Ритэг своими руками
Термоэлектрический генератор, сокращенно ТЭГ – это устройство, вырабатывающее электричество, используя эффект возникновения электродвижущей силы (ЭДС), за счет разницы температур проводников. Стоит отметить, что имеется и обратный эффект — получение разницы температур при воздействии электрического тока.
Краткое содержимое статьи:
Что это такое?
Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.
На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.
Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.
Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.
Историческая справка
Обратное свойство – нагревание или охлаждение разнородных проводников воздействием электрического тока, в 1834 году изучил француз Жан Пельтье, его именем назван и сам эффект и термоэлектрический преобразователь, получивший название элемент Пельтье. Свой вклад в исследования внесли, также русский физик Эмилий Ленц в 1838 г. и британец Уильям Томпсон в 1851 г.
Читайте здесь! Биотопливо - что это такое? Обзор популярных видов и типов биотоплива. Методы производства в домашних условиях + инструкция
ТЭГ пытались создавать с середины 19 века. В 1874 году была разработана батарея Кламона, которая была достаточно мощной, чтобы использоваться в типографии или при гальванизации.
Причина, по которой эти технологии не получили широкого распространения, заключается в низком КПД, при использовании чистых металлических пар — это сотые доли процента. Немногим более эффективными — 1,5-2,0% оказались термоэлементы из полупроводников, которые начали использоваться в середине XX века.
Конструктивные особенности и область применения
Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.
Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.
Автономные термоэлектрические генераторы
Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.
Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.
Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.
Универсальные термоэлектрические генераторы
К универсальным ТЭГ можно отнести те устройства, которые используют излишки тепла там, где таковые имеются, а также генераторы двойного назначения — для выработки электрической и тепловой энергии.
Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.
Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.
ТЭГ своими руками
Создание простейшего генератора в домашних условиях не составит больших трудностей по причине его крайней простоты. По сути, все что нужно, это найти элемент Пельтье. Приобрести такой элемент сегодня не составляет труда и не потребует больших затрат.
Для простейшей демонстрации, кроме термоэлемента, достаточно будет двух алюминиевых банок прямоугольной формы, канцелярского зажима, пары проводов, холодной и горячей воды. Нужно поместить элемент Пельтье между корпусами банок, скрепив их зажимом, налить в одну банку кипяток, в другую холодную воду, желательно со льдом.
Теперь, если правильно соблюдена полярность, можно замерить напряжение на выводах элемента, сомнительно, что оно будет больше одного вольта, но, можно считать, что демонстрация удалась.
Чуть более сложной задачей будет сборка термоэлектрического генератора на дровах. Для этого, помимо термоэлемента, понадобиться камера сгорания, в качестве которой подойдет корпус от компьютерного блока питания, радиатор и вентилятор можно использовать от процессора, разъем USB.
Для тех, кто желает получить более высокое напряжение можно порекомендовать инверторы стабилизаторы — все зависит от фантазии. Инструкций и схем на просторах сети достаточно. Ниже приведена фотография подобного устройства.
Заключение
Итак, в статье был дан краткий обзор одному из направлений альтернативной энергетики — энергия, получаемая за счет термоэлектрических эффектов. История развития этого направления еще не написана до конца и не стоит на месте.
Термоэлектрические генераторы совершенствуются и находят новые применения, а следовательно рано сбрасывать со счетов эти простые, но полезные устройства.
Так получилось, что в серии "Мирный космический атом" мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг - рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда "Кассини", а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.
Физика процесса
Производство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59 Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59 Co один нейтрон (например, поместив "обычный" кобальт в атомный реактор), то получится 60 Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин "период полураспада" означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех "обычных" элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:
3D карта изотопов, спасибо crustgroup за картинку.
Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:
| Изотоп | Способ получения | Удельная мощность, Вт/г | Объёмная мощность, Вт/см³ | Период полураспада | Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г | Рабочая форма изотопа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Со (кобальт-60) | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
| 238 Pu (плутоний-238) | атомный реактор | 0,568 | 6,9 | 86 лет | 608,7 | Карбид плутония |
| 90 Sr (стронций-90) | осколки деления | 0,93 | 0,7 | 28 лет | 162,721 | SrO, SrTiO3 |
| 144 Ce (церий-144) | осколки деления | 2,6 | 12,5 | 285 дней | 57,439 | CeO2 |
| 242 Cm (кюрий-242) | атомный реактор | 121 | 1169 | 162 дня | 677,8 | Cm2O3 |
| 147 Pm (прометий-147) | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 2,64 года | 12,34 | Pm2O3 |
| 137 Cs (цезий-137) | осколки деления | 0,27 | 1,27 | 33 года | 230,24 | CsCl |
| 210 Po (полоний-210) | облучение висмута | 142 | 1320 | 138 дней | 677,59 | сплавы со свинцом, иттрием, золотом |
| 244 Cm (кюрий-244) | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 18,1 года | 640,6 | Cm2O3 |
| 232 U (уран-232) | облучение тория | 8,097 | ~88,67 | 68,9 лет | 4887,103 | диоксид, карбид, нитрид урана |
| 106 Ru (рутений-106) | осколки деления | 29,8 | 369,818 | ~371,63 сут | 9,854 | металл, сплав |
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество
. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы "допрыгнуть" до анода, создавая электрический ток.
. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
- тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144 Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.
SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп - стронций-90.
SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность - десятки ватт. Например, SNAP-7D - 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность - 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий - метеорологические спутники Nimbus, зонды "Пионер" -10 и -11, марсианские посадочные станции "Викинг". Изотоп - плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.
SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы "Аполлон". 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.
MHW-RTG
Название расшифровывается как "многосотваттный РИТЭГ". 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством "Вояджеры". На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде "Улисс", зондах "Галилео", "Кассини-Гюйгенс" и летит к Плутону на "Новых горизонтах".
MMRTG
РИТЭГ для "Кьюриосити". 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый ламповый кубик плутония.
РИТЭГи США с привязкой по времени.
Сводная таблица:
| Название | Носители (количество на аппарате) | Максимальная мощность | Изотоп | Вес топлива, кг | Полная масса, кг | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Электрическая, Вт | Тепловая, Вт | |||||||
| MMRTG | MSL/Curiosity rover | ~110 | ~2000 | 238 Pu | ~4 | 238 Pu | 7.8 | 55.9–57.8 |
| MHW-RTG | LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) | 160 | 2400 | 238 Pu | ~4.5 | 37.7 | ||
| SNAP-3B | Transit-4A (1) | 2.7 | 52.5 | 238 Pu | ? | 2.1 | ||
| SNAP-9A | Transit 5BN1/2 (1) | 25 | 525 | 238 Pu | ~1 | 12.3 | ||
| SNAP-19 | Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) | 40.3 | 525 | 238 Pu | ~1 | 13.6 | ||
| модификация SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) | 42.7 | 525 | 238 Pu | ~1 | 15.2 | ||
| SNAP-27 | Apollo 12–17 ALSEP (1) | 73 | 1,480 | 238 Pu | 3.8 | 20 | ||
СССР/Россия
В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ "Лимон-1" на полонии-210, созданный в 1962 году:
Первыми космическими РИТЭГами стали "Орион-1" электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии "Стрела-1" - "Космос-84" и "Космос-90". Блоки обогрева стояли на "Луноходах" -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии "Марс-96":
В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании - серии "БЭТА", "РИТЭГ-ИЭУ" и многие другие.
Конструкция
Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы
Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД - как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG - РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.
Достоинства и недостатки
- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
- Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
- Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
- Низкий КПД.
- Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной - практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.
Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.
Ведь РИТЭГ — это почти что дармовой и достаточно компактный источник электричества!
Ну, с этим-то как раз всё просто. Поезжай в Архангельскую область или на Кольский п-ов и начинай искать… При союзе РИТЭГов было выпущено около 1000 штук и распределено по всему Северному морскому пути, где они питали маяки, сигнальные огни, метео- и гидрографические станции. Потом, когда СССР накрылся звездой, часть была вывезена, но остальные попросту бросили. Вывозить их было экономически невыгодно и технически крайне трудно.
Что же это такое РИТЭГ на самом деле, и почему его следует бояться?
РИТЭГ вырабатывает 30 вольт постоянного напряжения и может питать всякую аппаратуру потребляемой мощностью до 80-ти Вт. К самому РИТЭГу подсоединены аккумуляторы и другие приблуды, позволяющие накапливать и преобразовывать электроэнергию. Вообще, они были выпущены разные, поэтому характеристики могут отличаться. Но общее у всех них одно: источник тепла на основе радионуклида стронций 90.
Радионуклид в виде специальной топливной композиции заключён в сварную капсулу. Внутри неё он распадается и выделяет тепло, которое с помощью термоэлектрических элементов преобразуется в постоянный ток. Капсула защищена оболочкой из свинца и нержавейки. Предполагалось, что радиоактивное излучение не будет очень опасным для человека (всего-то 10 мР/ч на расстоянии метра от РИТЭГа), да и людей-то там мало будет, а те, которые будут, они не люди, а сотрудники.
В условиях севера, где сильные ветра и мало солнечных дней, РИТЭГ стал отличной альтернативой ветрякам и солнечным батареям. В нём нет движущихся частей, которые могут сломаться, как, например, в том же ветряке. Выдаваемая мощность не зависит от солнца. Ресурс — более 30-ти лет (полураспад стронция-90 происходит за 29 лет). Поэтому РИТЭГи пошли в серию. Большинство было передано Министерству обороны и установлено в гидрографических военных частях.
В США также использовали т.н. RTG (аналог РИТЭГов), но, в основном, для космических нужд. Хотя, около 10-ти штук было установлено на военных объектах на Аляске. Но после нескольких внештатных ситуаций RTG срочно заменили на дизель-генераторы.
RTG для NASA
Обращаемся ко всем выживальщикам, с нетерпением ждущим конца света!
Если вы где-то случайно найдете РИТЭГ и решите, что приспособить его для своих хозяйственных нужд — отличная идея, то для начала подумайте, собираетесь ли вы размножаться? Сам по себе источник тепла, без защитной оболочки, даёт на поверхности до 1000 Р/ч (это очень дофига!), а где гарантия, что за столько лет защита не потеряла герметичность?
Дальше. Вы ведь не в одиночку решили выживать, правда? Рука устанет в одиночку-то. Поэтому нужна какая-никакая группа или община. Но для нужд даже небольшой общины из нескольких семей вырабатываемой РИТЭГом мощности будет крайне мало. 80 Вт — это ничто! Зато опасность для людей и животных превышает все мыслимые пределы. Да и ресурс большинства РИТЭГов на сегодняшний день уже практически выработан. Так что, по итогу, вам достанется радиоактивный и бесполезный кусок железа.
В нынешние морозы на отоплении разориться можно. Невольно вспомнилось интересное изобретение СССР: изотопные мини-электростанции, в процессе работы выделяющие много ненужного тепла, а это практически дармовое отопление.
В 1821 году физик Томас Иоганн Зеебек открыл интересный эффект: если проводник, состоящий из двух разных металлов нагревать с одной стороны, а с другой охлаждать, то вырабатывается электричество. Это явление получило название термоэлектричество или эффект Зеебека.
ну вот это, без радиоактивных материалов кой где используется, например Тыц
Заказали себе термогенератор, хотим поэсперементировать в плане утилизации тепла, образующегося при работе оборудования.
КПД такого электрогенератора очень низкое, поэтому про него надолго забыли.
Советские физики вспомнили про этот эффект во время Великой Отечественной Войны: для зарядки аккумуляторов раций партизанских отрядов нужен был простой и надежный электрогенератор. Срочно наладили изготовление котелков, вырабатывающих термоэлектричество от жара обычного костра.
можно пруф?
на мой взгляд, это вранье
передающая рация, довольно жручая штука, особенно тех времен
большой котелок нужен со здоровым радиатором
совсем не как на картинке
Партизаны байки травили у костра.. А корреспондент из Москвы принял за чистую монету..
Я бы и сейчас такую хрень в печь вмонтировал бы..
печи есть такие , ищи "Индигирка"
но мощность около 100 вт
это очень мало для дачи
если бы можно было так высокие мощности генерировать, уже везде бы такого понатыкали
Не знал о таком, интересно, телефон от неё можно зарядить? Если да, то это в определённых случаях может дико выручить.
Может это заговор? Электрогенерирующих компаний? Собираем валежник, топим печь, посылаем нахер энергосбыт..
После войны термогенераторы использовали для электропитания домашних радиоприемников. В качестве источника тепла служила керосиновая лампа-самый распространенный источник света в домах тех времен.
Даже фирма GRUNDIG долгое время комплектовала свои радиоприемники термогенератором.
термогенераторы СССР и ФРГ
С началом космической эры снова понадобились термогенераторы. Если в околоземном космосе можно использовать солнечные батареи, то в дальнем космосе от них толку нет. В качестве источника тепла для термогенераторов начали использовать ядерные изотопы. Такие генераторы называются РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор )
Изотоп хорош тем, что долгие годы может выдавать стабильно высокую тепловую мощность. Снижение отдачи менее 1% в год. В космических аппаратах используется изотоп Плутоний-238 с сроком полураспада 88 лет. Считается самым безопасным из всех изотопов-на первом фото девушка проверяет работу термогенератора без всяких защитных костюмов. Единственный минус-высокая стоимость Плутония -238. Такие РИТЭ́Ги уже 44 года работают на американских спутниках "Вояджер", улетевших за пределы Солнечной системы, обеспечивая электричеством и теплом научную аппаратуру.
Для наземных РИТЭ́Гов использовали изотоп Стронций-90. Он очень дешевый, но требует более массивную защитную оболочку. Так же у него ниже срок службы-период полураспада 29 лет. Эти термогенераторы широко использовали в СССР для энергоснабжения маяков и удаленных систем радионавигации.
В начале 70х годов было принято решение создать необслуживаемый ядерный термогенератор большой мощности для обеспечения электричеством, отоплением и горячим водоснабжением удаленных населенных пунктов.
В 1981 году проект станции с романтическим названием "Елена" был готов. АТЭС ( атомная термоэлектрическая станция) была полностью необслуживаемой. Конструкция в собранном виде представляла цилиндр, закапываемый в землю. В конструкции нет никаких механизмов, насосов, двигателей, поэтому может работать без обслуживания до 30 лет. Генерирует до 100 кВт электрической и до 3000кВт тепловой энергии. В принципе, этого с лихвой хватит для отопления целого поселка и еще и останется на огромную теплицу.
Читайте также: