09.12.2022

Тепловой электрогенератор: Термоэлектрический генератор своими руками — 155 фото и видео мастер-класс по созданию теплового насоса – Термоэлектрогенератор — Википедия

Содержание

Термоэлектрический генератор своими руками — 155 фото и видео мастер-класс по созданию теплового насоса

Большинство начинающих электриков интересуется о возможности создания не затратного и автономного источника электроэнергии. Зачастую, например, выехав на пикник, рыбалку либо просто отдохнуть на свежем воздухе, критически не хватает электричества для зарядки какого-либо прибора или освещения в темное время суток.

В таких случаях может помочь самостоятельно сделанный термоэлектрический генератор, для дома такой прибор не подойдет, если только в крайних случаях.

При помощи его можно вырабатывать электрического напряжение до пяти вольт, этого будет достаточно для зарядки гаджетов и подключения лампочки.

Для визуального ознакомления с ТЭГ нужно лишь посмотреть в любых источниках фото термоэлектрического генератора.

Краткое содержимое статьи:

Что такое ТЭГ

Данное устройство, дает возможность выработать электроэнергию из энергии тепла.

Нужно пояснить, что выражение «Тепловая энергия» не совсем правильное, так как тепло, это метод отдачи, не являющийся отдельным типом энергии. Этим определением обозначают общую кинетику структурных элементов:

  • молекул;
  • атомов;
  • иных частиц, которые входят в состав вещества.

О термоэлектрическом генераторе: изготовление термоэлектрогенератора своими руками

Современное пользовательское электрооборудование нуждается в постоянной подкачке электричества, источники которого не всегда имеются «под рукой» (в длительном пешем путешествии, например). С этой точки зрения, традиционные автомобильные аккумуляторы (АКБ) очень тяжелы для переноски и не годятся для классических походных условий. Их может заменить такое удобное в эксплуатации и транспортировке устройство, как термоэлектрический генератор своими руками изготовленный из подсобных элементов (общий вид ТЭГ приведён на фото ниже).

Общий вид ТЭГ

Общий вид ТЭГ

Несмотря на свои внушительные размеры, этот агрегат имеет малый вес и может быть разборным, то есть вполне подходит для транспортировки во время похода. Ознакомимся с принципом работы термоэлектрического генератора более детально.

Эффект Пельтье, его обратимость

Изготовление автономных термических генераторов электричества стало возможным благодаря открытию известного из курса физики эффекта Пельтье, состоящего в следующем. Оказывается, что разнородные по структуре проводники при протекании через зону их спайки электрического тока обнаруживают интересное свойство, состоящее в появлении разницы температур между их пограничными точками.

На основании этого открытия был разработан специальный элемент «Пельтье», состоящий их двух разнесённых на некоторое расстояние пластин из керамики с помещённой между ними биметаллической прокладкой. При пропускании через такие системы электрических зарядов одна из этих обкладок нагревается, а другая, напротив, – охлаждается, что в принципе позволяет делать на их основе холодильные установки.

Важно! При изменении направления тока через стык проводников (при прямом эффекте) меняется вектор градации температуры на стыках.

На размещённом ниже рисунке изображены модули различного типа и размера, чаще всего применяемые в технических изделиях этого класса.

Разнообразие модулей «Пельтье»

Разнообразие модулей «Пельтье»

Как и многие другие электродинамические явления, этот эффект является полностью обратимым. Последнее означает, что при нагревании одной стороны пластин Пельтье и охлаждении другой на стыке между ними появится ЭДС, а через контактную зону и подключённую нагрузку потечёт небольшой ток (эффект Зеебека).

По этому принципу и функционирует рассматриваемый в этом обзоре генератор на элементах Пельтье, который вполне может работать на открытом воздухе (на рыбалке или в походе, например).

При проявлении эффекта Зеебека наблюдается та же зависимость от полярности происходящих изменений, а именно: если менять охлаждаемый и нагреваемый стыки местами, будет меняться и направление тока во всей системе. Таким образом, обратный элемент Пельтье как генератор электроэнергии представляет собой достаточно универсальное устройство, имеющее возможность регулировки величины и направления получаемой ЭДС.

Физическое объяснение

Причина возникновения разницы температур (в случае эффекта Пельтье) заключается в энергетике контактных зон, образующихся в местах стыка двух разнородных веществ (висмута и сурьмы, например). Особенности этих образований могут быть представлены следующим образом:

  • Из-за различной концентрации положительных и отрицательных зарядов в границах полярных зон (в центре размещается одно вещество, по краям – другое) между ними образуются собственные разнонаправленные электрические поля;
  • При протекании тока через контакт, в котором направление внешней и внутренней ЭДС совпадают, на поддержание перемещения электронов (на совершение работы в поле той же полярности) будет расходоваться внутренняя энергия вещества. Из основ физики известно, что такое явление соответствует остыванию материала в этом месте;
  • Соответственно этому, во второй контактной зоне, где направление приложенной ЭДС противоположно внутреннему полю, электроны будут тормозиться, и внешнему источнику придётся затрачивать дополнительную энергию по их перемещению. Согласно тем же физическим законам, указанный эффект соответствует забору энергии или нагреву материала в точке стыковки (смотрите фото ниже).
Пограничные явления в зонах Пельтье

Пограничные явления в зонах Пельтье

Обратите внимание! Напряжённости таких полевых образований максимальны на пограничных участках двух неоднородных сред (полупроводников разной проводимости, например), вследствие чего здесь этот эффект проявляется с особой силой.

Среди работающих по этому принципу устройств наиболее известны термические модули (ТЭМ), состоящие из разных типов полупроводников с размещённой между ними медной токопроводящей прокладкой.

Особенности функционирования ТЭМ

Принцип действия и конструкция

При рассмотрении особенностей функционирования ТЭМ, работающих по тому же принципу, что генератор Пельтье, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

  • В одном таком элементе имеется четыре перехода, которые образуются в пограничных зонах между краями металлической прокладки и двумя разнородными полупроводниковыми пластинами;
  • При образовании замкнутой цепочки поток электронов перемещается по направлению от минуса источника питания к его плюсу, проходя через каждый переход;
  • На границе первого по порядку барьера (полупроводник p-типа – медь) разогнанные во внешнем поле электроны переходят в состояние с меньшими энергиями разгона, вследствие чего происходит тепловыделение;
  • На следующем переходе наблюдается поглощение энергии (то есть охлаждение материала), что объясняется её расходом на работу по перемещению из зоны проводимости типа «p»;
  • На третьем пограничном переходе они попадают в зону полупроводника «n» со значительно большей, чем в прокладке из металла энергией, из-за чего здесь наблюдается её поглощение. Это приводит к охлаждению материала полупроводника на границе данного стыкового образования;
  • В последнем переходе вследствие попадания электронов в зону с меньшими энергиями наблюдается обратный процесс, связанный с тепловыделением.

Поскольку каждый из рассмотренных барьеров в границах ТЭМ располагается в разных плоскостях, такая конструкция с одной из сторон будет иметь более низкую температуру, а с другой – более высокую. На их основе создаются недорогие и лёгкие термогенераторы.

Дополнительная информация. В большинстве промышленных образцов ТЭМ функцию полупроводников выполняют соединения кремния и висмута.

В готовом к практическому использованию элементе содержится большое количество рассмотренных ранее переходов, что позволяет получать вполне ощутимые по величине температурные перепады. Используя обратный эффект (охлаждая одну из его сторон и нагревая другую) удаётся получить электрогенератор, энергии от которого будет хватать для зарядки мобильного телефона, например.

Достоинства и недостатки

К преимуществам модулей типа ТЭМ, используемых в режимах охлаждения и нагрева, можно отнести их универсальность, небольшие габариты и лёгкость, что особо важно в походных условиях.

Их существенным недостатком является высокая стоимость, сравнительно низкий КПД (всего 2-3%), а также необходимость в стороннем источнике, позволяющем получить требуемый перепад температур.

Обратите внимание! Все перечисленные достоинства и недостатки относятся и к элементам ТЭМ, используемым как термоэлектрогенератор (смотрите рисунок ниже).

Модуль ТЭМ

Модуль ТЭМ

Несмотря на присущие им недостатки, все эти изделия довольно часто применяются в различных сферах, где уровень энергозатрат не имеет решающего значения.

Самостоятельное изготовление

Комплект необходимых деталей

Перед тем, как собрать ТЭГ Пельтье своими руками, обязательно нужно учесть следующие важные моменты:

  • Для получения электричества за счёт разницы температур подходят далеко не все представленные ранее модули ТЭМ, а лишь те из них, что рассчитаны на нагрев до 300-4000 градусов;
  • Определенный запас по температуре гарантирует, что преобразовательные пластины не выйдут из строя при случайном перегреве рабочих контактов;
  • Из всего многообразия представленных изделий предпочтение следует отдать элементам типа ТЕС1-12712, изготавливаемых в виде квадратов с разными размерами сторон: от 40 до 60 мм (смотрите рисунок ниже).
Термоэлементы типа TEC

Термоэлементы типа TEC

Дополнительная информация. Для сборки устройства, рассчитанного на минимум потребляемой мощности, вполне может хватить одного элемента с максимальным размером.

Помимо этого, для изготовления генератора потребуется электронный преобразователь, позволяющий поддерживать выходное напряжение на уровне 5 Вольт. Необходимость в этой схеме объясняется тем, что генерируемая системой ЭДС непостоянна, так как разность температур всё время меняет своё значение при нагреве и охлаждении отдельных зон.

Стабилизатор напряжения придётся использовать фирменный (самостоятельно изготовить его могут только профессионалы). Для заявленных целей подойдёт устройство от зарубежного производителя марки «MAX 756» или отечественные изделия (3.3В/5В ЕК-1674), оснащённые USB разъёмом.

В качестве нагревателя могут использоваться как костёр (мини-печка), так и свеча, сухой спирт или самодельная лампа. Роль охладителя на природе чаще всего играет холодная вода, а в зимнее время – снег.

Сборка

Для формирования сред с разной температурой потребуются небольшие металлические ёмкости типа кружек или кастрюль из дюралюминия с отпиленными ручками. По своему размеру посуда подбирается так, чтобы одну ёмкость можно было вставить в другую, и чтобы между стенками оставался зазор, достаточный для размещения элементов TEC (они крепятся с двух сторон на термическую пасту).

Затем к каждой из сторон надёжно закреплённого модуля припаиваются хорошо изолированные провода, ведущие к преобразователю (стабилизатору). Для повышения отдачи системы (её КПД) днища металлических ёмкостей, непосредственно контактирующих с элементами ТЭГ, предварительно полируются, а на их донные части наносится тонкий слой термостойкого герметика (фото ниже).

Самодельный термогенератор

Самодельный термогенератор

Последняя операция обеспечит концентрацию тепла в зоне расположения модуля и не позволит ему рассеиваться на близко расположенных охлаждаемых деталях. Для проверки работоспособности получившейся конструкции во внутреннюю (меньшую по объёму) ёмкость наливается вода, или закладывается снег, после чего она ставится на огонь. По истечении некоторого времени можно будет проверить наличие выходного напряжения 5 Вольт посредством мультиметра.

В заключение отметим, что из-за не очень высокого КПД этого устройства применять его в походе целесообразно только с целью зарядки телефона или для энергоснабжения не очень мощного фонарика с подсевшей батарейкой. Благо, что на природе имеются все условия, необходимые для создания нужной разности температур (холодная вода из реки и тепло от костра).

Видео

Тепловой электрогенератор своими руками

Самодельный термоэлектрический генератор на элементах Пельтье может быть использован в полевых условиях для зарядки аккумуляторов. Можно подзарядить три пальчиковых аккумулятора на 3,6 вольт в сумме, или аккумулятор мобильника.

Данная конструкция имеет две части: электрическую и механическую.

Устройство электрической части теплогенератора

Используются четыре элемента Пельтье 12705, но можно использовать любые аналогичные. Элемент 12705 представляет из себя квадрат размером 4х4 см, толщиной 3 мм., производимый ток 5 Ампер, мощность 60 Ватт. Работа элемента Пельтье основана на том, что если нагреть одну сторону, а вторую сторону охладить, на выходе появляется электроток. При разнице температур в 100 градусов один элемент выдает 2 ватта, то есть 2 вольта и 1 ампер. В данной установке четыре элемента дают 8 ватт, 7-8 вольт, ток 0,7-0,8 Ампер. Элементы соединяются друг с другом последовательно плюс к минусу.

Механическая часть

Использованы две пластины размером 10х10 и толщиной 1 мм, под ними находятся четыре элемента Пельтье. Таким образом, учитывая размеры Пельтье, по краям остается еще по 1 см. Пластины крепятся термопастой. Сверху устанавливается консервная банка или другая емкость, в которой будет в полевых условиях разжигаться огонь, обеспечивающий 170-180 градусов. Элементы Пельтье не рекомендуется нагревать до температуры выше 200 градусов. К нижней части ко второй пластине болтами прикрепляется алюминиевый или медный радиатор. К самому радиатору присоединяется болтами еще одна изогнутая пластина 20х12 см. К этой пластине параллельно радиатору прикреплена еще одна пластина для установки на нее заводского кожуха от аккумуляторов. К нему припаивается разъем для зарядки телефона.

Купить модуль Пельтье можно  этом китайском магазине.  Есть и специальный кулер охлаждения.

Подробнее о электрической схеме и испытании теплоэлектрогенератора смотрите далее в видео.

Можно отрезать всю левую часть и выкинуть на берег, но как раз от этого я и хотел избавиться – от лишних проводов разбросанных по берегу! На счет радиатора частично согласен. Что хочу отметить: алюминий имеет хорошую теплопроводность и разница температур между водой и холодной частью подложки 10-15 град. Ну пусть мы сделаем за счет квадратного радиатора 5-10 град. КПД вырастит на 5-7 процентов это не плохо, но в данном случае не критично. Спасибо за совет. В следующих сборках буду учитывать.

продолжение:

В другой статье мы рассказали об использовании модуля Пельтье для охлаждения процессора и описали конкретную модель элемента.

Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

Альтернативные источники энергии сегодня самое модное направление в науке. Передовые технологии наперебой соревнуются в получении дешевого электричества из энергии воздуха, солнца, воды. И абсолютно все из них борются за максимальное КПД. Ведь если затраты на производство превысят количество полученной энергии, то какой тогда в ней толк – разве что для забавы сделать несколько занимательных физических опытов.
Термоакустика так бы и осталась теоретической наукой для лабораторий и физкабинетов, если бы не предшествующие изобретения в другой отрасли физики — термодинамике. Она получила новый период возрождения с изобретением теплового двигателя Стирлинга. Произошло это еще в 19 веке, и практически сразу привело буквально к революции в технической сфере. Тепловую энергию стали широко использовать во всевозможных двигателях. А вот разбираемое нами сегодня изобретение относится именно к термоакустике – науке о взаимодействии звука и тепла. Вы спросите, причем тут двигатель и генератор? Давайте разбираться по порядку.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

Принцип работы термоакустического двигателя


Это импровизированное устройство собрано буквально из подручных материалов, или даже их остатков. Однако это не мешает ему называться генератором на основе двигателя, добывая электричество из тепла. В основу этого явления положен принцип создания акустических волн, пропускаемых через резонатор с двумя мембранами, создающими резонанс. На верхней из них расположен магнит, вибрирующий от этих волн с определенной частотой. Это приводит к образованию магнитного поля, улавливаемого катушкой индуктивности. Она в свою очередь способна производить электрический ток, передаваемый потребителю.
Основой данного изобретения является верхний модуль – термоакустический преобразователь или двигатель. По сути это стеклянная трубка, которая поделена на три зоны:
  • Зона нагрева – в ней происходит нагревание воздуха или газа;
  • Зона регенератора – вещества, которое поочередно контактирует с холодным и горячим воздухом;
  • Зона охлаждения – в которой понижается температура воздуха.

Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

Материалы и инструменты


Для создания двигателя-генератора нам понадобятся следующие ингредиенты:
  • Стеклянная термостойкая трубка;
  • Отрезок металлической трубы;
  • Несколько сантехнических ПВХ уголков;
  • Кусок картонной трубки;
  • Резиновый шар или перчатка для мембран;
  • Изолента;
  • Моток металлической ваты или мочалки для мытья посуды;
  • Неодимовый магнит;
  • Катушка индуктивности;
  • Небольшой отрез салфетки для мытья посуды;
  • Деревянная подкладка под наружную розетку или выключатель;
  • Герметик, клей.

Из инструментов можно посоветовать иметь то, что всегда должно быть под рукой у настоящего любителя мастерить: нож, плоскогубцы, кусачки, отвертка, клеевой и силиконовый пистолет.

Собираем термоакустический генератор


Конструкция двигателя собрана на основе каркасных медных трубок и одной стеклянной. Объединяет их резонатор — важная и необычная деталь этого двигателя. В ней то и происходит перемещение звуковых волн, создаваемых регенератором.
Это простая картонная трубка, в середине которой находится мембрана, не дающая воздуху совершать кругооборот. Если исключить этот элемент, то колебаний в верхней мембране, которая находится в горловине резонатора, попросту не будет.
Автор видеоролика предпочел разрезать трубку наполовину, и натянуть на одну из частей отрезок резиновой медицинской перчатки в качестве нижней мембраны. Шов соединенных фрагментов резонатора он обмотал изолентой.
Горловину резонатора он расширил специально чтобы усилить действие звуковых колебаний от регенератора на верхнюю мембрану. Ее он сделал из более плотной резины воздушного шара. На днище трубки установлена деревянная подложка под наружные выключатель или розетку для устойчивости установки.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Стеклянная трубка-двигатель представляет собой пробирку, в середину которой помещен кусок металлической ваты или стружки. После зоны регенерации должно происходить охлаждение воздуха, чему способствует смоченный в воде отрезок ткани, обмотанный вокруг основания пробирки. За счет перемещения воздуха через две противоположные температурные среды происходит интенсивная генерация звуковых волн.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Завершающей частью двигателя является небольшой, но мощный неодимовый магнит. Он то и создает небольшие, но очень частые колебания, передающиеся от мембраны под воздействием звука.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Чтобы превратить этот термоакустический двигатель в генератор нам понадобится катушка индуктивности или простейший соленоид. Этот элемент можно сделать своими руками, намотав медную проволоку на катушку, например, от рыболовных снастей. Главное условие – внутренний диаметр ее должен быть больше диаметра магнита.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
В качестве передатчика тепловой энергии для установки небольших размеров можно использовать обыкновенную свечу или кусочек сухого спирта, а заодно и сравнить получаемую мощность от разных источников тепла.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
В проводимом эксперименте автор демонстрирует эффект от приближения катушки индуктивности к магниту и ее отдаления. Поскольку накопительная емкость в данной электрической цепи отсутствует, разница ощутима мгновенно.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Закрепив катушку в зоне магнитного поля, можно получать от такого генератора электроэнергию для питания, например, светодиодной панели или фонарей.
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя
Электрогенератор на базе термоакустического двигателя

Заключение


Конечно же такое изобретение на сегодняшний день нельзя считать полностью законченным и полноценным. Оно требует доработки, поскольку сам автор признается, что вибрация от звуковых волн достаточно ощутимая. Корпус двигателя легок, и не содержит никакого стабилизатора, да и сама конструкция хлипковата. Однако сам факт получения электричества от тепла нельзя не признать. Возможно ваша модернизация данной установки приведет к грандиозному прорыву в области альтернативной энергетики, и мир наконец-то получит источник дешевой чистой энергии без вреда для нашей планеты.

Смотрите видео создания и испытания термоакустического двигателя


Радиоизотопный термоэлектрический генератор — Википедия

РИТЭ́Г (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГ и значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при небольшом КПД. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

РИТЭГ космического аппарата «New Horizons»

РИТЭГи применимы как источники энергии для автономных систем, удалённых от традиционных источников электроснабжения и нуждающихся в нескольких десятках-сотнях ватт при очень длительном времени работы, слишком долгом для топливных элементов или аккумуляторов.

В космосе[править | править код]

РИТЭГи являются основным источником электропитания на космических аппаратах, выполняющих продолжительное задание и сильно удаляющихся от Солнца (например «Вояджер-2» или «Кассини-Гюйгенс»), где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда «Новые горизонты» к Плутону нашёл своё применение в качестве источника питания для аппаратуры космического аппарата[1]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида 238Pu, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и, по расчётам, 200 Вт к концу)[2][3].

Зонды «Галилео» и «Кассини» были также оборудованы источниками энергии, в качестве топлива для которых служил плутоний[4]. Марсоход «Curiosity» получает энергию благодаря плутонию-238[5]. Марсоход использует последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по истечении 14 лет — 100 Вт[6].

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в полёте «Аполлона-14» (в центре)

Несколько килограммов 238PuO2 использовались на некоторых полётах «Аполлонов» для электропитания приборов ALSEP. Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238.

На Земле[править | править код]

РИТЭГи применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и подобном оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В частности, в СССР их использовали в качестве источников питания навигационного оборудования, установленного на побережье Северного Ледовитого океана вдоль трассы Северного морского пути. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГов в малодоступных местах прекратили.

В США РИТЭГи использовались не только для наземных источников питания, но и для морских буев и подводных установок. Например, в 1988 году СССР обнаружил два американских РИТЭГа рядом с советскими кабелями связи в Охотском море. Точное количество установленных США РИТЭГов неизвестно, оценки независимых организаций указывали 100—150 установок на 1992 год[7].

Плутоний-236 и плутоний-238 применялся для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)[8][9]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор[10]. До запрета на производство[источник не указан 1648 дней]плутония-238 в США, ожидалось, что его применение может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов[11].

Радиоактивные материалы, используемые в РИТЭГах, должны соответствовать следующим характеристикам:

  • Достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. Минимальный объём ограничен тепловой и радиационной стойкостью материалов, слабоактивные изотопы ухудшают энергомассовое совершенство установки. Обычно это значит что период полураспада изотопа должен быть достаточно мал для высокой интенсивности распадов и распад должен давать достаточно много легкоутилизируемой энергии.
  • Достаточно длительное время поддержания мощности для выполнения задачи. Обычно это значит, что период полураспада изотопа должен быть достаточно велик для заданной скорости падения энерговыделения. Типичные времена полураспада изотопов, используемых в РИТЭГах, составляют несколько десятилетий, хотя изотопы с коротким периодом полураспада могут быть использованы для специализированных применений.
  • Удобный для утилизации энергии вид ионизирующего излучения. Гамма-излучение легко вылетает из конструкции, унося с собой энергию распада. Относительно легко могут улетать также нейтроны. Образующиеся при β-распаде высокоэнергетичные электроны неплохо задерживаются, однако при этом образуется тормозное рентгеновское излучение, уносящее часть энергии. При α-распаде образуются массивные α-частицы, эффективно отдающие свою энергию практически в точке образования.
  • Безопасный для окружающей среды и аппаратуры вид ионизирующего излучения. Значительные гамма-, рентгеновское и нейтронное излучения зачастую требуют специальных конструктивных мер по защите персонала и близкорасположенной аппаратуры.
  • Относительная дешевизна изотопа и простота его получения в рамках имеющихся ядерных технологий.

Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами. Другие изотопы, такие как полоний-210, прометий-147, цезий-137, церий-144, рутений-106, кобальт-60, кюрий-242 и изотопы тулия были также изучены. Например, полоний-210 имеет период полураспада всего 138 дней при огромном начальном тепловыделении в 140 Вт на грамм. Америций-241 с периодом полураспада 433 года и тепловыделением 0,1 Вт/грамм[12].

Плутоний-238 чаще всего применяется в космических аппаратах. Альфа-распад с энергией 5,5 МэВ (один грамм даёт ~0,54 Вт). Период полураспада 88 лет (потеря мощности 0,78 % в год) с образованием высокостабильного изотопа 234U. Плутоний-238 является почти чистым альфа-излучателем, что делает его одним из самых безопасных радиоактивных изотопов с минимальными требованиями к биологической защите. Однако получение относительно чистого 238-го изотопа требует эксплуатации специальных реакторов, что делает его дорогим[13][14].

Стронций-90 широко применялся в наземных РИТЭГах советского и американского производства. Цепочка из двух β-распадов даёт суммарную энергию 2,8 МэВ (один грамм дает ~0,46 Вт). Период полураспада 29 лет с образованием стабильного 90Zr. Стронций-90 получают из отработавшего топлива ядерных реакторов в больших количествах. Дешевизна и обилие этого изотопа определяет его широкое использование в наземном оборудовании. В отличие от плутония-238, стронций-90 создаёт значительный уровень ионизирующего излучения высокой проницаемости, что предъявляет относительно высокие требования к биологической защите[14].

Существует концепция подкритических РИТЭГов[15][16]. Подкритический генератор состоит из источника нейтронов и делящегося вещества. Нейтроны источника захватываются ядрами делящегося вещества и вызывают их деление. Основное преимущество такого генератора в том, что энергия, выделяемая при реакции деления, гораздо выше энергии альфа-распада. Например, для плутония-238 это примерно 200 МэВ против 5,6 МэВ, выделяемых этим нуклидом при альфа-распаде. Соответственно, потребное количество вещества гораздо ниже. Количество распадов и радиационная активность в пересчёте на тепловыделение также ниже. Это снижает вес и размеры генератора.

Выведенные из эксплуатации РИТЭГи

Во времена СССР было изготовлено 1007 РИТЭГов для наземной эксплуатации. Почти все они делались на базе радиоактивного тепловыделяющего элемента с изотопом стронций-90 (РИТ-90). Тепловыделяющий элемент представляет собой прочную герметичную сварную капсулу, внутри которой находится изотоп. Выпускалось несколько вариантов РИТ-90 с разным количеством изотопа[17]. РИТЭГ оснащался одной или несколькими капсулами РИТ, радиационной защитой (зачастую на основе обеднённого урана), термоэлектрическим генератором, радиатором охлаждения, герметичным корпусом, электроцепями. Типы выпускавшихся в Советском Союзе РИТЭГов:[17][18]

Тип Начальная активность, кКи Тепловая мощность, Вт Электрическая мощность, Вт КПД, % Масса, кг Год начала выпуска
Эфир-МА 104 720 30 4,167 1250 1976
ИЭУ-1 465 2200 80 3,64 2500 1976
ИЭУ-2 100 580 14 2,41 600 1977
Бета-М (англ.)русск. 36 230 10 4,35 560 1978
Гонг 47 315 18 5,714 600 1983
Горн 185 1100 60 5,455 1050 1983
ИЭУ-2М 116 690 20 2,899 600 1985
Сеностав 288 1870 1250 1989
ИЭУ-1М 340 2200 120 5,455 2100 1990

Срок службы установок может составлять 10—30 лет, у большинства из них он закончился. РИТЭГ представляет собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и может быть похищен, а затем использован в качестве грязной бомбы. Были зафиксированы случаи разукомплектации РИТЭГов охотниками за цветными металлами[19], при этом сами похитители получили смертельную дозу облучения[20].

В настоящее время проходит процесс их демонтажа и утилизации под надзором Международного агентства по атомной энергии и при финансировании США, Норвегии и других стран[17]. К началу 2011 года демонтировано 539 РИТЭГ[21]. По состоянию на 2012 год 72 РИТЭГ эксплуатируются, 2 утеряны, 222 на хранении, 32 в процессе утилизации[22][23]. Четыре установки эксплуатировались в Антарктиде[24].

Новые РИТЭГи для навигационных нужд больше не производятся, вместо них устанавливаются ветроэнергетические установки и фотоэлектрические преобразователи[20], в некоторых случаях дизель‑генераторы. Эти устройства получили название АИП (альтернативные источники питания). Состоят из панели солнечных батарей (или ветрогенератора), набора необслуживаемых аккумуляторных батарей, светодиодного маяка (кругового или створного), программируемого электронного блока, который задает алгоритм работы маяка.

Требования к конструкции РИТЭГ[править | править код]

В СССР требования к РИТЭГ устанавливались ГОСТ 18696-90 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Типы и общие технические требования». и ГОСТ 20250-83 «Генераторы радионуклидные термоэлектрические. Правила приёмки и методы испытаний».

  • Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения на внешней поверхности РИТЭГ не должна превышать 2,0 мЗв/ч, а на расстоянии 1 м от неё — 0,1 мЗв/ч.
  • Конструкция РИТЭГ должна обеспечивать отсутствие выхода из него радионуклидов и сохранение защитных характеристик радиационной защиты при падении РИТЭГ на твёрдое основание с высоты 9 м, а также после воздействия на него температуры в 800 °C в течение 30 мин.
  • Температура всех доступных поверхностей РИТЭГ не должна превышать 80 °С[25].

Инциденты с РИТЭГ на территории СНГ[править | править код]

Источники данных — НКО «Беллона»[26] и МАГАТЭ[17]

Дата Место
1983, март Мыс Нутэвги, Чукотка Сильное повреждение РИТЭГа по пути к месту установки. Факт аварии был скрыт персоналом, обнаружен комиссией Госатомнадзора в 1997 году. По состоянию на 2005 год данный РИТЭГ был заброшен и оставался на мысе Нутэвги. По состоянию на 2012 год все РИТЭГи из Чукотского автономного округа вывезены[27].
1987 Мыс Низкий, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1, который принадлежал Министерству обороны СССР. По состоянию на 2013 поисковые работы, с перерывами, продолжаются[28].
1997 Таджикистан, Душанбе Три отслуживших свой срок РИТЭГа хранились в разобранном неизвестными лицами виде на угольном складе в центре Душанбе, вблизи был зарегистрирован повышенный гамма-фон[29].
1997, август Мыс Марии, Сахалинская обл. При транспортировке вертолёт уронил в Охотское море РИТЭГ типа ИЭУ-1 № 11 1995 года выпуска, который оставался на дне на глубине 25—30 м. Спустя 10 лет, 2 августа 2007 года РИТЭГ был поднят и отправлен на утилизацию[30][31]. Произведён внешний осмотр и замеры радиоактивного излучения. Результаты внешнего осмотра показали, что защитный корпус не поврежден, специалисты РХБЗ СГ ВМР[расшифровать] сделали заключение: мощность гамма-излучения и отсутствие радиоактивного загрязнения соответствуют нормальной радиационной обстановке[32]..
1998, июль Корсаковский порт, Сахалинская обл. В пункте приема металлолома обнаружен в разобранном виде РИТЭГ, принадлежащий Минобороны РФ.
1999 Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент (фон вблизи — 1000 Р/ч) был найден на автобусной остановке в Кингисеппе.
2000 Мыс Бараниха, Чукотка Естественный фон близ аппарата был превышен в несколько раз вследствие неисправности РИТЭГ.
2001, май Кандалакшский залив, Мурманская обл. С маяков на острове похищены 3 радиоизотопных источника, которые были обнаружены и отправлены в Москву.
2002, февраль Западная Грузия В районе села Лия Цаленджихского района местными жителями найдено два РИТЭГа, которые были ими использованы как источники тепла, а затем разобраны. В результате несколько человек получили высокие дозы облучения[33].
2003 о. Нунэанган, Чукотка Установлено, что внешнее излучение аппарата превышало допустимые пределы в 5 раз по причине недостатков в его конструкции.
2003 о. Врангеля, Чукотка Вследствие размыва берега установленный здесь РИТЭГ упал в море, где был замыт грунтом. В 2011 г. штормом выброшен на побережье. Радиационная защита аппарата не повреждена[34]. В 2012 вывезен с территории Чукотского автономного округа[27].
2003 мыс Шалаурова Изба, Чукотка Радиационный фон вблизи установки был превышен в 30 раз ввиду недостатка в конструкции РИТЭГ[35].
2003, март Пихлисаар, Ленинградская обл. РИТЭГ разграблен охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент был выброшен на ледовое покрытие. Горячая капсула со стронцием-90, проплавив лёд, ушла на дно, фон вблизи составил 1000 Р/ч. Капсула была вскоре найдена в 200 м от маяка.
2003, август Шмидтовский район, Чукотка Инспекция не обнаружила РИТЭГ типа «Бета-М» № 57 в месте установки у реки Кывэквын; по официальной версии предполагалось, что РИТЭГ был замыт в песок в результате сильного шторма или что он был похищен.
2003, сентябрь Остров Голец, Белое море Персонал Северного флота обнаружил хищение металла биологической защиты РИТЭГа на острове Голец. Была также взломана дверь в помещение маяка, где хранился один из наиболее мощных РИТЭГов с шестью элементами РИТ-90, которые украдены не были.
2003, ноябрь Кольский залив, губа Оленья и остров Южный Горячинский Два РИТЭГа, принадлежащие Северному флоту, разграблены охотниками за цветными металлами, а их элементы РИТ-90 найдены неподалеку.
2004 Приозерск, Казахстан Чрезвычайная ситуация, произошедшая вследствие несанкционированной разборки шести РИТЭГов.
2004, март с. Валентин, Приморский край РИТЭГ, принадлежащий Тихоокеанскому флоту, найден разобранным, по-видимому, охотниками за цветными металлами. Радиоактивный элемент РИТ-90 обнаружен неподалеку.
Июль, 2004 Норильск На территории воинской части было обнаружено три РИТЭГа, мощность дозы на расстоянии 1 м от которых в 155 раз превышала естественный фон.
Июль, 2004 Мыс Наварин, Чукотка Механические повреждения корпуса РИТЭГа неизвестного происхождения, в результате чего произошла разгерметизация и часть радиоактивного топлива выпала наружу. Аварийный РИТЭГ вывезен на утилизацию в 2007 году, поражённые участки прилегающей территории были дезактивированы[36].
Сентябрь, 2004 Земля Бунге, Якутия Аварийный сброс двух перевозимых РИТЭГов с вертолёта. В результате удара о землю целостность радиационной защиты корпусов была нарушена, мощность дозы гамма-излучения вблизи места падения составляла 4 мЗв/ч.
2012 о. Лишний, Таймыр В месте установки РИТЭГа проекта «Гонг» обнаружены его обломки. Предполагается, что аппарат был смыт в море[24].
8 августа 2019 Полигон Нёнокса, Архангельская область По заявлениям СМИ, ЧП, унесшее жизни пяти человек, произошло при полигонных испытаниях перспективного ускорителя — жидкостной реактивной двигательной установки, на борту которой были смонтированы радиоизотопные «батарейки»[37].
  1. Константин Лантратов. Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — Вып. 3341. — № 10.
  2. Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.). — Элементы.Ру, 2006.
  3. Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен (рус.). gzt.ru (16 сентября 2010). Дата обращения 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
  4. ↑ Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
  5. ↑ В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.). Lenta.ru (26 июля 2010). Дата обращения 8 ноября 2010.
  6. Ajay K. Misra. Overview of NASA Program on Development of Radioisotope Power Systems with High Specific Power (англ.) // NASA/JPL : обзор. — San Diego, California, июнь 2006.
  7. ↑ World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes.
  8. Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
  9. Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries (англ.) // Indian Pacing Electrophysiol J : статья. — 1 октября 2004. — Iss. 4. — No. 4.
  10. ↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Дата обращения 15 января 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
  11. Bayles, John J.; Taylor, Douglas. SEALAB III – Diver’s Isotopic Swimsuit-Heater System (англ.). Department of Defense (1970). Дата обращения 15 января 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
  12. ↑ Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012). Development and testing of Americium-241 radioisotope thermoelectric generator.
  13. ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium
  14. 1 2 Atomic Insights, Sept 1996, RTG Heat Sources: Two Proven Materials
  15. ↑ Center of Space Nuclear Research (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 7 декабря 2014. Архивировано 6 октября 2014 года.
  16. ↑ Journal of the British Interplanetary Society. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator
  17. 1 2 3 4 Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов // МАГАТЭ. — 2013 (текст, схемы и фотоснимки)
  18. ↑ Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona
  19. Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
  20. 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
  21. ↑ Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны»
  22. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012
  23. ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011
  24. 1 2 А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли (неопр.). Известия (23 августа 2013). Дата обращения 15 сентября 2013.
  25. ↑ СанПиН 2.6.1.2749-10 «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
  26. Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны» (неопр.). НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Дата обращения 5 июля 2013. Архивировано 6 июля 2013 года.
  27. 1 2 С Чукотки вывезен последний радиоизотопный термоэлектрический генератор.
  28. ↑ ИА «Сахалин-Курилы» Архивная копия от 29 июня 2015 на Wayback Machine, 11.06.2013
  29. В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? — ЦентрАзия, 11.04.2011
  30. ↑ Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ (неопр.). Regnum (13 сентября 2007). Дата обращения 25 мая 2013.
  31. ↑ Фото поднятого РИТЭГа
  32. ↑ Радиоизотопная энергетическая установка поднята со дна моря у мыса Марии, sakhalin.info. Дата обращения 11 августа 2017.
  33. ↑ IAEA Annual Report 2003
  34. ↑ Последний РИТЭГ (неопр.) (недоступная ссылка). Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Дата обращения 8 июля 2013. Архивировано 9 июля 2013 года.
  35. В. Литовка. Перманентная вялотекущая радиационная авария (неопр.) (недоступная ссылка). информационный бюллетень «Кайра-вестник» (№4, сентябрь 2002). Дата обращения 15 сентября 2013. Архивировано 17 января 2010 года.
  36. Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
  37. Алексей Рамм, Роман Крецул, Алексей Козаченко. Реактивный прорыв: под Северодвинском испытывались «ядерные батарейки» (рус.). Известия (15 августа 2019). Дата обращения 17 августа 2019.

Зачем нужен термоакустический генератор? / Habr


Рис. 1 Предполагаемый внешний вид домашнего термоакустического газового генератора

В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, что занимаюсь разработкой термоакустического генератора: «Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной». В этой статье я хочу рассказать подробнее о возможных применениях данного генератора и о том, как его встроить в существующую энергосистему.

Один из мировых трендов в последнее время – это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций. Это проявляется, например, в виде желания иметь собственную микро фабрику в виде 3D принтера, в виде желания самому выпускать собственные деньги, такие как криптовалюты, или в виде желания иметь своё собственное средство массовой информации, в виде канала на ютубе. Энергетика тоже уже давно взяла курс на децентрализацию. Всё большее число людей хотят иметь свой собственный источник электрической и тепловой энергии.


Рис. 2. Иллюстрация децентрализации энергетики в Дании на основе распределенной когенерации. Источник: Danish Energy Agency

К примеру, в Дании очень активно идет децентрализация энергетики (рис. 2).

Какие плюсы у децентрализации энергетики?

Помимо увеличения самостоятельности, независимости каждого отдельного человека при децентрализации, преимущества заключаются в том, что:

— Микро-ТЭЦ находиться всегда гораздо ближе к потребителю, чем крупная ТЭЦ. Таким образом, практически исчезают потери электрической и тепловой энергии, при передаче по проводам и теплотрассам соответственно.


Рис. 3. Микро-ТЭЦ Senertec Dachs F5.5 на двигателе внутреннего сгорания, мощностью 5.5 кВт

— Появляется возможность строительства домов и предприятий в тех местах, куда было слишком дорого либо вообще невозможно подвести энергию. Например, вам понравилось какое либо место красотой пейзажа, но подвести электроэнергию туда не возможно. В таком случае, единственным способом питания дома энергией, является генерация электрической и тепловой энергии на месте, то есть в самом доме.


Рис. 4. Частный дом на удалении от цивилизации

— Распределённая генерация энергии увеличивает устойчивость энергетической системы к различным авариям и катастрофам. В случае катастрофы на крупной ТЭЦ, при децентрализованной генерации, снижается количество людей, отрезанных от энергоснабжения.


Рис. 5. Катастрофа на электростанции Фукусима

— Распределённая генерация обладает большой гибкостью и адаптивностью при резких, неравномерных по территории изменениях в потреблении энергии. Благодаря децентрализации становиться возможным объединение множества источников энергии в единую интеллектуальную сеть под названием Micro Grid, которая выравнивает и оптимизирует выработку и потребление энергии.


Рис. 6. Схематичное изображение Micro Grid – интеллектуальной энергетической сети, оптимизирующей выработку и потребление энергии

— В странах, в которых законодательно разрешено продавать излишки вырабатываемой электроэнергии в общую сеть, с помощью микро ТЭЦ можно заработать деньги. Наиболее распространён такой тип заработка на данный момент в солнечных районах, в которых, закрепив на крышу своего дома солнечные панели, можно за несколько лет продажи электроэнергии вернуть стоимость панелей и затем уже получать с них прибыль.


Рис. 7. Солнечная электростанция на крыше дома

— Затем, перспективность микро ТЭЦ заключается в том, что когда ресурс существующих крупных электростанций подходит к концу, то появляется дилемма: строить новую крупную электростанцию или множество небольших? Последнее время выбор всё чаще останавливается на создании сети из средних, мини и микро ТЭЦ, взамен вышедшей из строя крупной.

Ограничения при децентрализации энергетики

У децентрализации энергетики много преимуществ. В тоже время нельзя сказать, что нужно обязательно стремиться к случаю максимально возможной децентрализации. То есть к случаю, когда в каждом частном, в каждом многоэтажном доме, на каждом предприятии и в каждом здании установлена своя собственная тепловая электростанция. В местах плотного скопления потребителей энергии крупная ТЭЦ будет опережать группу из микро-ТЭЦ благодаря более низкой стоимости выработки энергии, связанной с более оптимизированными процессами обслуживания, меньшей сложностью и материалоёмкостью.


Рис. 8. Северо-Западная ТЭЦ

Однако существуют места, с низкой плотностью скопления потребителей и места в которых строительство крупных ТЭЦ либо невозможно, либо необоснованно. Именно в таких местах микро-ТЭЦ постепенно занимают рынок и вытесняют крупные ТЭЦ. Наряду с микро-ТЭЦ так же существуют и альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции, которые также ориентированы на не плотно заселённые и труднодоступные районы планеты, однако они не работоспособны в местах с низкой солнечной активностью и при отсутствии необходимого количества ветряной энергии.

Таким образом, можно сказать, что децентрализация выработки энергии при помощи микро-ТЭЦ наиболее перспективна в не густонаселённых районах с относительно низкой солнечной активностью и с относительно небольшой силой ветра или нестабильным ветром.

Зона, оптимальная для использования микро-ТЭЦ в России


Рис. 9. Карта выработки энергии в России

Так каковы же размеры оптимальной для использования микро-ТЭЦ территории и сколько на ней проживает людей? Для примера возьмём Россию. В зоне неохваченной централизованным электроснабжением (на 2018 год) находиться около 13 % населения, то есть 19,1 млн. человек. Только треть территории страны охвачена централизованным электроснабжением.


Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России
Рис. 11. Карта ветровой активности на территории России

Если посмотреть на карты солнечной активности и ветровой энергии, то можно увидеть, что большинство пользователей европейской части России, не подключённых к централизованному энергоснабжению, находятся в зоне с низкой солнечной и ветровой активностью. Таким образом, они находятся в зоне оптимальной для микро-ТЭЦ.

На данный момент в подавляющем большинстве случаев в данном регионе используются микро-ТЭЦ на основе двигателей внутреннего сгорания, либо связка генератор на двигателе внутреннего сгорания и отопительный котёл.


Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область

Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.


Рис. 13. микрогенераторы Capstone

Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро – ТЭЦ?

Основные проблемы существующих активно эксплуатируемых микро-ТЭЦ – это:

  • маленький интервал между техническим обслуживанием, низкая надёжность.


Рис. 14. Ремонт дизельного генератора

Дизельные и газотурбинные генераторы требуют обслуживания в лучшем случае раз в год. Это увеличивает стоимость выработки электроэнергии, создаёт лишнюю организационную работу владельцам такой установки, а во время проведения обслуживания установку естественно приходится останавливать на определённое время, что создаёт проблемы потребителям.

— У дизельных и газотурбинных установок отсутствует возможность использовать все виды горючих топлив (жидкое, газообразное, твёрдое горючее), а также отсутствует возможность использовать альтернативные источники тепловой энергии (солнечная, геотермальная, бросовое тепло).


Рис. 15. Возможные виды тепловой энергии для микро ТЭЦ. Слева на право: бросовое тепло предприятия, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия горючих топлив

Далеко не у всех потребителей оптимальный источник тепловой энергии для микро-ТЭЦ – это дизельное топливо или природный газ. Бывает гораздо дешевле использовать другие источники тепловой энергии. Например на предприятии, на котором тепловая энергия сбрасывается в атмосферу, можно спасать часть этой энергии, вырабатывая с её помощью электроэнергию на микро-ТЭЦ. Либо в районах с геотермальными источниками (например, Камчатский край) использовать тепловую энергию недр земли. В районах с высокой солнечной активностью можно использовать для нагрева солнечную энергию или совместно солнечную энергию и энергию сжигаемого горючего топлива.

Таким образом, использование дизельными и газотурбинными генераторами только горючих топлив, является их явным недостатком.

— Высокая начальная цена микро-ТЭЦ. Из-за высокой цены многие люди отказываются от приобретения установки, так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети, но осилить сразу же цену микро-ТЭЦ люди не в состоянии.

Решение проблем

Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.


Рис. 16. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W

Ещё одно решение первых двух проблем, это установки на основе паровых микротурбин, то есть установки, работающие по циклу Ренкина.

Как пример такой установки, разработанный в России, можно привести микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины, созданный научно-производственным предприятием «Донские технологии»


Рис. 17. МЭК «Донские технологии» электрической мощностью 5 кВт

Не смотря на все преимущества данных установок по сравнению с установками на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях, они пока не обрели большой популярности из-за более высокой начальной стоимости, сложности ремонта или внепланового обслуживания (отсутствия квалифицированных работников, способных произвести внеплановый ремонт) и по причине долгого привыкания людей к новой технологии.

Термоакустический генератор

Так же как установки на двигателе Стирлинга и на паротурбинном цикле решают проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и отсутствием всеядности при выборе топлива, термоакустический генератор аналогично решает эти проблемы. Соответственно, для того чтобы занять место на рынке, термоакустическому генератору необходимо иметь начальную стоимость ниже, чем у данных установок, а желательно и ниже чем у дизельных и газотурбинных. Рассмотрим, за счёт чего в термоакустическом генераторе решаются проблемы с тех. обслуживанием и всеядностью, и можно ли решить проблему с высокой начальной ценой.

Напомню, для тех, кто не читал предыдущие статьи «1 статья»,«2 статья», что разрабатываемый мной термоакустический двигатель схематично выглядит примерно так:


Рис. 18. Схема четырёхступенчатого двигателя с бегущей волной

Система, состоящая из резонатора и теплообменников, генерирует под воздействием тепловой энергии энергию акустическую. То есть при наличии определённой разности температур между теплообменниками, в резонаторе возникает бегущая акустическая волна.

У термоакустического двигателя в таком виде крайне высокий ресурс, так как он не содержит никаких движущихся частей. Но для выработки электроэнергии нужны дополнительно турбогенераторы, которые должны преобразовывать акустическую энергию сначала в механическую энергию вращения ротора турбогенераторов, а затем и в электроэнергию. Таким образом, ожидается, что максимальный интервал между тех. обслуживанием в этой части будет ограничен необходимостью обслуживать турбогенераторы и в последнюю очередь сам двигатель.

То есть получается с одной стороны всё как у паротурбинной установки. Однако турбогенератор в термоакустическом двигателе работает при гораздо меньших температурах (около 40 градусов по Цельсию), чем в паротурбинном цикле, где температура турбины достигает более 200 градусов. При этом в термоакустическом двигателе турбина находится в среде инертного газа – гелия, либо аргона, в отличие от паровой турбины, которая изнашивается под ударами капель, содержащихся в паре. Таким образом, можно ожидать повышение ресурса турбогенератора в термоакустическом двигателе по сравнению с паровым турбогенератором.

Термоакустический двигатель может использовать почти любой источник тепловой энергии, так как является двигателем с внешним подводом тепла, так же как и двигатель Стирлинга. При этом имеет очень низкую разность температур между горячим и холодным теплообменниками, необходимую для старта двигателя (самое низкое значение разности температур, встречавшееся мне в литературе, составляет 17 градусов). Поэтому очевидно, что данный двигатель решает проблему с использованием различных видов тепловой энергии.

Посмотрим, за счёт чего термоакустический генератор может быть дешевле, чем генератор на двигателе Стирлинга и чем паротурбинный.

  • Во первых благодаря использованию стандартных труб в качестве корпуса резонатора. В отличие от двигателя Стирлинга, корпус термоакустического двигателя не должен иметь высокую точность изготовления. Сгодятся обычные стальные трубы без токарной обработки.
  • Затем, по сравнению со свободнопоршневым двигателем Стирлинга, термоакустический генератор имеет не линейный, а вращающийся генератор, что уменьшает его материалоёмкость, а, следовательно, и стоимость.
  • Ну и наконец, турбогенератор, так как работает практически при комнатной температуре, то может использовать в своём составе детали из пластика, что снижает стоимость его изготовления.

Таким образом, доведённый до коммерческого образца термоакустический генератор должен занять свою нишу на рынке микро-ТЭЦ.

Тепловые генераторы | Проект Заряд

Геотермальный тепловой насос — это отопительное устройство? имеющее высокую мощность и энергетическую эффективность, хорошо адаптирован для работы при низких температурах и плохих погодных условиях. Принцип работы грунтового геотермального теплового насоса базируется на сборе тепловой энергии из природных источников, окружающих здание … Читать далее →

Уже более семидесяти лет человечеству известен сверхэффективный способ преобразования электрической энергии в механическую, посредством электрогидравлического эффекта Юткина (ЭГЭ). Но, как всегда, эффект не применяется в быту, о нем и о его авторе нет ничего в «Википедии» и официальная наука очень … Читать далее →

За более, чем два года работы проекта у нас накопилось множество практических идей и незавершенных проектов и разработок, причем число их вплотную приблизилось к критической отметке, которая просто не позволяет копить их дальше. В связи с этим мы предпринимаем очередную … Читать далее →

Пусть и с небольшим запозданием от намеченного и объявленного срока, мы все же представляем Вашему вниманию седьмой выпуск еженедельного обзора «Будни альтернативной энергии». По нашему мнению он вобрал в себя все самые достойные Вашего внимания события, которые произошли за прошлую … Читать далее →

А вот и долгожданный пятый выпуск нашего нового еженедельника «Будни альтернативной энергии», который по обычаю вобрал в себя все самое интересное и значимое, что произошло на поприще освоения свободной и альтернативной энергии за последние две недели с 26-го ноября по … Читать далее →

В кругу СЕ сообщества тепловой насос Френетта является достаточно популярным устройством в силу своей простоты и КПД выше 1000%. Но мало кто знает, что сюрпризы и «чудеса», которые способно преподнести данное устройство, совсем не заканчиваются на его чрезвычайно высоком КПД, … Читать далее →

Виктор Шаубергер – настоящий гений, который стал одним из самых известных и успешных ученых своей эпохи, смог воплотить в реальность большое количество проектов и удивить мир такими изобретениями как реактивная турбина Strahlturbine или конструкция двигателя, использующего силу давления. В любом … Читать далее →

Этот двигатель за годы своего существования был всегда популярен. Это связно с тем, что он очень функционален, удобен в использовании и экономичен. Принцип устройства машины знаком, пожалуй, даже ребенку – это система двигателя внутреннего сгорания, который работает на основе разницы … Читать далее →

  Изучая вопросы, касающиеся глобального потепления, ученые давно разрабатывают способы захоронения углекислого газа, вырабатываемого тепловыми электростанциями. На сегодняшний день существует несколько проектов захоронения парникового газа глубоко под землей с последующей выработкой электроэнергии за счет геотермальных источников. … Читать далее →

Исследователи из Технологического института Массачусетса (MIT) разработали новую фотоэлектрическую систему. Она сделана таким образом, чтобы вырабатывать электроэнергию исключительно от тепла. Новой электросистеме от MIT не нужен солнечный свет. При этом источником тепла может стать практически все, что угодно: распадающиеся радиоизотопы, … Читать далее →

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *