора. По результатам первого запуска были доработаны датчики и логика работы температурного канала управления, а также снижена мощность "прогрева" ЯЭУ со 150% до 115% Nном.
В результате стендовых испытаний и ЛКИ были разработаны:
Надёжная технология сварки и последующего контроля изделия, в том числе термовакуумные испытания, что позволило обеспечить ресурсную отработку изделия до 1500 часов при расчётных температурах и окружающем давлении 10-5 мм.рт.ст. и в течении 1300 часов при работе в радиационных потоках, превышающие натурные;
Методика проведения имитационных (без реактора) тепловых испытаний изделия в вакуумных камерах;
Методика проведения наземных испытаний изделия со снаряженной активной зоной;
Методика проведения полигонных испытаний.
После проведения 9 запусков ЯЭУ "БЭС-5" в 1975 г. была принята на вооружение ВМФ СССР. Всего к мо-менту снятия с эксплуатации ЯЭУ "БЭС-5" (1989 г.) была запущена в космос 31 установка.
За весь период запусков КА с ЯЭУ на борту произошли три наиболее серьезные аварии.
При запуске КА с ЯЭУ "БЭС-5" N51, вследствие выхода из строя двигателя доразгона, КА не был выведен на расчётную орбиту и ЯЭУ с глубоко подкритичным реактором упала в Тихий океан.
Наиболее крупная авария ЯЭУ произошла с КА "Космос-954", запущенным 18 сентября 1977 года. Из-за разгерметизации приборного отсека КА с ЯЭУ "БЭС-5" N58 на борту и выхода из строя датчиков перепада давления второго контура произошёл отказ аппаратуры системы автономного управления, что привело к потере ориентации КА, непрохождению команды на увод ЯЭУ с Земли и отказу системы автоматического увода ЯЭУ. В результате КА с ЯЭУ вошёл в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на 100000 км2 в северо-западных районах Канады.
В 1983 году из-за отказа систем КА "Космос-1402", запущенного 30 августа 1982 года, произошло возвращение ЯЭУ в атмосферу Земли, что привело к срабатыванию дублирующей системы радиационной безопасности ЯЭУ, рассеявшей активную зону реактора в атмосфере Земли.
В апреле 1988 года произошла потеря радиосвязи с "Космосом-1900", запущенным 12 декабря 1987 года. Отсутствие связи помешало передать ему команду об уводе ЯЭУ, и до середины сентября 1987 года КА медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. К контролю за положением КА были привлечены службы контроля космического пространства США. Только 30 сентября за несколько дней до входа в плотные слои атмосферы, включилась защитная система и спутник был уведён на безопасную стационарную орбиту.
В процессе эксплуатации установки на основании Постановления ЦК КПСС и СМ СССР N 462-138 от 26.5.1975 г. проводились работы по её доработке и модернизации, связанные с повышением радиационной безопасности, увеличением электрической мощности в конце ресурса до 3 кВт и увеличением ресурса до 6-12 месяцев.
Анализ полётных данных показал, что прекращение работы КА с ЯЭУ на борту происходило, как правило, не по вине ЭУ, за исключением "БЭС-5" NN 31, 60, 58, 75 и 76. Анализ отрицательных явлений, имевшихся в процессе функционирования на орбите ЯЭУ (отказы датчиков давления и перепада давления в ЖМК "БЭС-5" N53 (15.5.1974 г., "Космос-651"), N60 (17.10.1976 г., "Космос-860"), N58 (18.09.1977 г., "Космос-954"), а также причин, их вызвавших, привел к необходимости их доработок. Так, начиная с ЯЭУ "БЭС-5" N58, были установлены усовершенствованные исполнительные механизмы привода компенсирующих стержней, антилюфтовые пружины в исполнительных механизмах привода регулирующих стержней, повышено давление газа в блоке гашения (БГ) реактора с 760 до 1500 мм рт.ст. Это позволило повысить надёжность срабатывания основной системы радиационной безопасности ЯЭУ, значительно снизить возмущения реактивности, вызываемые срабатыванием двигателей системы ориентации и стабилизации КА, уменьшить кратковременные выбросы тока ионизационных камер при перестройке задания по нейтронной мощности с 7,5% на 115%, а также более надёжно контролировать герметичность БГ при комплексных проверках на Земле (давление в БГ снижалось до нуля вследствие его негерметичности при выходе на орбиту ЯЭУ N52 (27.12.1973 г., "Космос-626") и N56 (7.04.1975 г., "Космос-724"). В 1985 г. аварийно закончилась работа двух КА вследствие отказов в системе автономного управления ЯЭУ "БЭС-5" N75 и N76 по причине более жёсткого теплового режима эксплуатации прибора ЭП-264. На оставшихся экземплярах ЯЭУ была произведена доработка прибора. После инцидента с КА "Космос-954" над Канадой интенсифицировались работы по бортовым системам обеспечения радиационной безопасности, как основной (ОСРБ), обеспечивающей "увод" ЯЭУ на орбиту "захоронения" высотой 890 км, так и дублирующей (ДСРБ), основанной на выбросе связки ТВЭЛов из корпуса реактора с помощью порохового аккумулятора давления поршневого типа и их последующим аэродинамическим разрушением.
Работоспособность бортовых устройств ДСРБ была подтверждена в наземных условиях и в процессе контрольно-лётных испытаний ЯЭУ N64, запущенной в составе КА "Космос-1176" 29 апреля 1980 года. Все последующие ЯЭУ "БЭС-5" были оснащены ДСРБ.
В связи с модернизацией КА радиолокационной разведки была произведена доработка ЯЭУ, отличающаяся увеличенным до 6 мес. сроком функционирования и электрической мощностью в конце ресурса 2400 Вт. Было изготовлено 3 экз. ЯЭУ. Первый запуск модернизированного варианта ЯЭУ был произведён 14 марта 1988 года в составе КА "Космос-1932". Несмотря на то, что установка нормально отработала по программе полёта дальнейшая эксплуатация ЯЭУ типа "БЭС-5" была прекращена. Оставшийся экземпляр ЯЭУ в 1993 году был доставлен с 5 НИИП на ГП "Красная Звезда" и утилизирован.
Принятие решения о прекращении запуска в космос КА с ЯЭУ на борту было вызвано сравнительно низкими техническими характеристиками ЯЭУ и обострившимся противостоянием международной общественности использованию ядерных объектов в космосе.
Ядерные энергетические установки с термоэмиссионными преобразователями
Ядерные энергетические установки "Топаз"
Параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами проводились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями, имеющими более высокие технические характеристики.
Работы проводились двумя кооперациями организаций-исполнителей по двум типам установок, отличающихся:
Конструкцией основного элемента ЯЭУ - электрогенерирующего канала (ЭГК);
Конструкцией генератора паров рабочего тела (цезия). В ЯЭУ "Топаз-2" применён генератор фитильного типа, обеспечивающий постоянство расхода независимо от температуры теплоносителя;
ЯЭУ "Топаз-2" предназначена для использования только на радиационно-безопасных орбитах и не имеет системы ликвидации. Доработка её под дублирующую систему обеспечения радиационной безопасности не представляется возможной.
В установке "Топаз-1" (ТЭУ-5) с тепловым реактором-преобразователем и жидкометаллическим теплоносителем (Na-K) имеется 79 ЭГК в каждом из которых скоммутировано 5 термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) (многоэлементный ЭГК), а в ЯЭУ "Топаз-2" (Енисей) - 37 ЭГК, в каждом из которых только один ЭГЭ (моноэлементный ЭГК).
Конструкция одноэлементного ЭГК позволяет не иметь в активной зоне межэлектродной коммутации, а также выводить газообразные продукты деления из катодного объёма, что предопределяет их большую надёжность и ресурсоспособность; используя тепловые имитаторы, контролировать электрические характеристики ЯЭУ перед стартом до загрузки ядерного топлива; отрабатывать полномасштабные ЭГК и системы преобразования термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) в целом с помощью электронагрева, что сокращает затраты средств и времени на экспериментальные работы. Однако одноэлементная конструкция имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при одних и тех же электрических мощностях ток на выходе одноэлементного ЭГК в 2-3 раза больше, чем у многоэлементного, и для снижения омических потерь требуются большие толщины электродов. Этот недостаток ЭГК одноэлементной конструкции в значительной мере определяется удельной электрической мощностью, снимаемой с поверхности катода, и практически в конкретных конструкциях начинает существенно сказываться при удельной электрической мощности выше 2 Вт/см2 для ТРП с замедлителем и более 5 Вт/см2 для ТРП на быстрых нейтронах.
ЯЭУ "Топаз-1" разрабатывалась в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР N 702-295 от 3.07.1962 г. для КА радиолокационной разведки кооперацией организаций: головной разработчик - ГП "Красная Звезда", научный руководитель - ГНЦ "ФЭИ", соисполнители - НИИ НПО "Луч" и др.
ЯЭУ "Топаз-2" разрабатывалась в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР N 715-240 от 21.07.1967 г. для КА системы непосредственного телевизионного вещания из космоса кооперацией организаций: головной разработчик - "Энерговак-ЦКБМ", научный руководитель - РНЦ "Курчатовский институт", соисполнители - НИИ НПО "Луч" и др.
При разработке ЯЭУ "Топаз-1" был выполнен большой комплекс экспериментальных исследований отдельных узлов, агрегатов, теплофизических прототипов ТРП и тепловых имитаторов установки в целом. В ГНЦ "ФЭИ" на реакторе АМ проведены испытания более 50 ЭГК, показавшие их работоспособность в течении заданного ресурса. Наибольшая продолжительность реакторных испытаний ЭГК штатной конструкции (КЭТ-49) составила более 5000 часов при средней удельной мощности 2,5 Вт/см2 и максимальной температуре катодов 16000С. Первые полномасштабные наземные энергетические испытания ядерного прототипа ЯЭУ "Топаз-1" были проведены на стенде ГНЦ "ФЭИ" в 1970 г. Изделие было выведено на электрическую мощность 10 кВт. Испытания продолжались 150 часов, после чего были приостановлены из-за утечки теплоносителя ЖМК. Всего были испытаны 4 ядерных прототипов ЯЭУ "Топаз-1".
Результаты наземных комплексных испытаний послужили основанием для определения в Решении Комиссии Президиума СМ СССР по ВПВ N 342 от 8.12.1976 г. возможного срока проведения лётно-конструкторских испытаний в 1979-1980 г.г. ЯЭУ "Топаз-1" в составе экспериментального КА "Плазма". Однако, отсутствие дублирующей системы радиационной безопасности в составе ЯЭУ привело к необходимости разработки новой модификации КА "Плазма" - КА "Плазма-А" и изменить, в соответствии с решением КП СМ СССР по ВПВ от 23.5.1981 г., сроки и условия проведения ЛКИ: проведение ЛКИ на высокой радиационно-безопасной орбите.
Решением Государственной комиссии при СМ СССР по ВПВ N 58 от 12.02.1986 г. было принято решение о проведении ЛКИ КА "Плазма-А" с ЯЭУ "Топаз-1". К проведению ЛКИ были подготовлены два экземпляра ЯЭУ (N22 и N23), отличающиеся материалом катодов ЭГК: катоды изделия N22 выполнены из молибдена, а N23 - из молибдена, покрытого вольфрамом.
ЯЭУ N22 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 2.02.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" ("Космос-1818") в течении 142 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении заданного трёхмесячного ресурса.
ЯЭУ N23 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 10.07.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" (Космос-1867) в течении 343 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении полугода работы. В дальнейшем в течении последующего полугода мощность ЯЭУ плавно снижалась вследствие деградационных процессов в РП, но была достаточна для питания всех систем КА (в конце стационарной работы составила 2,73 кВт).
Прекращение работы ЯЭУ в обоих случаях было вызвано, в основном, окончанием запасов рабочего тела (цезия) и выделением водорода из полости замедлителя, явившегося катализатором деградационных процессов в РП. Замена комплекта ЭГК с эмиттерными узлами из монокристаллического молибдена в ЯЭУ N22 на комплект ЭГК с вольфрамовыми покрытиями в ЯЭУ N23 привело к увеличению к.п.д. ЯЭУ в 1,05-1,07 раза.
Параллельно работам с ЯЭУ "Топаз-1" проводились работы по созданию ЯЭУ "Топаз-2". В ходе работ было изготовлено и испытано более 18 полномасштабных головных блоков энергоустановки, 7 из которых (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24, Я-81, Я-82, Э-38) прошли ядерные энергетические испытания. Ресурсные ядерно-энергетические испытания первых опытных образцов (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24) показали, что выбранная конструкция ЭГК не обеспечивает требований по ресурсу. Обнаружилось увеличение диаметра катодов ЭГК вследствие распухания тепловыделяющих сердечников под действием осколков деления, что привело к коротким замыканиям отдельных ЭГК в процессе испытаний и падению суммарной электрической мощности РП. Было также установлено, что вследствие поверхностных изменений свойств электродной пары катод-анод и увеличения приведенного коэффициента черноты ресурсное уменьшение электрической мощности ЭГК составило 3% за 1000 часов.
Для устранения перечисленных конструктивных недостатков НИИ НПО "Луч" был разработан и испытан усовершенствованный ЭГК, в котором были реализованы следующие конструктивные и технологические решения:
В МЭЗ введены новые фиксаторы из окиси скандия, обладающие большей стойкостью в парах цезия по сравнению с фиксаторами из окиси алюминия;
Улучшена технология нанесения вольфрамового покрытия на эмиттер для предотвращения отслоения покрытия (переход на хлоридную технологию нанесения монокристалического покрытия);
Увеличено отверстие в топливе на всю длину активной зоны и увеличен диаметр отверстия для снижения распухания топлива;
Увеличен МЭЗ;
В эмиттер введён монокристалл молибдена, легированного ниобием.
В процессе проведения тепловых испытаний с электронагревом одного из образцов усовершенствованного ЭГК достигнут ресурс более 22500 часов.
Кроме того, с целью доведения ресурса работы установки до 1,5 лет, была создана новая модернизированная конструкция реактора с увеличенным числом ЭГК в активной зоне (с 31 до 37). Было изготовлено 10 экземпляров головных блоков такой ЯЭУ (В-71 - для холодных и динамических испытаний с последующими электроэнергетическими испытаниями на комплексном стенде "Байкал-1"; Я-81, Э-37, Я-82 - для ЯЭИ продолжительностью до 1,5 лет; Э-39, Э-40, Э-41- для ЛКИ, Э-38-как резервный; Э-43, Э-44). При испытаниях образца Я-24 был достигнут небывалый в отечественной и зарубежной практике ресурс проведения ЯЭИ полномасштабного опытного образца космической ЯЭУ - 12500 часов.
В связи с прекращением работ по КА, для которого предназначалась ЯЭУ "Топаз-2", работы по ЯЭУ были прекращены на стадии наземных испытаний.
Российско-американское сотрудничество по ЯЭУ типа "Топаз".
Новым этапом в деятельности российских организаций явилось российско-американское сотрудничество в области космической ядерной энергетики.
Первые официальные материалы с краткой информацией об энергетической установке "БЭС-5" были переданы американской стороне в связи с инцидентом со спутником "Космос-954", имевшем место над Канадой в 1978 году, затем подробные сведения об установке передавались во время инцидентов со спутниками "Космос-1402" в 1983 г. и "Космос-1900" - в 1988 году.
Большой интерес у американских специалистов был вызван сообщениями академика Пономарева-Степнова Н.Н. и директора ГП "Красная Звезда" Грязнова Г.М. о результатах испытаний ЯЭУ "Топаз" на международном симпозиуме в г. Альбукерке (США) в 1989 г. А в апреле 1989 г. в ИАЭ им. И.В.Курчатова состоялись переговоры с представителями фирмы Space Power Inc. (SPI) советских разработчиков ЯЭУ (ИАЭ им. И.В.Курчатова, НПО "Красная Звезда", ЦКБМ, НПО "Луч", ФЭИ). Переговоры касались возможности сотрудничества в области космических ядерных энергетических установок для гражданского коммерческого применения и использования для этих целей имеющегося в СССР опыта и задела по созданию и натурным испытаниям космических термоэмиссионных ядерных энергетических установок. В процессе переговоров были обсуждены возможные области гражданского коммерческого использования таких ЯЭУ в качестве альтернативы солнечным энергоустановкам.
Переданные американской стороне материалы, связанные с успешными испытаниями в космосе ЯЭУ "Тополь" ("Топаз-1") в 1977-1978 гг., а также посещение американскими специалистами российских фирм убедили специалистов США в бесспорном приоритете России в этой области, в связи с чем ряд американских фирм проявили заинтересованность в научном и коммерческом использовании для мирных целей имеющегося в России задела по термоэмиссионным ЯЭУ.
В январе-марте 1991 г. был проведён демонстрационный показ макета ЯЭУ "Топаз-2" (без ядерного топлива) на VIII Симпозиуме США по космической ядерной энергетике (г. Альбукерк) и на советско-американском научно-техническом Симпозиуме и выставке "Наука-Космос-Конверсия" при Мерилендском университете. Демонстрация вызвала большой интерес специалистов и общественности, высоко оценена как с точки зрения технологических достижений СССР, так и готовности СССР участвовать в международном сотрудничестве в этой области.
Основные разработчики установки "Топаз-2" - ЦКБМ, РНЦ "КИ" и НИИ НПО "Луч" совместно с НИИТП и ГМП "НП Энерготех" с российской стороны и фирмой International Scientific Products (ISP) с американской стороны учредили Совместное российско-американское предприятие "Интернациональные энергетические технологии" (СП "ИНЕРТЕК"). На первом этапе своей деятельности было предложено провести демонстрационные испытания в США на стендах с электронагревом экспериментального образца и компонентов установки "Топаз-2" без ядерного топлива. Кабинетом Министров СССР (N ПП-15495 от 16.05.1991 г.) было дано согласие на проведение испытаний. Проведение работ было поддержано специальными решениями администрации США.
Для проведения испытаний американской стороне в период 1991-1992 года были переданы два образца головного блока ЯЭУ "Топаз-2" - В-71 (рабочий) и Я-21У (резервный), ранее испытанные в России, и испытательный стенд "Байкал".
Первый этап испытаний проводился в ноябре 1992 г. силами совместного предприятия "ИНЕРТЕК" по кон-тракту N СП-1145/5474, заключенному с ISP с участием специалистов группы TSET (Termionic System Evaluation Test). На стенде "Байкал" в г. Альбукерке (США) были проведены испытания изделия B-71 в объёме двух полных проверочных циклов "пуск-работа-останов" с целью подтверждения заданных параметров. Испытания образца установки и её отдельного ЭГК выполнены в полном объёме и успешно: подтверждена их работоспособность, получены характеристики, заданные Программой испытаний, проведено обучение американского персонала. "Проведенный прогноз полученных характеристик показал, что в штатных условиях установка "Топаз-2" с характеристиками В-71 может обеспечить электрическую мощность на клеммах рабочей секции реактора 4,5-6,0 кВт при температуре теплоносителя на выходе из реактора до 5700С" (из отчёта испытаний).
Целью второго этапа испытаний было получение экспериментальной информации по установке "Топаз-2" как объекта управления и источника электроэнергии при испытаниях с электронагревом в условиях вакуумной камеры и обучение американских специалистов. Испытания проводит группа TSET с участием российских специалистов, американских и российских исследователей.
После успешного проведения первого этапа работ американской стороной было предложено проведение подготовки лётных демонстрационных испытаний установки "Топаз-2" совместно с электродвигательным модулем на основе различного типа электрореактивных двигателей на космическом аппарате США и подписан контракт на участие российских предприятий в разработке космических ядерных термоэмиссионных установок повышенной (до 40 кВт) электрической мощности. Функционирование ЯЭУ должно быть осуществлено на высоких орбитах, на которых полностью гарантируется радиационная безопасность населению Земли. Финансирование этих работ будет осуществляется американской стороной из правительственных источников.
Для проведения лётных испытаний установки "Топаз-2" в составе американского космического аппарата разработчики установки в 1994-1995 г.г. поставили в США четыре экспериментальных образца установки "Топаз-2" (из них образцы Э-43, Э-44 - для лётных испытаний и Э-40, Э-41 для отработки стыковки с космическим аппаратом). Кроме этого, для наземных испытаний планируется использовать также поставленные ранее в США два экспериментальных образца установки "Топаз-2". Использование установок "Топаз-2" для лётных испытаний запланировано на условиях возврата (кроме запущенных в космос) установок "Топаз-2" после выполнения программы в Россию без разделки и исключения прямого использования установок в военных целях.
Несмотря на то, что в связи с резким сокращением финансирования работ в области космической ядерной энергетики были прекращены ОКР по созданию ЯЭУ, деятельность организаций-разработчиков с 1992 года направлена, в основном, на сохранение достигнутого научно-технического задела, стендовой базы и проведение работ по отработке основных элементов ЯЭУ. Вместе с тем, положительные результаты испытаний ЯЭУ "Топаз-1" и "Топаз-2" доказали принципиальную возможность создания в космосе энергетических систем мощностью 10-100 и более киловатт и положили начало разработкам проектов целого ряда термоэмиссионных установок мощностью 10-15, 25, 50 и 100-150 кВт.
Проекты космических ЯЭУ
В период создания ЯЭУ "БЭС" и "Топаз" на их основе было подготовлено ряд проектов установок с улучшенными характеристиками.
Эскизный проект на модифицированную установку ЯЭУ "Топаз-1" был разработан ГП "Красная Звезда" в соответствии с постановлением КП СМ СССР по ВПВ N 223 от 21.8.1974 г. Эта установка представляла собой форсированный вариант ЯЭУ "Топаз-1". Увеличение мощности достигнуто за счёт введения одного дополнительного ЭГК, применения индукционного электромагнитного насоса вместо кондукционного, введения охранных электродов в ЭГК. Установка в отличии от ЯЭУ "Топаз-1" была оснащена дублирующей системой обеспечения безопасности, холодильником-излучателем на тепловых трубах, замкнутой цезиевой системой с регенерацией цезия, оптимизированной схемой электрических коммутаций.
На основе разработок реактора "Ромашка" в 1976 "Энерговак-ЦКБМ" подготовлены технические предложения по термоэлектрической ЯЭУ "Заря-1" для КА оптико-электронной разведки (ОЭР). ЯЭУ "Заря-1" отличается от "БЭС" уровнем электрической мощности (5,8 кВт против 2,9 кВт) и повышенным ресурсом (4320 часов против 1100 часов).
Научно-технический задел в части создания ТЭГ и ТЭП для реакторных ЯЭУ позволил разработать в 1978 г. эскизный проект двух вариантов ЯЭУ "Заря-2" для КА ОЭР электрической мощностью 24 кВт и ресурсом 10000 часов. Включение в ЖМК термоэмиссионной ЯЭУ типа "Топаз-1" термоэлектрического генератора позволило решить проблему быстрого (через 10 минут после прохождения команды на пуск ЯЭУ) обеспечения электроэнергией аппаратуры КА и собственных потребностей установки по сравнению с временем выхода ЯЭУ "Топаз-1" на режим номинальной электрической мощности (через 60 мин.) Одновременно такое решение позволило снизить необходимую емкость аккумуляторных батарей, острый дефицит которой ощущался при создании "Топаз-1". Отличительной особенностью второго варианта ЯЭУ "Заря-2" является то, что высокая выходная мощность обеспечивается применением форсированных ЭГК с охранным электродом.
В 1978 г. ГП "Красная Звезда" разработаны технические предложения на 2 варианта космической ядерной энергодвигательной установки "Заря-3" электрической мощностью 24,4 кВт и ресурсом 1,15 года. Она предназначалась в числе других альтернативных вариантов для создания импульсов тяги коррекции орбиты КА ОЭР и энергообеспечения специальной аппаратуры. Первый вариант является модификацией ЯЭУ "Топаз-1" в части использования РП и ЭГК встроенного типа (аналогично РП установки "Заря-2") и автономного ЖРД. Другой вариант принципиально отличался от ЯЭУ "Топаз-1" наличием реактора на быстрых нейтронах, вынесенных ТЭП с тепловыми трубами и ЖРД, причём ТВЭЛы и ТЭПы были объединены в пароэлектрогенерирующие каналы.
Работы по установкам "Топаз" и "Заря" были прекращены из-за отсутствия их привязки к конкретному КА.
В период 1981-1986 г.г. в России был выполнен большой объём проектно-конструкторских и экспериментальных работ, свидетельствующий о принципиальной возможности увеличения ресурса ЯЭУ до 3-5 лет и электрической мощности до 600 кВт.
В результате этих проработок был разработан типоразмерный ряд термоэмиссионных РП на основе ЭГК прототипа ЭГК ЯЭУ "Топаз-1" мощностью 10-15, 25, 50 и 100-150 кВт.Разработка ядерных энергетических установок типа "Акация" и ядерного электроракетного двигателя "Геркулес"
ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ - ПУТЬ В ЭНЕРГЕТИКУ БУДУЩЕГО
Информационное агентство “ВРАТА-ЕКАТЕРИНБУРГ” распространила информацию о создании термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую (ТЭП) с очень высоким коэффициентом преобразования (КП) – до 80-82%. Вначале мне показалось это малоправдоподобным, но, заказав у разработчиков техническое описание преобразователя и ознакомившись с ним, автор сделал вывод о вполне реальной возможности достижения такого КП на практике, а в составе агрегата КП может достигать величины 95-97%.
Исходя из выше сказанного, мне хотелось бы порассуждать в этой статье о перспективных схемах применения ТЭП в традиционной и нетрадиционной энергетике.
При ныне существующей традиционной схеме энергообеспечения к каждому жилому объекту подводится несколько видов энергии: электроэнергия, теплоэнергия, сетевой газ, горячая вода.
Разместив на каждом жилом объекте микроТЭЦ на базе ТЭП мы перейдем к прогрессивной схеме децетрализованного энергообеспечения с высоким КИТ. Данная схема работает следующим образом: сетевой газ поступает в микроТЭЦ, где он сжигается во внешней топке. Нагретые в топке до температуры 1650-1700 о С газы поступают в ТЭП, где происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (постоянного напряжения). Далее, охлажденные до температуры 250-300 о С газы поступают в теплообменник, где нагревают холодную водопроводную воду для нужд горячего водоснабжения объекта. При этом 70-75% энергии газов расходуется на выработку электроэнергии и 25-20% - на производство горячей воды. Основная часть электроэнергии постоянного напряжения расходуется на отопление объекта, освещение, электроплиты, некоторые бытовые приборы, работающие на постоянном токе (например, холодильники), часть ее, пройдя через автономный инвертор, и, получив параметры стандартной сети, расходуется на бытовые приборы, работающие на переменном токе. В перспективе всю бытовую технику можно перевести на питание постоянным током, что значительно снизит вредное влияние на человека электромагнитного излучения. Для повышения надежности энергообеспечения необходимо иметь запас жидкого топлива или газгольдер с сжиженным газом. Убрав из квартир газопроводы и газовые плиты и разместив микроТЭЦ на крыше здания, можно резко увеличить безопасность использования сетевого газа.
Установка крышных микроТЭЦ на жилых объектах позволит подводить к ним только один вид энергоносителя – сетевой природный газ (в перспективе – водород), а сэкономленные деньги можно вложить в изготовление газопроводов из современных высокопрочных композитных материалов.
Теперь поговорим немного об экономике данного предложения.
Удельные капитальные затраты на автономную СИСТЕМУ энергообеспечения жилого объекта, включающую в себя ТЭП, теплообменник, инвертор, систему аварийного топливопитания, систему электроотопления и т.д. составят по прикидочным расчетам около
10 000 руб/кВт. Средняя отпускная цена на электроэнергию составит около 15 коп/кВтчас.
Удельные капитальные затраты на централизованную СИСТЕМУ энергообеспечения жилого объекта, включающую в себя цетрализованный источник тепловой энергии и горячей воды, теплотрассы, электрогенерирующие и трансформирующие объекты, ЛЭП и т.д. составят по некоторым данным по самым скромным прикидкам около 15 000 руб/кВт. Плата за электроэнергию для населения уже сейчас составляет от 30 до 60 коп за кВтчас, при этом эти деньги не покрывают не только полную отпускную цену, но даже себестоимость покрывают лишь частично.
Установка подобных автономных систем энергообеспечения на промышленных объектах также сулит значительную выгоду.
Если же оставить на жилых и промышленных объектах традиционную водяную систему отопления, а в микроТЭЦ на базе ТЭП установить гидродинамические преобразователи энергии с коэффициентом преобразования 300% и выше, то это позволит снизить топливные затраты на отопительные нужды в 2-2,5 раза и в целом расход газа на энергетические нужды в 3,5-4 раза.
Это, в свою очередь, увеличивает срок исчерпания природных запасов газа на десятки лет, что дает дополнительную временную фору ученым умам для разработки высокоэффективных нетрадиционных преобразователей энергии (солнце, физический вакуум и т.д.).
А теперь поговорим о применении ТЭП в нетрадиционной энергетике, а точнее в солнечной энергетике.
Современная солнечная энергостанция должна быть расположена на территории с максимальным по времени и мощности приходом солнечной энергии. Она преобразует солнечную энергию в электрическую, при помощи которой из воды получают водород и уже его по системе трубопроводов передают потребителям. Передача энергии в виде водорода, а не в виде электроэнергии становится выгоднее при расстояниях, превышающих 500-600 км.
Солнечная энергостанция состоит из большого числа энергетических модулей, каждый из которого состоит из модуля преобразования, электролизера и вспомогательного оборудования. Так как каждый энергетический модуль имеет законченный цикл производства водорода и небольшую цену, то строительство такой станции может начинаться с небольших инвестиций, постепенно наращивая свою производительность.
Каждый модуль преобразования в основном состоит из солнечного коллектора (ТВВК) с параболоцилиндрическими концентраторами, термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) и циркуляционного вентилятора. Коэффициент преобразования такого модуля может достигать 70-75%. Тепловой коэффициент современных электролизеров достигает 95%, т.е общий КП энергетического модуля может достигать 70%.
Если сравнить показатели солнечной энергостанции на основе ТЭП и ТВВК с показателями солнечной энергостанции на основе кремниевых батарей, то выявится следующее: удельные капитальные затраты у первой станции на порядок меньше, чем у второй; площадь земли, занимаемая первой станцией в 5-6 раз меньше, чем второй.
Поскольку солнечные энергостанции имеют нестабильный цикл работы, то, естественно, встает вопрос о каком-либо способе аккумулирования водорода, чтобы обеспечить работу потребителя в ночное и пасмурное на территории энергостанции время. Сейчас ученые и инженеры активно разрабатывают различного рода водородные аккумуляторы. Я же хочу обратить ваше внимание на следующее: при передаче энергии в форме водорода будут использоваться трубопроводы большого сечения и большой протяженности. Сеть этих трубопроводов можно использовать для накопления водорода. Так трубопровод внутренним диаметром 1000 мм и протяженностью 1500 км при давлении 75 атм содержит около 8 000 тонн водорода, который может обеспечить в течение 24 часов работу энергообъектов, использующих ТЭП общей мощностью около 8 ГВт.
Исходя из того, что современные электролизеры допускают производство водорода при достаточно высоких давлениях (до 100 атм), то потребность в газовых компрессорах в начале газопровода отпадает. В качестве магистральных подкачивающих компрессорных станций можно рекомендовать металлогидридные термосорбционные компрессоры (МТСК). Их работа основана на способности металлогилдридов при низких температурах поглощать водород, а при умеренно высоких – выдавать водород при значительных давлениях. Например, при давлении 3 атм и комнатной температуре мишметалл довольно быстро поглощает водород, а при нагревании его до температуры 250-260 о С водород может выдаваться уже при давлении около 100 атм. МТСК являются статическими аппаратами, в них нет движущихся частей, они выполняются абсолютно герметичными, что обеспечивает их высокую безопасность, надежность и экономичность.
Для некоторых штатов США среднегодовой приход солнечной энергии на каждый квадратный метр составляет 1500 кВтчасов, т.е. солнечная энергостанция с активной площадью 10 квадратных километров и КП=70% может выработать за год 10,5*10 9 кВтчасов электроэнергии или около 2,1 млн.тонн водорода. Для США идеальным местом расположения гелиоэнергостанции может служить так называемая “долина смерти” (360 дней в году – солнечные).
Для средней полосы России среднегодовой приход солнечной лучистой энергии на каждый квадратный метр по некоторым данным составляет 500 кВтчас, т.е. та же станция может выработать за год 3,5*10 9 кВтчасов электроэнергии или около 0,7 млн.тонн водорода. Для сравнения выработка электроэнергии в 2000 году АО “Кировэнерго” составила 3,56*10 9 кВтчасов, АО “Омскэнерго” – 6,198*10 9 , АО “Ивэнерго” – 1,352*10 9 .
Далее, выработанный на солнечных энергостанциях водород может подаваться по системе трубопроводов потребителям, которые могут его использовать для получения электроэнергии в ТЭПах, либо напрямую - в химических процессах
И в заключении о возможном финансировании данного проекта. Первый, государственный, - за счет продажи части квот на выбросы СО 2 в атмосферу (в последнее время из-за снижения объемов производства Россия согласно Киотскому протоколу не использует эти квоты полностью).
Второй – частный. На первом этапе выполнения проекта (производство небольших энергосистем индивидуального использования) грамотный инвестор даже без составления подробного экономического обоснования может увидеть высокую прибыльность этого производства.
Хотелось бы иметь скромную надежду на то, что Россия (в том числе и частный бизнесс) в очередной раз не наступит на одни и те же грабли - найдет способ профинансировать этот проект в необходимом объеме и не вынудит в очередной раз разработчиков продать эту технологию в и без того уже развитые страны, после чего будет вынуждена покупать в этих странах оборудование по этой технологии “втридорога”.
Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите
На одном из электрических форумов был задан такой вопрос: Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ? Мотивировалось это тем, что газ у этого товарища, да собственно, как и у многих, оплачивается просто по нормативам без счетчика.
Сколько ни пользуйся, платить все равно фиксированную сумму, и почему же не превратить уже оплаченный, но не использованный газ в халявную электроэнергию? Так на форуме появилась новая тема, которая была подхвачена остальными участниками: задушевная беседа помогает не только сократить рабочий день, но еще и убить свободное время.
Было предложено множество вариантов. Просто купить бензиновый генератор, а заправлять его бензином, полученным перегонкой бытового газа, либо переделать генератор для работы сразу на газу, как автомобиль.
Вместо двигателя внутреннего сгорания предлагался двигатель Стирлинга, известный также как двигатель внешнего сгорания. Вот только топикстартер (тот, который создал новую тему) претендовал на мощность генератора не менее 1 киловатта, но его урезонили, мол, такой стирлинг не поместится даже в кухне небольшой столовой. Кроме того немаловажно, чтобы генератор был бесшумным, иначе, ну, сами знаете что.
После множества предложений кто-то вспомнил, как видел в какой-то книжке рисунок, где показана керосиновая лампа с приспособлением в виде многолучевой звезды для питания транзисторного приемника. Но об этом будет сказано чуть дальше, а пока
Термогенераторы. История и теория
Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяются термогенераторы. Так же, как и у термопары, их принцип действия основан на эффекте Зеебека. открытом в 1821 году.
Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется э.д.с. если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, горячий спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.
Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.
Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:
E = &alpha * (T1 – T2). Здесь &alpha - коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус.
Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного. Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рисунок 1.
Рисунок 1. Принцип работы термопары
Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.
Как определить термоэдс металла
Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.
Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:
Сурьма +4,7, железо +1,6, кадмий +0,9, цинк +0,75, медь +0,74, золото +0,73, серебро +0,71, олово +0,41, алюминий +0,38, ртуть 0, платина 0.
После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:
Кобальт -1,54, никель -1,64, константан (сплав меди и никеля) -3,4, висмут -6,5.
Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды.
Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – (- 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.
Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.
Как создавались термогенераторы
Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство
Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом.
В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.
Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.
Полупроводниковые термоэлементы
Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую.
Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, партизанский котелок, позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.
Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250 300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5 2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция котелка была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.
Бытовые термогенераторы
Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпуск термогенераторов ТГК – 3 . Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в неэлектрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как Тула, Искра, Таллин Б-2 , Родина – 47 , Родина – 52 и некоторые другие.
Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3
Конструкция термогенератора
Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы молния . Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества.
При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.
Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы молния играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором
Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи.
Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.
Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.
Нетрудно подсчитать, что мощность данного термогенератора не превышала 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.
В 1834 году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл эффект, противоположный эффекту Зеебика. Смысл открытия в том, что при прохождении тока через спай из разнородных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) выделяется или поглощается тепло, что зависит от направления тока и типов материалов. Об этом подробно рассказано здесь: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
Тэги: нанотехнологии, физика
Физики из Испании, США и Швейцарии создали микроскопическое устройство по преобразованию тепла в электрический ток. В его основе лежат так называемые квантовые точки.
На страницах Physical Review B исследователи описали разработанную ими систему. которая позволяет конвертировать тепловую энергию в электрическую - правда, для этого нагрев должен быть неравномерным. Вокруг нагретой области расположены так называемые квантовые точки, между которыми могут перемещаться электроны они размещены так, что тепловые колебания перебрасывают носители заряда только в определенном направлении.
Квантовые точки, в свою очередь, представляют крошечные (меньше 10 нм - 50 атомов - в поперечнике) кусочки полупроводникового материала. Из-за очень малых размеров они уже ведут себя не как цельный блок материала, а как аналоги отдельных атомов у них появляются собственные энергетические уровни и электроны в таких точках могут находится только в состояниях с определенной энергией. И, соответственно, переходить из одного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.
Наличие отдельных энергетических уровней означает еще и то, что при переходе с верхних уровней на нижние квантовые точки могут красиво флуоресцировать. Причем величина зазора зависит только от размера квантовых точек, так что можно получить любой нужный цвет свечения квантовые точки уже сейчас активно используют в качестве специальных красителей. Снимок: Wikimedia/Travis.jennings
Нагретая квантовая точка - это точка, которая получила некоторую порцию энергии, ведь температура по определению и есть средняя энергия микроскопических частиц. Законы термодинамики также заставляют эту энергию рассеиваться (поэтому все нагретые предметы остывают), но тут-то на первый план и выходят квантовые свойства наноточек. Так как у них есть только ограниченное число энергетических уровней, они не могут пропустить все электроны, а лишь те частицы, энергия которых соответствует разнице между одни уровнем и другим.
Такие электроны в нагретой области есть и они благополучно преодолевают барьер. После чего отдают энергию в холодном участке, но вот вернуться назад уже не получается из-за недостатка энергии. В результате с одного конца цепочки квантовых точек накапливается электрический заряд. Где заряд - там и электрическое поле со своей напряженностью и потенциалом где разность потенциалов, там и напряжение. Батарея готова!
Солнечные батареи, напомним, используют схожий принцип: кванты света сначала перебрасывают электроны через некоторый энергетический барьер, а потом электроны накапливаются в одной области, создавая электрическое поле и разность потенциалов. Новое исследование позволило перенести этот подход на наносистемы и тепловую энергию, так что никакого переворота основ и вечного двигателя тут не предвидится. Предвидятся лишь устройства, которые будут утилизовывать тепловую энергию, превращая ее в электричество напрямую, минуя сложные механические устройства вроде двигателя Стирлинга.
Нет, это не ваш случай
Отметим, что к всевозможным изобретениям с КПД свыше 100% эта работа не имеет ни малейшего отношения. Она никоим образом не подтверждает правоту всех доморощенных опровергателей основ хотя бы потому, что теоретический КПД нанопреобразователя точно описывается школьной формулой - температура нагревателя в градусах Кельвина, поделенная на разность температур между нагревателем и холодильником. В наномире возможны случайные и локальные нарушения законов термодинамики (скажем, молекулы газа соберутся в одной половине сосуда. все пять молекул разом) - но это тоже нельзя использоваться для постройки вечного двигателя.
Устройство предназначено для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Устройство содержит генератор электрической энергии и нагреваемые элементы, выполненные из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри и являющиеся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня с воздушными промежутками, снабженными теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя. Нагреваемые элементы сочленены планкой-коромыслом на шарнире, расположенном на среднем стержне, причем при перемене положения планки один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем. Средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор имеет обмотки, расположенные на боковых стержнях. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение КПД и надежности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии.
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье (см., например, патент РФ №2298278, МПК Н02В 10/00 «Электрический двигатель», опубл. 27.04.97. в БИ №12).
Недостаток известного устройства заключается в том, что для его осуществления используется сложная система преобразования с большим числом механических элементов, что приводит к низкой его надежности.
Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье, в котором электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую с последующим переводом тепловой энергии в механическую (см., например, патент РФ №2302072, МПК Н02В 10/00 «Электрический привод (варианты)», опубл. 27.06.93. в БИ №18).
Известное устройство преобразования характеризуется несколько более простой кинематической схемой и имеет более высокую надежность.
Однако известному устройству свойственны недостатки, которые заключаются в двойном преобразовании энергии, что понижает КПД системы в целом. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Задачей изобретения является создание устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев.
Дополнительно решается задача по повышению КПД преобразования.
Указанная задача решается за счет того, что в устройстве для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащем нагреваемые элементы и генератор электрической энергии, согласно изобретению нагреваемые элементы выполнены из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода и теряющего свои магнитные свойства при нагревании, указанные нагревательные элементы являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня, боковые стержни выполнены в виде двух элементов, разделенных между собой воздушными промежутками, расположенными симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню и примыкающими к нему, нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире, расположенном на оси симметрии на краю среднего стержня так, что при переходе планки из одного положения в другое один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стрежня, воздушные промежутки снабжены теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем, причем средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор электрической энергии выполнен в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях.
В варианте технического решения края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.
В варианте технического решения жесткая планка выполнена из материала, обладающего пружинящими свойствами.
Наличие нагреваемых элементов, состоящих из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, и являющихся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержней, в которых боковые стержни имеют воздушные промежутки, расположенные симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню, а нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире так, что при переходе планки из одного положения в другое, поочередно, один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стержня, позволяет формировать генератор, преобразующий тепловую энергию в электрическую.
Применение теплопровода, подводящего тепло от нагревателя, к нагреваемым элементам, когда они примыкают к воздушным промежуткам боковых стержней и наличие охладителя, воздействующего на нагревательные элементы, когда они находятся вне зоны воздушных промежутков, позволяет повысить производительность устройства за счет интенсификации процессов нагрева и охлаждения.
Наличие обмотки возбуждения, расположенной на среднем стержне и выполнение генератора электрической энергии в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях, позволяет вырабатывать электрическую энергию без использования вращающихся частей и при минимальном количестве подвижных элементов.
Параллельные выступы, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев всей магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.
Выполнение жесткой планки, соединяющей нагревательные элементы, из материала, обладающего пружинящими свойствами, дает возможность снизить пульсации тока в намагничивающей обмотке, расположенной на среднем стержне.
Изобретение иллюстрируется 4 чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства.
На фиг.2 показан фрагмент конструкции с теплопроводом, подводящим тепло к подвижному элементу, примыкающему к зазорам снизу.
На фиг.3 изображен фрагмент конструкции с боковыми выступами, расположенными в области зазоров с нагреваемыми элементами.
На фиг.4 нарисована часть конструкции, вид со стороны подвижных нагреваемых элементов.
Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию выполнено следующим образом. Нагреваемые элементы 1, 2 (фиг.1) состоят из магнитно-мягкого материала, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, с пониженной точкой Кюри. При этом они и являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых стрежней 3, 4 и среднего стержня 5. Средний стержень 5 снабжен обмоткой возбуждения 6, питаемой от источника постоянного тока (не показан). В свою очередь боковые стержни снабжены генерирующими обмотками соответственно 7 и 8, на выходе которых установлены выпрямители (не обозначены). В боковом стержне 3, в области, примыкающей к среднему стержню 5, выполнен воздушный промежуток 9. В то же время в боковом стрежне 4, в области, примыкающей к среднему стержню, выполнен воздушный промежуток 10. В свою очередь нагреваемые элементы 1 и 2 сочленены между собой жесткой планкой 11, выполненной в виде коромысла. Средняя точка планки установлена на выступающем шарнире 12, основание которого расположено по оси симметрии магнитной цепи и приходится на нижнюю часть среднего стержня 5 между воздушными промежутками 9 и 10. Края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа соответственно 13 и 14, а нагреваемые элементы 1 и 2 перемыкают ту или иную пару выступов. В нижней части устройства расположен охладитель 15, установленный таким образом, что когда один из нагревательных элементов находится вне пределов воздушного промежутка, этот элемент входит в соприкосновение с охладителем. Области промежутков снабжены теплопроводом 16 (фиг.2), подводящим тепло от нагревателя 16".
Выступы 13 (14) могут располагаться с боковой стороны по отношению к боковым стержням 3 (4) (фиг.3).
Дополнительное представление о расположении нагревательных элементов по отношению к боковым стрежням дает фиг.4, на которой имеется вид со стороны подвижных нагреваемых элементов 1 и 2.
Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию действует следующим образом. При подаче питания на обмотку возбуждения 6 в магнитопроводе возникает магнитный поток, который распространяется по боковым стержням 3 и 4. Один из подвижных элементов, находящийся ближе к своему зазору, притянется к боковому стержню, замкнув при этом соответствующий зазор. Допустим это, как показано на фиг.1, подвижный элемент 1 замыкает зазор 9. При этом подвижный элемент 2 остается в зоне действия намагничивающей силы, создаваемой боковым стержнем 4. Одновременно элемент 2 будет соприкасаться с охладителем 15. Магнитный поток в боковом стержне 3 возрастает, а элемент 1 попадает в зону действия теплопровода 16, подводящего тепло от нагревателя 16". Нагреваемый элемент 1 подвергается нагреву от нагревателя до температуры, при которой он теряет свои магнитные свойства, и к зазору 10 притянется подвижный элемент 2, замыкая при этом магнитную цепь бокового стержня 4. Магнитное поле в боковом стержне 4 возрастает, а в боковом стержне 3 наоборот падает. Теперь в зоне нагрева находится элемент 2, а в зоне охлаждения элемент 1. В результате происходит потеря магнитных свойств в элементе 2 и восстановление этих свойств в элементе 1. Далее процесс повторяется. В результате в боковых стержнях поочередно будет периодически увеличиваться или уменьшаться магнитный поток и по закону электромагнитной индукции, определяемой формулой
где w - число витков обмотки 7 или 8, dФ/dt - изменение магнитного потока. Полученная таким образом эдс выпрямляется в выпрямителях и используется как источник электрической энергии. Ток от выпрямителей может подводиться к обмотке возбуждения 6, формируя, таким образом, систему самовозбуждения.
Параллельные выступы 13, 14, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.
Выполнение жесткой планки 11, соединяющей нагревательные элементы, из материала с пружинящими свойствами дает возможность снизить пульсации тока в обмотке 6, расположенной на среднем стержне 5.
Как видно из описания, предлагаемое устройство прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию функционирует при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев в автоматическом режиме и генерируемая мощность будет зависеть только от скорости подачи тепла и охлаждения, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.
Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в устройствах, в которых происходят циклические процессы с нагревом и охлаждением.
1. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащее нагреваемые элементы и генератор электрической энергии, отличающееся тем, что нагреваемые элементы выполнены из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода и теряющего свои магнитные свойства при нагревании, указанные нагревательные элементы являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня, боковые стержни выполнены в виде двух элементов, разделенных между собой воздушными промежутками, расположенными симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню и примыкающими к нему, нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире, расположенном на оси симметрии на краю среднего стержня так, что при переходе планки из одного положения в другое один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стрежня, воздушные промежутки снабжены теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем, причем средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор электрической энергии выполнен в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях.
2. Устройство для преобразования тепловой энергии по п.1, отличающееся тем, что края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.
3. Устройство для преобразования тепловой энергии по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что жесткая планка выполнена из пружинящего материала.
Похожие патенты:
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения.
Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет генерировать электрическую энергию за счет модуляции теплового потока, проходящего через электрический конденсатор с температурно-зависимой емкостью, используя разницу температур в окружающей среде
Изобретение относится к области электротехники и физики магнетизма и может быть использовано при построении модулей стационарных или мобильных энергетических устройств, использующих прямое преобразование тепловой энергии окружающей среды
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования тепловой энергии окружающей среды в механическую энергию вращения кольца. В прозрачную цилиндрическую вакуумную колбу помещено вращающееся кольцо с осью вращения, край которого размещен в зазорах постоянных магнитов подковообразной формы, эквидистантно расположенных вокруг него. На колбе закреплены элементы магнитного подвеса вращающегося кольца, ротор первичного раскручивания оси вращения и съемный узел, создающий вращающееся магнитное поле. Кольцо выполнено из смеси парамагнитного и диамагнитного вещества с такими концентрациями x1 и x2 этих ингредиентов, что выполнены условия x1X1-x2|X2|→0, x1+x2=1, где X1 и Х2 - магнитные восприимчивости соответственно парамагнитного и диамагнитного веществ смеси, в течение времени пребывания любого дифференциального объема смеси dv=Sdx, где S - поперечное сечение кольца, охваченного магнитным зазором, dx - дифференциальный слой кольца вдоль направления движения смеси в магнитном зазоре по оси х, равного Δt=L/ωR, где L - длина магнитного зазора вдоль оси х, ω - угловая скорость вращения кольца (диска), R - радиус кольца (диска), а также условие, что постоянная магнитной вязкости парамагнитного вещества т1 в пять и более раз меньше постоянной магнитной вязкости диамагнитного вещества т2. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к физике, к прямому преобразованию энергии излучения радиоактивных изотопов и отходов ядерных реакторов в механическую энергию вращения и может быть использовано в качестве силового привода различных механизмов. Технический результат состоит в повышении эффективности охлаждения и упрощении эксплуатации путем и исключения необходимости в динамической балансировке и осуществления теплопередачи и нагрузки за пределами действия радиации. Радиационно-магнитный двигатель содержит радиационно-защитный статор с постоянным магнитом, средства отвода тепла охлаждающей жидкостью. Система изменения магнитных свойств ротора выполнена в виде двух полуцилиндров на общей оси, один из которых прозрачен для радиоактивного излучения от источника, расположенного в центре полуцилиндров, а другой является его экраном. Ферромагнитный ротор из радиационно-чувствительного материала выполнен в виде неподвижного трубчатого змеевика, плотно сопряженного с внутренней поверхностью статора и заполненного охлаждающей магнитной жидкостью в виде суспензии радиационно-чувствительных частиц редкоземельных ферромагнетиков и радиационно-стойкого жидкого теплоносителя, который непосредственно сообщается с закрытым гидроприводом, включающим гидроаккумулятор, радиатор охлаждения и лопастную турбину либо объемный гидродвигатель, кинематически связанные с полезной механической нагрузкой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к электростанциям, работающим на базе глубинного тепла Земли. Петротермальная электростанция содержит скважину, пробуренную до глубины с температурой забоя не менее 600°С, теплоотборную систему, расположенную в скважине, содержащую паровой котел, два присоединенных к нему трубопровода, каждый из которых состоит из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева, заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения. Устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства. Обеспечивает надежную работу петротермальной электростанции, повышение мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электротехнике, к системам автоматической стабилизации напряжения постоянного тока, вырабатываемого непосредственным преобразованием тепловой энергии внешней среды, например водных бассейнов, и может быть использовано в экологически чистой электроэнергетике. Технический результат состоит в стабилизации напряжения постоянного тока при вариации внешней нагрузки и увеличении срока действия и надежности. Устройство автоматического управления электрогенератором содержит ферромагнитное кольцо, механически связанное с осью вращения через траверсы, одна часть которого совмещена с насыщающим магнитным полем сильного постоянного магнита, а другая связана с тепловыделяющей средой. Фильтр нижних частот, или интегратор, последовательно соединен с блоком управления подмагничиванием, выход которого соединен с катушкой подмагничивания. Магнитный зазор сильного постоянного магнита выполнен из двух частей, первая из которых образует однородное магнитное поле с напряженностью, обеспечивающей на длине L этой части зазора доведение магнитной восприимчивости ферромагнетика до максимального значения, а вторая длиной L снабжена катушкой подмагничивания и образует насыщающее магнитное поле в начале этой части зазора и далее в направлении движения ферромагнитного кольца линейно возрастающее по напряженности магнитное поле к концу зазора. Ось вращения механически связана с измерителем частоты вращения оси и бесколлекторным генератором постоянного тока, подключенным к нагрузке и включающем раздельные рабочую обмотку и обмотку подмагничивания. Рабочая обмотка подключена к аккумуляторной батарее, к внешней нагрузке, к источнику опорного напряжения, к блоку управления подмагничиванием и к первому входу устройства сравнения. Обмотка подмагничивания подключена к аккумуляторной батарее через переключатель перемены полярности постоянного тока. Выход источника опорного напряжения подключен ко второму входу устройства сравнения, выход которого соединен с управляющим входом блока управления подмагничиванием через фильтр нижних частот. 10 ил.
Изобретение относится к электрическим термомагнитным приборам на твердом теле, предназначенным для генерации электрической энергии путем ее непосредственного преобразования из тепловой энергии, и может быть использовано в качестве источника питания электрооборудования. Технический результат: повышение эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность: способ заключается в том, что преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляют путем периодического изменения состояния намагниченности распложенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента, нагретого до соответствующей ферромагнитному материалу температуры Кюри, находящегося в фазе парапроцесса. Изменение намагниченности термочувствительного ферромагнитного элемента осуществляют путем циклического изменения тока подмагничивания. Устройство содержит магнитопровод 1 с источником магнитного поля 2, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 3, нагреватель 4, выходную обмотку 5, входную обмотку 6, размещенные на магнитопроводе, термоизолятор 7, генератор-возбудитель 8, подключенный к входной обмотке 6, и накопитель электрической энергии 9, подключенный к выходной обмотке 5. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к физике магнетизма и электронике, к системам, вырабатывающим переменный ток непосредственным преобразованием тепловой энергии внешней среды, например водных бассейнов. Технический результат состоит в стабилизации частоты вырабатываемого переменного тока, повышении надежности. Генератор переменного тока содержит механически связанное с осью вращения через траверсы ферромагнитное кольцо, часть совмещена с насыщающим магнитным полем сильного постоянного магнита, а другая - связана с тепловыделяющей средой, например очищенной водой, забираемой из соответствующего водного бассейна. Управляемый источник тока подмагничивания выходом соединен с катушкой подмагничивания. Магнитный зазор сильного постоянного магнита выполнен из двух частей, первая из которых образует однородное магнитное поле с напряженностью H*, обеспечивающей на длине L этой части доведение магнитной восприимчивости ферромагнетика до максимального значения, а вторая длиной L - образует насыщающее магнитное поле в начале этой части магнитного зазора и далее в направлении движения ферромагнитного кольца, линейно возрастающее по напряженности магнитное поле к концу магнитного зазора. На ферромагнитное кольцо намотана катушка из проводника, связанная с аккумуляторной батареей через установленные на его оси кольцевые скользящие контакты и силовой диод в цепи заряда аккумуляторной батареи, питающей управляемый источник тока подмагничивания. 6 ил.
Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии
Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, поскольку она используется во всех секторах экономики, сопровождает большинство промышленных процессов и жизнедеятельность людей. В большинстве случаев отработанное тепло теряется безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс уже ничего не стоит, поэтому повторное его использование будет способствовать как уменьшению энергетического кризиса, так и защите окружающей среды. Поэтому новые способы преобразования тепловой в электрическую энергию и конверсия отработанного тепла в электричество сегодня как никогда актуальны.
Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, чтобы снизить объемы выбросов СО 2 . Существуют различные способы преобразование тепловой энергии в электрическую, зависящие от типов первичной энергии.
Среди ресурсов энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), а уран путем ядерного деления (ядерной энергии), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. Десять крупнейших стран производителей электроэнергии на 2017 год представлены на фото.
Таблица эффективности работы существующих систем преобразование тепловой энергии в электрическую.
Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства. Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.
Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO 2 , отходы, доступность и гибкость.
Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.
Технологии возобновляемых источников энергии, такие как солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO 2 , требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.
Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.
Тепловые электростанции
На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученный от нагрева воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), вращает турбину, подключенную к генератору. Таким образом он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую. Рабочие компоненты тепловой электростанции:
- Котел с газовой топкой.
- Паровая турбина.
- Генератор.
- Конденсатор.
- Охлаждающие башни.
- Циркуляционный водяной насос.
- Насос подачи воды в котел.
- Принудительные вытяжные вентиляторы.
- Сепараторы.
Типовая схема представлена ниже.
Паровой котел служит для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах с нагревом от сжигания топлива. Процессы горения непрерывно проводятся в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.
Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой толкает лопатки турбины, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижается до насыщенного состояния. Насыщенный пар попадает в конденсатор, а роторная мощность применяется для вращения генератора, вырабатывающего ток. Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсаторный тип.
Конденсаторы - это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Такая конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, площади поверхности труб и разности температур между водяным паром и охлаждающей водой. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае конденсатор находится под вакуумом, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуре, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.
Генератор преобразует механическую энергию в состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушки, а магнитная полевая роторная станция состоит из сердечника, содержащего катушку.
По виду вырабатываемой энергии ТЭС делятся на конденсационные КЭС, которые производят электрическую энергию и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно выпускающие тепловую (пар и горячая вода) и электрическую энергию. Последние, имеют возможности преобразования тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.
Атомные электростанции
АЭС используют тепло, выделяемое во время ядерного деления, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс протекает внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран 235. Топливо для АЭС получают из урана, имеющего в своем составе изотоп 235U (0,7%) и неделящегося 238U (99,3 %).
Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран - относительно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и обрабатывается до использования в качестве топлива.
Виды деятельности, связанные с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на АЭС. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается удалением ядерных отходов. При переработке использованного топлива в качестве опции для ядерной энергии, его этапы образуют настоящий цикл.
Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:
- Выгорание урана 235.
- Шлакование - 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
- В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.
Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.
После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.
Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.
Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире - на фото ниже.
Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен работе паротурбинной электростанции. Единственное различие заключается в том, что на паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной силовой установке - газ.
Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.
В газотурбинной электростанции воздух сжимают в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, повышается температура сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температурой и высоким давлением проходит через газовую турбину. В турбине она резко расширяется, получая кинетическую энергию достаточную для вращения турбины.
В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика вспомогательной энергии на гидроэлектростанции. Он генерирует вспомогательную мощность во время запуска гидроэлектростанции.
Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.
Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.
Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.
Недостатки газотурбинной электростанции:
- Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
- Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
- Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
- До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
- Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.
Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.
Термоэмиссионные преобразователи
Они также называются термоэлектронным генератором или термоэлектрическим двигателем, которые непосредственно преобразуют тепло в электричество, используя термоэмиссию. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высокой эффективностью через индуцированный температурой процесс электронного потока, известный как термоэлектронное излучение.
Основным принципом работы термоэлектронных преобразователей энергии является то, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме и затем конденсируются на более холодном аноде. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэлектронные преобразователи энергии использовались с различными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах - выше 1500 К. В то время как работа термоэлектронных преобразователей энергии при относительно низкой температуре (700 К - 900 К) возможна, эффективность процесса, которая обычно составляет > 50%, значительно уменьшается, поскольку количество излучаемых электронов на единицу площади от катода зависит от температуры нагрева.
Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, число испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование демонстрирует, что температура тепла может быть снижена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Полученные данные показывают, что катодный термоэлектронный преобразователь на основе графена, работающий при 900 К, может достичь КПД 45%.
Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на фото.
TIC на основе графена, где Tc и Ta - температура катода и температура анода, соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, чтобы конвертер энергии катода на основе графена мог найти свое применение при повторном использовании тепла промышленных отходов, которое часто достигает температурного диапазона от 700 до 900 K.
Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может принести пользу конструкции преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном являются термоэлектрическими генераторами, обычно работают неэффективно в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%).
Утилизация отходов энергии стала популярной целью для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрические устройства на основе нанотехнологий, которые выглядят, как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло известно, как термоэлектричество, основанное на эффекте Пельтье. Если быть точным, эффект называется именем двух физиков - Жана Пельтье и Томаса Зеебека.
Пельтье обнаружил, что ток, посылаемый в два разных электрических проводника, которые соединены на двух переходах, приведет к нагреву одного соединения, в то время как другое соединение охладится. Пельтье продолжил исследования, установил, что каплю воды можно заставить замерзнуть на стыке висмута-сурьмы (BiSb), просто изменив ток. Пельтье также обнаружил, что электрический ток может протекать, когда имеет место разность температур размещается поперек соединения разных проводников.
Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником электроэнергии из-за его способности преобразовывать тепловой поток непосредственно в электричество. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко масштабируются и не имеют движущихся частей или жидкого топлива, что делает их применимыми практически в любой ситуации, когда большое количество тепла, как правило, направляется в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.
Наноструктуры, используемые в материалах полупроводниковых термоэлементах, помогут поддерживать хорошую электропроводность и уменьшить теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличена за счет использования материалов на основе нанотехнологий, с применением эффекта Пельтье. Они обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами и хорошими поглощающими способность солнечной энергии.
Применение термоэлектричества:
- Поставщики энергии и датчики в диапазонах.
- Сжигающая масляная лампа, управляющая беспроводным приемником для удаленной связи.
- Нанесение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS/GSM и импульсные счетчики с теплотой тела.
- Быстро охлаждающие сиденья в роскошных автомобилях.
- Уборка отработанного тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество.
- Преобразование отработанного тепла на заводах или промышленных объектах в дополнительную мощность.
- Солнечные термоэлектрики могут быть более эффективнее, чем фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньшим солнечным светом.
Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.
Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).
Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.
Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).
Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.
Огромное количество электронных устройств поглощает электрическую энергию, которую надо постоянно возобновлять. Находясь в пути, приходится возить с собой химические источники тока или вырабатывать электричество из механической энергии с помощью сложных и громоздких приспособлений.
Вид термоэлектрического генератора
Ещё раньше Зеебек обнаружил возникновение термо-ЭДС в цепи из разнородных проводников при поддерживании разной температуры в месте контакта. На основании термоэлектрических эффектов был создан так называемый элемент или модуль «Пельтье», представляющий собой 2 керамические пластины с расположенным между ними биметаллом. При подаче через них электрического тока, одна сторона пластины нагревается, а другая охлаждается, что позволяет создавать из них холодильники. На рисунке ниже изображены модули разных размеров, применяемые в технике.
Модули «Пельтье» разных размеров
Процесс является обратимым: если поддерживать температурный перепад на элементах с обеих сторон, в них будет вырабатываться электрический ток, что позволяет использовать устройство как термоэлектрический генератор для выработки небольшого количества электроэнергии.
Эффект «Пельтье» заключается в выделении тепла в месте контакта разнородных проводников при протекании по ним электрического тока.
Принцип действия модулей
На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.
Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).
Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.
Модуль «Пельтье»
Больше всего распространён термоэлектрический модуль (ТЭМ), представляющий собой полупроводники p-, и n-типов, соединённые между собой через медные проводники.
Схема принципа работы модуля
В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.
Вблизи первого перехода медь – полупроводник p-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.
Вблизи следующей границы с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.
На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа n, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода.
Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в n-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.
Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.
На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор.
Как выглядит структура модуля
Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов p-, и n-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла – термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.
В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.
Достоинства и недостатки ТЭМ
К преимуществам термоэлектрического модуля (ТЭМ) относят:
- малые размеры;
- возможность работы, как охладителей, так и нагревателей;
- обратимость процесса при смене полярности, позволяющая поддерживать точное значение температуры;
- отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются.
Недостатки модулей:
- малый КПД (2-3%);
- необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад;
- значительное потребление электроэнергии;
- высокая стоимость.
Несмотря на недостатки, ТЭМ применяются там, где большие энергозатраты не имеют значения:
- охлаждение чипов, деталей цифровых фотокамер, диодных лазеров, кварцевых генераторов, инфракрасных детекторов;
- использование каскадов ТЭМ, позволяющих добиться низкой температуры;
- создание компактных холодильников, например, для автомобилей;
- термоэлектрогенератор для зарядки мобильных устройств.
При малой производительности ТЭГ целесообразно применять в походных условиях, где требуется получить электричество для зарядки сотового телефона или светодиодной лампочки. Простота конструкции позволяет изготовить электрогенератор своими руками.
Альтернативными источниками также являются солнечные батареи или ветрогенератор . Для первых требуются особые условия – наличие солнечного освещения, которое может быть не всегда. Другой источник имеет большие габариты и для него необходим ветер. Ещё одним недостатком у них является наличие подвижных частей, снижающих надёжность и имеющих большой вес.
Термогенераторы промышленного изготовления
Компания BioLite разработала новую модель для походов, позволяющую готовить пищу в компактной переносной печке на дровах и одновременно заряжать мобильное устройство от встроенного ТЭГ.
Компактная переносная печка на дровах
Устройство пригодится везде: на рыбалке, в походе, на даче. В качестве топлива можно применять всё, что горит.
При сгорании в топке топлива тепло передаётся через стенку модулю, который вырабатывает электричество. При напряжении 5В, мощность на выходе составляет 2-4 Вт, чего вполне хватает для зарядки многих типов мобильных устройств и работы освещения на светодиодах. Красной стрелкой изображено направление движения тепла, синей – холодного воздуха в топку, жёлтыми – подача электричества на вращение вентилятора подсоса воздуха и на выход генератора через USB.
Схема работы ТЭГ компании BioLite на дровах
Печь-генератор «Индигирка», разработанная петербургским предприятием Криотерм, имеет характеристики:
- тепловая мощность – 6 кВт;
- вес – 56 кг;
- габариты – 500х530х650 мм;
- эл. мощность при напряжении 5В – 60 Вт.
Печь является обычной отопительно-варочной, где с двух сторон закреплены термоэлектрогенераторы.
Как выглядит печь-термоэлектрогенератор «Индигирка»
Устройство довольно удобное, но впечатляет цена – 50 тыс. руб. Хоть печь, и предназначена для походных условий, но рядовым охотникам и рыболовам она будет явно не по карману. Как отопительная, она ничем не лучше обычных и более дешёвых моделей.
Если пристроить ТЭГ к простой печи, устройство, изготовленное своими руками, будет работать отлично.
ТЭГ своими руками
Чтобы термоэлектрический генератор собрать своими руками, необходимы следующие элементы:
- Модуль. Для генерирования электрического тока можно применять не все модули, а только те, которые способны выдержать нагрев до 300-400 0 С. Наличие запаса по нагреву необходимо, поскольку даже при незначительном перегреве элемент выходит из строя. Наиболее распространены модели типа ТЕС1-12712 в виде квадратных пластин с размером стороны 40, 50 или 60 мм.
Если взять максимальный размер, достаточно в конструкции, сделанной своими руками, применить один элемент. Первые 3 цифры маркировки – 127 означают, сколько элементов содержится в 1 пластине. Последние цифры показывают величину максимально допустимого тока, который составляет 12 А.
- Повышающий преобразователь. Он необходим для получения постоянного напряжения 5В. Генератор может выдавать меньшее напряжение, которое необходимо увеличить. Устройства выпускают зарубежные (типы 5V NCP1402 и MAX 756) и отечественные (3.3В/5В ЕК-1674). Для зарядки мобильника следует подобрать устройство с USB разъёмом.
- Нагреватель. Простейшими вариантами являются костёр, свеча, самодельная лампа или миниатюрная печка.
- Охладитель. Проще всего применять воду или в зимнее время – снег.
- Соединительные элементы. Необходимо оборудование для создания максимально возможного температурного перепада между двумя сторонами пластины. Здесь выбор за умельцами, они чаще всего применяют 2 кружки или кастрюли разных размеров, у которых отпиливаются ручки и где одна вставляется внутрь другой. Между ними помещается модуль и крепится на термопасту. К нему припаиваются 2 провода и подключаются к преобразователю напряжения.
Для повышения КПД генератора, днища металлических поверхностей кружек или кастрюль, контактирующие с пластиной генератора, следует отполировать. Кроме того, на места между донышками меньшей и большой кружек наносится термостойкий герметик. Тогда тепло от нагрева будет локализовано в месте нахождения модуля.
Провода между модулем и преобразователем защищаются термостойкой изоляцией и герметиком.
Во внутреннюю кружку наливается вода, и вся конструкция ставится на огонь. Через несколько минут можно проверить выходное напряжение мультиметром.
Для того чтобы собрать термоэлектрический генератор самостоятельно, понадобятся материалы:
- элемент «Пельтье»;
- корпус от старого блока питания компьютера для изготовления мини-топки;
- преобразователь напряжения с USB выходом на 5В при входном 1-5 В;
- радиатор с кулером от процессора;
- термопаста.
Затраты здесь небольшие и устройство вполне способно зарядить мобильный телефон. Генератор, собранный своими руками, является аналогом зарубежной модели фирмы BioLite. Если его собрать аккуратно, устройство будет надёжно работать долгое время, поскольку ломаться здесь нечему. Важно только не перегреть элемент «Пельтье», отчего он может выйти из строя.
При использовании куллера для охлаждения радиатора его следует подключить к генератору, после чего часть вырабатываемой энергии будет расходоваться на охлаждение.
Несмотря на дополнительные энергозатраты, КПД установки возрастёт. Если радиатор будет сильно нагреваться в процессе работы, необходимо принять меры по его охлаждению. Иначе эффективность работы генератора будет низкой.
Характеристики генератора следующие:
- выходное напряжение – 5В;
- мощность нагрузки – 0,5А;
- тип выхода – USB;
- топливо – любое.
Устройство изготавливается следующим образом:
- разобрать блок питания, оставив корпус;
- приклеить термопастой модуль «Пельтье» к радиатору. Клеить надо холодной стороной, где нанесена маркировка;
- зачистить и отполировать наружную боковую поверхность корпуса блока питания и приклеить к ней элемент другой стороной (вместе с радиатором);
- припаять провода от входа преобразователя напряжения к выводам пластины.
Проверить ТЭГ можно, если наложить внутрь топки тонких веточек и поджечь их. Через несколько минут можно подключать телефон, для подзарядки которого требуется разница температуры сторон модуля 100 0 С. На рисунке ниже изображён генератор в сборке.
Термоэлектрогенератор в сборке, изготовленный своими руками
При использовании ТЭГ необходимо соблюдать полярность подключения модулей.
Видео. Термоэлектрический генератор
Эффект «Пельтье» позволяет создать небольшие генераторы и холодильники, работающие без подвижных частей. Повышение качества модулей и снижение энергопотребления мобильных устройств позволяет создать своими руками термоэлектрогенератор для зарядки аккумуляторов и снабжения небольшим количеством энергией различные устройства, где КПД не имеет особого значения.
