Евгений  Рудометов

    >>    Часть 6
 

Осторожно, радиация

Рассматривая термоэлектрические генераторы, созданные на основе радиоактивных материалов, необходимо отметить, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с альтернативными решениями. Важнейшими являются очень высокая плотность энергии и весьма длительный срок службы таких устройств без необходимости их обслуживания. Генерация тепла радиоактивными изотопами с использованием термоэлектрических модулей обеспечивает постоянное и стабильное электрическое питание в течение длительного времени. Это особенно важно в удаленных и экстремальных условиях, где другие источники энергии могут быть недоступны или неэффективны.

Однако, необходимы специальные меры безопасности и контроля использования радиоактивных материалов, включая эксплуатацию и последующую утилизацию после исчерпания ресурса работы генераторов.

Как показывают расчеты, срок службы установок, использующих РИТЭГи, может составлять 10-30 лет. И у значительной части из них этот срок уже закончился и их требуется вывести из эксплуатации, конечно, с соблюдением всех мер предосторожности. При этом необходимо учитывать, что все эти устройства представляют собой потенциальную опасность, так как размещается в безлюдной местности и могут быть утеряны из-за изменения среды вследствие ураганов, штормов, землетрясений, наводнений и т. п.

Кроме того, они могут быть похищены. Действительно, были зафиксированы случаи разукомплектации, а точнее — варварской разборки РИТЭГов охотниками за цветными металлами. При этом сами похитители получали высокие, а в ряде случаев даже смертельные дозы облучения. Кроме того, опасности подвергались и окружающие люди, попавшие под действие ионизирующего излучения.

Учитывая потенциальную опасность радиоактивных материалов, входящих в состав РИТЭГов, необходимо с особой тщательностью контролировать не только изготовление подобных устройств, но и их работу. Необходимо также планировать меры по тщательному контролю за процедурой утилизации, обеспечивающей предотвращение потенциальных рисков для здоровья людей и исключающей радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Заключение

Термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, представляют собой перспективную технологию в области генерации электрического тока. Их высокая эффективность, надежность и экологическая чистота делают их привлекательными для использования в различных приложениях. При правильной оптимизации из работы с учетом  разности температур и других параметров описанные модули позволяют повысить энергоэффективность, устойчивость и инновационность систем электрогенерации. Это открывает новые возможности для использования отходящего тепла, солнечной энергии и радиоактивных материалов в качестве источников тепла для генерации электрического тока.

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 1 
     

Сокращенные версии статьи: 

• Модули Пельтье в генераторах электрического тока.
• Модули Пельтье в генераторах электрического тока. / IT-Expert. 2023, №9
• Преобразование тепла в электричество. / Вы и ваш компьютер. 2023, №9, с.21-26 

В статье были использованы материалы книг:

• «PC: Overclocking, Optimization, & Tuning, Second Edition». — USA: A-LIST
• «PC: Hardware Tuning & Acceleration». — USA: A-LIST
• «PC: настройка, оптимизация разгон» Изд.2-е, доп. — СПб.:  BHV-Санкт-Петербург
• “Форсирование аппаратных средств РС”. — СПб.: БХВ-Петербург

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 5
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки) 

В качестве примера таких источников можно привести РИТЭГ — РадиоИзотопный ТермоЭлектрический Генератор — устройство, преобразующее тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество.

По сравнению с ядерными реакторами, использующими цепную реакцию, РИТЭГи значительно меньше, и конструктивно проще. Выходная мощность РИТЭГа весьма невелика (до нескольких сотен ватт) при относительно небольшом значении КПД. Однако в них нет движущихся частей, и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями. Благодаря этому такие генераторы могут применяться в космосе для работы автоматических межпланетных станций. Они находят свое примение и на Земле в труднодоступных местах для работы различной аппаратуры, например, радиомаяков наземного или морского базирования.

Что касается космоса, то соответствующие радиоизотопные термоэлектрические генераторы были использованы во многих космических проектах. В качестве примеров можно привести хорошо известные «Аполлоны», а также аппараты «Пионер-10 и -11», «Вояджер-1 и -2», «Кассини-Гюйгенс» и д. р., где использование солнечных батарей неэффективно или даже просто невозможно. Действительно, интенсивность солнечного излучения на орбите Плутона в 1000 раз меньше, чем на орбите Земли. Очевидно, что использование солнечных батарей для обеспечения достаточного энергоснабжения космических аппаратов там просто невозможно.

В конструкции РИТЭГа космического аппарата «Галилео», который был отправлен к Юпитеру в 1981 г., использовались плутоний-238 и полупроводники на основе селена. Этот термоэлектрогенератор после установки радиоизотопного источника энергии через 1000 ч и 59000 ч (почти 7 лет) эксплуатации обеспечивал следующие параметры: тепло изотопного источника, Вт — 2460/2332; тепло, поступающее на термоэлементы, Вт — 2068/1951; температура горячего спая, К — 1133/1090; температура холодного спая, К — 433/410; выходная мощность, Вт — 230/210; термоэлектрическая эффективность, % — 11,1/10,8.

Радиоизотопный генератор зонда «Новые горизонты», отправленного в 2006 г. к Плутону, содержал 11 кг высокочистого диоксида плутония-238, производящего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути: 240 Вт в начале пути и 200 Вт на орбите Плутона. Мощность РИТЭГа снижается примерно на 3,5 Вт в год. Планируемый срок активного состояния аппарата — более 30 лет.

Улучшенный вариант РИТЭГ был установлен на марсоход «Curiosity», ракета с которым была запущена в 2011 г. Этот источник энергии содержит 4,8 кг диоксида плутония-238. Он обеспечивает 2 кВт тепловой мощности, 125 Вт начальной электрической мощности и 100 Вт через 14 лет.

Внутреннее устройство РИТЭГа

Другим примером являются радиоактивные изотопные термоэлектрические генераторы, используемые в множестве приложений, включая применение в медицинских устройствах и научных исследованиях. В своей конструкции генераторы могут использовать различные радиоизотопы, такие как америций-241 (Am-241), стронций-90 (Sr-90) и т.п. Эти радиоактивные материалы применяются в качестве источников тепла для последующего преобразования его в электрическую энергию с помощью термоэлектрических модулей.

В следующей части  данной статьи — о радиоционной безопасности и краткое заключение.
    

>>    Часть 7 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 4
 

Области использования термоэлектрических модулей

В качестве распространенных вариантов использования термоэлектрических модулей в генераторах электрического тока можно привести несколько примеров. В них источником энергии является тепло разных уровней интенсивности и сроков работы.

Космические генераторы

В космических аппаратах и межпланетных станциях, где доступ к солнечной энергии может быть ограничен, термоэлектрические модули могут использоваться для генерации электрического тока из отходящего тепла электронных устройств, двигателей ракет и энергоемких механизмов. Работа таких объектов нередко сопровождается значительным теплообразованием, и соответствующие генераторы позволяют обеспечить надежное энергоснабжение в космической среде. Например, при использовании термоэлектрических модулей в космических генераторах можно достичь выходной мощности до 100 Вт и даже больше. Конечно, как это уже утверждалось, эффективность преобразования тепла в электричество с помощью термоэлектрических модулей зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей. Чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования.

Рециркуляция отходящего тепла в промышленности

В промышленности термоэлектрические модули могут быть использованы для рециркуляции отходящего тепла и преобразования его в электрическую энергию. Это позволяет повысить энергоэффективность процессов и снизить общие затраты на энергию. Эффективность термоэлектрических модулей в этом случае также зависит от разности температур между горячими и холодными сторонами модулей.

Автомобильная промышленность

Термоэлектрические модули могут использоваться для генерации электроэнергии из тепла двигателя, помогая тем самым улучшить общую энергоэффективность автомобиля. Некоторые автопроизводители уже начали внедрять такие системы в свои модели.

Портативная электроника

Небольшие термоэлектрические модули могут использоваться в устройствах, таких как кемпинговые плиты, которые генерируют электричество для зарядки мобильных телефонов или других устройств от тепла костра.

Генерация тепла радиоактивными изотопами

Радиоактивные материалы, такие как радиоизотопы, могут служить в качестве источников тепла, которое может использоваться для генерации электрического тока с помощью термоэлектрических модулей. В этих системах радиоактивный материал выделяет тепло в результате радиоактивного распада своих ядерных элементов. Тепло передается модулю, который преобразовывает его в электрическую энергию.

Одним из примеров такой технологии являются термоэлектрические генераторы радиоизотопных батарей (RTG). RTG широко используются в космической технологии для длительного обеспечения электрического питания космических аппаратов и зондов, работающих в удаленных и долговременных миссиях, где солнечная энергия не является эффективным источником энергии. В RTG таких космических устройств часто используют плутоний-238 (Pu-238) в качестве радиоактивного источника тепла. При этом плутониевая начинка RTG генерирует тепло, а входящие в конструкцию устройства термоэлектрические модули преобразовывают его в электрическую энергию. Примерами такого применения являются RTG на аппарате Кассини, исследовавшем планету Сатурн и ее спутники, а также на космических аппаратах, исследующих Марс.

В следующей части  данной статьи о РИТЭГах.
    

>>    Часть 6 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 3
 

Преимущества термоэлектрических модулей в генерации электрического тока

Основное преимущество использования термоэлектрических модулей для генерации электричества — это их способность прямо преобразовывать тепло в электричество. В отличие от большинства альтернативных вариантов источники электроэнергии с указанными модулями работают без тепловых носителей, двигателей, компрессоров и т. п. Отсутствие каких-либо механических подвижных частей положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках. Генераторы с термоэлектрическими модулями обладают высокой надежностью и долговечностью. Они устойчивы к вибрациям и ударным нагрузкам. Они также компактны, бесшумны и не требуют обслуживания. Все это делает такие изделия очень привлекательными для использования в различных, часто весьма непростых, условиях эксплуатации.

Термоэлектрогенератор ТГК-3 (СССР, 1953г.)

А еще термоэлектрические модули в своей работе преобразования тепла в электрическую энергию не используют вредные газы или жидкости. Это означает, что они экологически безопасны и могут применяться в экологически чувствительных областях.

Термоэлектрические модули обладают относительно невысокой степенью преобразования тепла в электричество. Их коэффициент преобразования обычно находится в диапазоне от 1% до 10%, в зависимости от конкретных параметров модулей и условий работы.

Полупроводниковые модули потребительского класса обычно способны производить от 0,5 до 1,5 вольт на модуль при разнице температур в 50-80 градусов Цельсия. При этом средняя мощность, которую можно получить от одного модуля, как правило, составляет от нескольких десятков милливатт до  единиц ватт. Однако некоторые большие модели, содержащие сотни термопар, могут генерировать большую мощность.

Современные полупроводниковые модули могут успешно работать с разницей в температуре от 50 °C до 150 °C. Для массовых модулей потребительского класса рекомендуемое верхнее значение температуры горячей стороны модуля обычно находится в диапазоне 80-90 °C.  Предельный нагрев определяется типом полупроводников, а также используемыми в модулях сплавами и припоями. Конкретные параметры производитель модуля указывает в его техническом описании.

Кстати, допустимый температурный диапазон работы биметаллических конструкций генерации электричества по сравнению с полупроводниковыми моделями обычно значительно шире и может достигать 1000 °C. Однако и некоторые полупроводниковые материалы также способны функционировать при довольно высоких температурах. Работа модулей при большой разнице температур позволяет достичь высокой эффективности преобразования, а при большом количестве термопар получить значительную выходную мощность.

Все это позволяет использовать термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, в широком диапазоне приложений, где есть значительная разница в температуре между горячими и холодными областями.

Очевидно, что высокий коэффициент преобразования тепла в электричество является главной характеристикой для достижения наилучшей энергетической эффективности. Этот коэффициент в значительной степени определяет показатели  эксплуатационной и экономической эффективности. При этом, чем больше разность температур, тем выше эффективность преобразования. Например, при разнице температур 100 °C эффективность преобразования даже для систем с потребительскими модулями может достигать 3-5%. А некоторые современные термоэлектрические модули могут обеспечит достижение даже коэффициента преобразования в 10%.

Интересно, что в научных изданиях появились статьи, в которых для модулей, созданных из новейших материалов и установленных в оптимальные для них температурные режимы, значение коэффициента преобразования составляет 16%. Это очень высокое значение. Но некоторые исследователи, например, некоторые специалисты Сколково, предсказывают возможность покорения рубежа в 20%. Более того, они утверждают, что это может произойти уже в ближайшие годы.

Остается добавить, что серийные термоэлектрогенераторы имеют различные выходные рабочие напряжения и токи. Это зависит от числа используемых модулей, их конструкции, типа и числа используемых в модулях элементов. Все это в конечном итоге определяет технические параметры источника электрической энергии. Мощность же некоторых моделей достигает сотен ватт, хотя есть варианты термоэлектрогенераторов и киловаттных уровней.

Об областях использования термоэлектрических модулей  в следующей части  данной статьи.
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 5 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 2
 

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Оценивая возможности термоэлектрических модулей, используемых для целей  прямого преобразования тепла в электроэнергию, следует отметить, что на просторах Интернета есть немало соответствующих статей. В них описаны различные эксперименты по использованию относительно недорогих серийных полупроводниковых модулей Пельтье для генерации электроэнергии. Результаты зависят от моделей модулей и разности температур их горячих и холодных сторон.

Например, как показали результаты использования модели TEC1-12709, при разности температуры горячей и холодной сторон модуля, составляющей 100 °С, выходная мощность термоэлектрогенератора с одним таким модулем составила 2 Вт, а при разности 140 °С — около 3 Вт. Очевидно, что применение нескольких термоэлектрических модулей позволяет соответствующим образом увеличить суммарную выходную мощность термоэлектрогенераторов. При этом в соответствии с законами физики последовательное соединение модулей увеличивает выходное напряжение системы модулей, а параллельное — выходной ток.

В процессе конструирования и использования подобных устройств, обеспечивающих прямую конвертацию тепла в электроэнергию, необходимо учитывать условия  эксплуатации термоэлектрогенераторов и особенности энергоплоотребления. Например, необходимо учитывать сильную зависимость выходного напряжения от величины электрического тока, потребляемого нагрузкой, а также зависимость выходных параметров от колебаний нагрева/охлаждения сторон термоэлектрических модулей. Для компенсации нестабильности выходных параметров целесообразно совместно с термоэлектрогенераторами использовать соответствующие электронные цепи. Они призваны обеспечить на выходе преобразование и стабилизацию параметров генерируемой электроэнергии. Это решает проблемы нестабильности выходных параметров термопреобразователей.

Термоэлектрогенератор с преобразователем напряжения

Вариант схемы преобразователя, обеспечивающего стабилизацию выходного напряжения

Итак, из приведенных выше материалов следует, что термоэлектрические модули, биметаллические и полупроводниковые, могут успешно преобразовывать разницу в температуре в электрическую энергию. И как показывают многочисленные эксперименты с термоэлектрическими модулями, а также опыт эксплуатации научных и промышленных термоэлектрогенераторов, выходная электрическая мощность может быть значительной.    

О преимуществе использования термоэлектрических модулей для генерации электричества  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 4 
      

Евгений  Рудометов

    >>    Часть 1
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Что интересно и важно, указанный выше термоэлектрический эффект является обратимым. Это означает, что описанные термоэлектрические модули можно использовать не только в холодильниках, но и в генераторах электрического тока, конвертируя тепловую энергию в энергию электрическую.

К слову сказать, возможность такой конвертации была выявлена еще до работ Пельтье. Приоритет открытия принадлежит немецкому физику Томасу Иоганну Зеебеку (Thomas Johann Seebeck, 1770‑1831). Данный эффект был открыт им в 1821 году, то есть на 13 лет раньше соответствующих работ Пельтье, а результаты исследования были опубликованы Т. И. Зеебеком в 1822 г. в форме статьи в докладах Прусской академии наук. Учитывая приоритет, следовало бы термоэлектрические модули назвать именем данного исследователя — первооткрывателя термоэлектрического эффекта, кстати, как уже отмечалось, обладающего свойством обратимости. Однако за соответствующими модулями закрепилось наименование «модули Пельтье», и это уже стало в настоящее время общепринятой традицией. По всей видимости, данное наименование сохранится и в будущем.

Возвращаясь же к самому эффекту преобразования тепловой энергии в электрическую, следует отметить, что величина термо-ЭДС для применяемых в настоящее время материалов составляет всего-навсего единицы милливольт на 100 °С разности температур  горячих и холодных контактов (спаев). Установлено, что термоэлектрическими свойствами обладают металлы и их соединения: оксиды, сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды, карбиды и др. Термоэлектрические свойства обнаружены также у сплавов металлов, сплавов соединений некоторых металлов и у интерметаллических соединений. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно велик и насчитывает в настоящее время уже тысячи сплавов и соединений. Они обеспечивают разные значения термо-ЭДС. Например, пара медь-константан дает 4,28 мВ/100 °С. Это, конечно, немного, но вот соединение тысячи таких пар — это уже 4,28 В. Очевидно, что еще большее число пар обеспечит соответствующее увеличение значения термо-ЭДС. Комбинируя последовательные и параллельные соединения термопар, можно получить на выходе генератора требуемые значения напряжения и тока.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с биметаллическим модулем

Остается добавить, что эффект Зеебека, как и эффект Пельтье, выявлен и в случае использования полупроводников. В 1929 г. советский академик А.Ф. Иоффе предложил применять в термоэлементах вместо металлических проводников специально подобранные полупроводниковые материалы.

Упрощенная схема термоэлектрогенератора с полупроводниковым модулем

Перспективность применения полупроводниковых материалов в термоэлементах обусловлена тем, что они обладают высокой термоэлектродвижущей силой — в 40–50 раз большей, чем в металлах. Таким образом, проявление эффекта Зеебека в полупроводниках оказалось более сильным по сравнению, например, с известными биметаллами. Именно поэтому в настоящее время в термоэлектрогенераторах чаще всего  применяются именно полупроводниковые термоэлектрические материалы. Они обеспечивают наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество.

Об использовании серийных полупроводниковых модулей Пельтье для генерации электроэнергии  в следующей части  данной статьи.
    

>>    Часть 3 
      

Евгений  Рудометов

(кликнуть мышью для увеличения картинки)   

Введение

Стабильное энергопитание является важным условием внедрения и успешного функционирования современных технологий и промышленных процессов. Отвечая на потребности рынка, многочисленные исследователи и инженеры в своих лабораториях постоянно создают новые и улучшают существующие методы и устройства генерации электрической энергии. Среди них, например, электрогенераторы, основу которых составляют термоэлектрические модули, обеспечивающие преобразование тепла в электричество. Такие устройства и компоненты привлекают внимание конструкторов благодаря своим уникальным свойствам и потенциалу в генерации электричества.

В этой статье мы еще раз рассмотрим принцип работы модулей Пельтье, возможность их использования в холодильниках и в термоэлектрических генераторах (термоэлектрогенераторах), осуществляющих прямое преобразование тепловой энергии в энергию электрическую. В статье будут описаны преимущества модулей, некоторые их и термоэлектрогенераторов технические параметры, а также конкретные примеры применения модулей Пельтье в различных генераторах электрического тока. При этом проанализируем стационарные и космические генераторы, их компоненты и особенности конструкции, различные источники тепла для генерации тока, включая радиоактивные, а также зависимость эффективности преобразования от различных условий.

Принцип работы термоэлектрических модулей

Работа термоэлектрических модулей, которые традиционно и, как будет ясно из последующего текста, не совсем корректно называются модулями Пельтье, основана на ряде электрических и тепловых эффектов. Они возникают в соединениях некоторых разнородных проводников, а также в соединениях полупроводников. Со времени открытия этих эффектов с ними связывают имена таких известных ученых девятнадцатого века как Ж. Ш. Пельтье и Т. И. Зеебек.

Жан Шарль Пельтье

Томас Иоганн Зеебек

Эффект Пельтье был открыт в далеком 1834 г. французским исследователем Жаном Шарлем Пельтье (Jean-Charles Athanase Peltier, 1785‑1845), в дальнейшем данный эффект был детально изучен российским физиком немецкого происхождения, академиком СПбАН Эмилием Христиановичем Ленцем (Heinrich Friedrich Emil Lenz; 1804-1865). Суть открытого эффекта заключается в переносе энергии при прохождении электрического тока через разнородные проводники. Это проявляется как выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. С целью усиления данного термоэлектрического эффекта указанные проводники, как правило, а точнее — всегда, объединяют в массивы.

В двадцатом веке эффект Пельтье был открыт и для случая полупроводников, где его проявление по сравнению с применявшимися тогда материалами оказалось более сильным. Как результат, в настоящее время термоэлектрический модуль — это в большинстве случаев уже не массив биметаллических соединений, а набор специальных полупроводниковых термоэлектрических элементов.

А теперь немного о теории возникновения указанного термоэлектрического явления. Как установлено, на контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создает внутреннее контактное поле. Если через область соединения разнородных проводников протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идет против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведет к его нагреву. Если же ток идет по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества. В результате уменьшается его внутренняя энергия, что сопровождается охлаждением его в месте контакта.

Как уже отмечалось, эффект становится значительно заметнее при объединении элементов в массивы, формирующих модули. Таким образом, каждый модуль состоит из наборов термоэлектрических пар, соединенных между собой параллельно или последовательно и расположенных между двумя теперь обычно керамическими пластинами. При прохождении электрического тока через такой термоэлектрический модуль, одна его сторона нагревается, а другая охлаждается. Это происходит из-за того, что электрический ток вызывает перенос тепла от одной стороны модуля к другой.

Подобные средства успешно применяются в различных областях науки и техники, где возникает необходимость в компактных и высоконадежных устройствах охлаждения.

О возможности преобразования тепловой энергии в энергию электрическую  в следующей части  данной статьи.
    

(кликнуть мышью для увеличения картинки)  

>>    Часть 2