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
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].
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
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 1701 день]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
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
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 РИТЭГиВо 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
| 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]. |
- ↑ Константин Лантратов. Плутон стал ближе (рус.) // Газета Коммерсантъ : статья. — Коммерсантъ, 2006. — Вып. 3341. — № 10.
- ↑ Александр Сергеев. Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия (рус.). — Элементы.Ру, 2006.
- ↑ Тимошенко, Алексей Космическая эра — человек оказался не нужен (рус.). gzt.ru (16 сентября 2010). Дата обращения 22 октября 2010. Архивировано 19 апреля 2010 года.
- ↑ Энергия чистой науки: Ток из коллайдера (рус.) // physics arXiv blog Популярная механика : статья. — 12.08.10.
- ↑ В NASA провели первый тест-драйв нового марсохода (рус.). Lenta.ru (26 июля 2010). Дата обращения 8 ноября 2010.
- ↑ 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.
- ↑ World Information Service on Energy. Alaska fire threatens air force nukes.
- ↑ Дриц М. Е. и др. Свойства элементов. — Справочник. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с. — 6500 экз.
- ↑ 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.
- ↑ Plutonium Powered Pacemaker (1974) (англ.). Oak Ridge Associated Universities (23 марта 2009). Дата обращения 15 января 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
- ↑ 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.
- ↑ Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012). Development and testing of Americium-241 radioisotope thermoelectric generator.
- ↑ Nuclear power: Desperately seeking plutonium
- ↑ 1 2 Atomic Insights, Sept 1996, RTG Heat Sources: Two Proven Materials
- ↑ Center of Space Nuclear Research (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 7 декабря 2014. Архивировано 6 октября 2014 года.
- ↑ Journal of the British Interplanetary Society. Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator
- ↑ 1 2 3 4 Перспективы завершения программы утилизации российских РИТЭГов // МАГАТЭ. — 2013 (текст, схемы и фотоснимки)
- ↑ Радиоизотопные термоэлектрические генераторы — Bellona
- ↑ Чернобыльское разгильдяйство сегодня: под Норильском раскурочены бесхозные ритэги — НКО «Беллона», 12 апреля 2006
- ↑ 1 2 Опыт военных гидрографов РФ может ускорить очистку Севпорпути от РИТЭГов— Российское атомное сообщество, 18 января 2012
- ↑ Международное сотрудничество по решению проблем наследия «холодной войны»
- ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2012
- ↑ Отчет МАГАТЭ по утилизации РИТЭГ, 2011
- ↑ 1 2 А. Криворучек. Две энергоустановки для питания автономных маяков на Севморпути бесследно исчезли (неопр.). Известия (23 августа 2013). Дата обращения 15 сентября 2013.
- ↑ СанПиН 2.6.1.2749-10 «Гигиенические требования по обеспечению радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами»
- ↑ Р. Алимов. Рабочие материалы «Беллоны» (неопр.). НКО «Беллона» (2 апреля 2005). Дата обращения 5 июля 2013. Архивировано 6 июля 2013 года.
- ↑ 1 2 С Чукотки вывезен последний радиоизотопный термоэлектрический генератор.
- ↑ ИА «Сахалин-Курилы» Архивная копия от 29 июня 2015 на Wayback Machine, 11.06.2013
- ↑ В.Касымбекова. Радиация в таджикском Файзабаде — угрозы нет? — ЦентрАзия, 11.04.2011
- ↑ Со дна Охотского моря подняли аварийно затопленный РИТЭГ (неопр.). Regnum (13 сентября 2007). Дата обращения 25 мая 2013.
- ↑ Фото поднятого РИТЭГа
- ↑ Радиоизотопная энергетическая установка поднята со дна моря у мыса Марии, sakhalin.info. Дата обращения 11 августа 2017.
- ↑ IAEA Annual Report 2003
- ↑ Последний РИТЭГ (неопр.) (недоступная ссылка). Администрация Чаунского муниципального района (28 мая 2012). Дата обращения 8 июля 2013. Архивировано 9 июля 2013 года.
- ↑ 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.
- ↑ Ликвидирована авария на мысе Наварин Беринговского района Чукотки — chukotken.ru, 11 Сентября 2003
- ↑ Алексей Рамм, Роман Крецул, Алексей Козаченко. Реактивный прорыв: под Северодвинском испытывались «ядерные батарейки» (рус.). Известия (15 августа 2019). Дата обращения 17 августа 2019.
прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов / Habr
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 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, 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 ЖЖ пользователю 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60Со (кобальт-60) | Облучение в реакторе | 2,9 | ~26 | 5,271 года | 193,2 | Металл, сплав |
| 238Pu (плутоний-238) | атомный реактор | 0,568 | 6,9 | 86 лет | 608,7 | Карбид плутония |
| 90Sr (стронций-90) | осколки деления | 0,93 | 0,7 | 28 лет | 162,721 | SrO, SrTiO3 |
| 144Ce (церий-144) | осколки деления | 2,6 | 12,5 | 285 дней | 57,439 | CeO2 |
| 242Cm (кюрий-242) | атомный реактор | 121 | 1169 | 162 дня | 677,8 | Cm2O3 |
| 147Pm (прометий-147) | осколки деления | 0,37 | 1,1 | 2,64 года | 12,34 | Pm2O3 |
| 137Cs (цезий-137) | осколки деления | 0,27 | 1,27 | 33 года | 230,24 | CsCl |
| 210Po (полоний-210) | облучение висмута | 142 | 1320 | 138 дней | 677,59 | сплавы со свинцом, иттрием, золотом |
| 244Cm (кюрий-244) | атомный реактор | 2,8 | 33,25 | 18,1 года | 640,6 | Cm2O3 |
| 232U (уран-232) | облучение тория | 8,097 | ~88,67 | 68,9 лет | 4887,103 | диоксид, карбид, нитрид урана |
| 106Ru (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
Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:
- Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
- Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
- Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
- Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
- Двигатель Стирлинга — 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.
США
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce 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 | 238Pu | ~4 | <45 |
| GPHS-RTG | Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1) | 300 | 4400 | 238Pu | 7.8 | 55.9–57.8 |
| MHW-RTG | LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) | 160 | 2400 | 238Pu | ~4.5 | 37.7 |
| SNAP-3B | Transit-4A (1) | 2.7 | 52.5 | 238Pu | ? | 2.1 |
| SNAP-9A | Transit 5BN1/2 (1) | 25 | 525 | 238Pu | ~1 | 12.3 |
| SNAP-19 | Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) | 40.3 | 525 | 238Pu | ~1 | 13.6 |
| модификация SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) | 42.7 | 525 | 238Pu | ~1 | 15.2 |
| SNAP-27 | Apollo 12–17 ALSEP (1) | 73 | 1,480 | 238Pu | 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
Достоинства:
- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
Недостатки:
- 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.
Источники
Кроме Википедии использовались:
устройство, принцип работы и применение
Термоэлектрический генератор (термогенератор ТЭГ) — это электрическое устройство, использующее эффекты Зеебека, Томсона и Пельтье для выработки электроэнергии за счет термо-ЭДС. Эффект термо-ЭДС был открыт немецким ученым Томасом Иоганном Зеебеком (эффект Зеебека) в 1821 г. В 1851 году Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) продолжил термодинамические исследования и доказал, что источником электродвижущей силы (ЭДС) является температурный перепад.
В 1834 году французский изобретатель и часовщик Жан Чарльз Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, установил, что разность температур происходит на стыке двух различных типов материалов под воздействием электрического тока (эффект Пельтье). В частности, он предсказал, что ЭДС возникает внутри одного проводника, когда присутствует температурный перепад.
В 1950 году русский академик и исследователь Абрам Иоффе открыл термоэлектрические свойства полупроводников. Термоэлектрический генератор энергии стали использовать в системах автономного электроснабжения в недоступных районах. Изучение космического пространства, выход человека в космос дали мощный толчок для бурного развития термоэлектрических преобразователей.
Радиоизотопный источник энергии был впервые установлен на космических кораблях и орбитальных станциях. Их начинают использовать в крупной нефтегазовой отрасли для антикоррозионной защиты газопроводов, в исследовательских работах на Дальнем Севере, в сфере медицины в качестве электрокардиостимуляторов, в жилищном хозяйстве как автономные источники электроснабжения.
Термоэлектрический эффект и перенос тепла в электронных системах
Термоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на комплексном использовании эффекта трех ученых (Зеебека, Томсона, Пельтье), получили свое развитие почти через 150 лет после открытий, намного опередивших свое время.
Термоэлектрический эффект заключается в следующем явлении. Для охлаждения или генерации электричества используется «модуль» состоящий из электрически связанных пар. Каждая пара состоит из полупроводникового материала р (S> 0) и n (S<0). Эти два материала соединены проводником, термоэлектрическая мощность которого считается равной нулю. Две ветви (p и n) и все остальные пары, составляющие модуль, соединены последовательно в электрической цепи и параллельно в термической. ТЭГ (термоэлектрический генератор) с такой компоновкой создает условия, чтобы оптимизировать тепловой поток, который проходит через модуль, преодолевая его электрическое сопротивление. Электрический ток воздействует таким образом, что носители заряда (электроны и дырки) движутся от холодного источника к горячему источнику (в термодинамическом смысле) в двух ветвях пары. При этом они способствуют переносу энтропии от холодного источника к горячему, к тепловому потоку, который будет противостоять теплопроводности.
Если выбранные материалы обладают хорошими термоэлектрическими свойствами, этот тепловой поток, создаваемый движением носителей заряда, будет больше теплопроводности. Поэтому система передаст тепло от холодного источника к горячему и будет действовать как холодильник. В случае генерации электричества тепловой поток вызывает смещение носителей заряда и появление электрического тока. Чем больше разность температуры, тем больше электричества можно получить.
Эффективность ТЭГ
Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:
- Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
- Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.
Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.
Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.
Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.
Термоэлектрические материалы
Термоэлектрики состоят из специальных сплавов или полупроводниковых соединений. В последнее время для термоэлектрических свойств применяются электропроводящие полимеры.
Требования к термоэлектрикам:
- высокая эффективность, которая обусловлена низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью, высоким коэффициентом Зеебека;
- устойчивость к высоким температурам и термомеханическим воздействиям;
- доступность и безопасность окружающей среды;
- устойчивость к вибрациям и резким перепадам температур;
- долгосрочная стабильность и дешевизна;
- автоматизация процесса изготовления.
В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД ТЭГ. Термоэлектрический полупроводниковый материал представляет собой сплав теллурида и висмута. Он был специальным образом изготовлен, чтобы обеспечить отдельные блоки или элементы с различными характеристиками «N» и «P».
Термоэлектрические материалы чаще всего изготавливаются путем направленной кристаллизации из расплавленной или прессованной порошковой металлургии. Каждый способ изготовления имеет свое особое преимущество, но наиболее распространены материалы с направленным ростом. В дополнение к теллуриту висмута (Bi 2 Te 3) существуют другие термоэлектрические материалы, в том числе сплавы свинца и теллурита (PbTe), кремния и германия (SiGe), висмута и сурьмы (Bi-Sb), которые могут использоваться в конкретных случаях. Пока термопары висмута и теллурида лучше всего подходят для большинства ТЭГ.
Достоинства ТЭГ
Достоинства термоэлектрогенераторов:
- выработка электричества происходит по замкнутой одноступенчатой схеме без использования сложных передающих систем и применения движущих частей;
- отсутствие рабочих жидкостей и газов;
- отсутствие выбросов вредных веществ, бросового тепла и шумового загрязнения окружающей среды;
- устройство длительного автономного функционирования;
- использование отработанного тепла (вторичные источники теплоты) с целью экономии энергоресурсов
- работа в любом положении объекта независимо от среды эксплуатации: космос, вода, земля;
- выработка постоянного тока при малом напряжении;
- невосприимчивость к короткому замыканию;
- неограниченный срок хранения, 100 % готовность к работе.
Сферы применения термоэлектрического генератора
Преимущества ТЭГ определили перспективы развития и его ближайшее будущее:
- изучение океана и космоса;
- применение в малой (бытовой) альтернативной энергетике;
- использование тепла от выхлопных труб автомобилей;
- в системах переработки мусора;
- в системах охлаждения и кондиционирования;
- в системах тепловых насосов, для мгновенного разогрева дизельных двигателей тепловозов и автомобилей;
- нагрев и приготовление пищи в походных условиях;
- зарядка электронных устройств и часов;
- питание сенсорных браслетов для спортсменов.
Термоэлектрический преобразователь Пельтье
Элемент Пельтье (ЭП) — это термоэлектрический преобразователь, работающий с использованием одноименного эффекта Пельтье, одного из трех термоэлектрических эффектов (Зеебека и Томсона).
Француз Жан-Шарль Пельтье соединил провода меди и висмута друг с другом и подключил их к батарее, создав таким образом пару соединений двух разнородных металлов. Когда батарея включалась, один из переходов нагревался, а другой охлаждался.
Устройства, основанные на эффекте Пельтье, чрезвычайно надежны, поскольку они не имеют движущихся частей, не нуждаются в техническом обслуживании, не имеют выбросов вредных газов, компактны и имеют возможность двунаправленной работы (нагрев и охлаждение) в зависимости от направления тока.
К сожалению, они малоэффективны, имеют низкий КПД, выделяют довольно много тепла, что требует дополнительной вентиляции и увеличивает стоимость устройства. Такие устройства потребляют довольно много электроэнергии и могут вызвать перегрев или конденсацию. Элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются.
Область применения ЭП
Внедрение передовых технологий в области производства термоэлектриков привело к удешевлению производства ЭП и расширению доступности рынка.
Сегодня ЭП широко применяется:
- в переносных охладителях, для охлаждения небольших приборов и электронных компонентов;
- в осушителях для извлечения воды из воздуха;
- в космических аппаратах для уравновешивания воздействия прямого солнечного света на одну сторону корабля, рассеивая тепло на другую сторону;
- для охлаждения фотонных детекторов астрономических телескопов и высококачественных цифровых камер, чтобы минимизировать погрешности наблюдения, возникающих из-за перегрева;
- для охлаждения компьютерных компонентов.
В последнее время широкое применение он получил и для бытовых целей:
- в устройствах кулеров, питающихся через USB-порт для охлаждения или нагрева напитков;
- в виде дополнительной ступени охлаждения компрессионных холодильников с понижением температуры до -80 градусов для одноступенчатого охлаждения и до -120 для двухступенчатого;
- в легковых автомобилях для создания автономных холодильников или обогревателей.
Китай наладил производство элементов Пельтье модификаций TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 стоимостью до 7 евро, которые могут обеспечить по схемам «тепло-холод» мощность до 200 Вт, сроком службы до 200 000 часов, работающих в температурной зоне от -30 до 138 градусов Цельсия.
Ядерные батарейки РИТЭГ
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) представляет собой устройство использующее термопары для преобразования тепла, выделяемое при распаде радиоактивного материала, в электричество. Этот генератор не имеет движущихся частей. РИТЭГ использовался в качестве источника энергии на спутниках, космических аппаратах, удаленных объектах маяков, построенных СССР для Полярного круга.
РИТЭГы, как правило, являются наиболее предпочтительным источником энергии для устройств, которым требуется несколько сотен Ватт мощности. В топливных элементах, батареях или генераторах установленных в местах, где солнечные элементы являются неэффективными. Радиоизотопный термоэлектрический генератор требует соблюдения строгих мер осторожного обращения с радиоизотопами в течение долгого времени после окончания его срока службы.
В России насчитывается порядка 1 000 РИТЭГов, которые использовались в основном для источников питания на средствах дальнего действия: маяках, радиомаяках и других специальных радиотехнических средствах. Первым космическим РИТЭГом на полонии-210 стал «Лимон-1» в 1962 году, затем «Орион-1» мощностью 20 Вт. Последняя модификация была установлена на спутниках «Стрела-1» и «Космос-84/90». «Луноходы»-1,2 и «Марс-96» использовали РИТЭГ в системах обогрева.
Устройство термоэлектрогенератора своими руками
Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.
С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.
- Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
- Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
- Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
- Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.
Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.
В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.
Перспективы развития термоэлектрической генерации
Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.
Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.
Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.
Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.
Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.
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.
Походный термоэлектрический генератор на дровах и щепках
Есть в мире такая интересная вещь, как Элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь с обратимым эффектом. Его устройство очень просто — это пластинка с множеством соединенных пар разнородных полупроводников, закрытых в теплопроводящем корпусе. Если пустить по элементу ток — одна из сторон пластинки начнет греться, а другая — охлаждаться. Работает это и в обратную сторону — если охлаждать одну сторону, и нагревать другую — элемент начнет вырабатывать электричество, тем большее, чем больше разница температур между сторонами.
За свою универсальность, простоту и малые размеры, «пельтьешки» горячо полюбились любителями самодела, выживальщиками и оверлокерами, которые не перестают придумывать им применение как в качестве охладителя (например, для CPU), так и термоэлектрогенератора. Например — представленный Маркусом Райтом из Уфы — простой походный термогенератор на дровах и щепках, дающий на выходе напряжение 5V/500mA через преобразователь с USB-выходом — этого должно быть достаточно для зарядки телефона или фонарика на природе. А главное — собрать этот агрегат можно из компьютерного хлама и подручных средств, и ниже мы расскажем как!
Для сборки устройства понадобится:
1. Элемент Пельтье — хорошим выбором будет TEC1-12710 12V 40x40mm
2. Повышающий преобразователь напряжения с USB-выходом (входной ток 1-5V, выходной — 5V).
3. Радиатор для процессора с площадью соприкосновения не меньше 40x40mm (больше — лучше).
4. Блок питания компьютера, желательно нерабочий — из него понадобится только корпус. Вместо БП можно использовать щепочницу, и вообще модифицировать конструкцию по желанию.
5. Термопаста и инструменты.
Приобрести Элемент Пельтье можно на радиорынках или в магазинах электротехники, или на ebay и aliexpress (ключевое слово — «peltier»). У нас — дороже, на Aliexpress партия из 5шт. TEC1-12710 обойдется в $25, хотя можно найти дешевле. Также, можно заказать TEC1-12706 — его характеристики похуже, но партия в те же 5шт. обошлась в $10. Ниже приведены характеристики используемого в генераторе элемента:
В TEC1-12710 — 127 пар полупроводников, он рассчитан на 10A и оптимальное подаваемое напряжение — 12V (допустимо, но нежелательно превышение до 14-15V. При извлечении напряжения нагревом и охлаждением — элемент выдаст напряжение значительно ниже среднего — около 1V с пассивным охлаждением одной стороны. Поэтому нужно использовать повышающий преобразователь — когда на вход подается минимальное допустимое напряжение в 1V, он повышает и стабилизирует его, давая на выходе стабильные 5V. Большинство подобных устройств оснащены светодиодным индикатором — когда он загорится — значит на выходе есть 5V и можно работать.
Стабилизатор несложно собрать самому — хотя, стоит он около $2-3 и продается интернет-магазинах. В описываемом устройстве используется стабилизатор, заказанный из Китая вместе с ЭП.
Важно: Элементы Пелетье чувствительны к высоким температурам — нежелателен длительный нагрев элемента выше 160°C, иначе поплывут места спая полупроводников и он выйдет из строя. Также опасны короткие замыкания на поверхности элемента и между контактами.
Сборка:
1. Сперва нужно подготовить корпус БП. А именно — выпотрошить всю начинку и снять порты питания. Снизу на задней стенке, где будет крепиться радиатор, выпилите или пробейте 4 маленьких отверстия — они нужны для крепления радиатора на металлической проволоке. Также, при необходимости, пробейте отверстия для доступа кислорода снизу. Во всём остальном — корпус компьютерного БП идеально подходит для термогенератора.
2. Соблюдая полярность, припаяйте контакты ЭП к преобразователю, а сам преобразователь желательно заизолировать, для защиты от повреждений.
3. Теперь нужно реализовать охлаждение холодной стороны ЭП — активное, или пассивное. Пассивное — это просто радиатор, рассеивающий тепло. Активное — это когда тепло, переданное радиатору, рассеивается кулером, либо когда радиатор охлаждается холодной водой/снегом (зима — лучшее время для фанатов ЭП) — вариантов много. В любом случае, пассивное охлаждение допустимо в ветреной местности, но КПД устройства будет ниже.
«Холодная» сторона ЭП — это та, на которой набито название (протестировать можно, пустив на контакты ЭП ток). Для лучшего теплоотвода обильно смажьте холодную сторону ЭП термопастой — подойдет и легендарная КПТ-8, купленная на радиорынке, но лучше использоваться современные аналоги (спрашивайте в магазинах компьютерной техники). После — установите радиатор на холодную сторону ЭП, и готовое изделие плотно (используя металлическую проволоку) закрепите на стенке корпуса.
Термогенератор на Элементах Пелетье готов!
Работает сей агрегат очень просто: щепки или дрова, горящие внутри корпуса, нагреют одну из сторон ЭП, пока другую будет охлаждать радиатор. Разница температур начнет расти — а вместе с ней вырастет и вырабатываемое элементом напряжение. Когда на преобразователе загорится лампочка — к устройству можно подключать ваши девайсы, и те медленно, но верно будут заряжаться. А если иногда охлаждать водой радиатор — то заряжаться они будут ещё быстрее!
Доставка новых самоделок на почтуПолучайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!
*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.10 лет на плутониевых батарейках / Habr
10 лет прошло с момента выхода на орбиту аппарата Кассини-Гюйгенс. Интернет пестрит красивыми фотографиями и инфографикойПока Elon Musk разбирается с батарейкой для электромобиля в космосе используют 10-ти летние «атомные батарейки».
Из-за большого расстояния Сатурна от Солнца невозможно использовать солнечный свет как источник энергии для аппарата.
Поэтому используют радиоизотопный источник электроэнергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.
Таблетка , раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции.
На борту Кассини было 32,8 кг высокочистого
(для понимания масштаба: в 2013 году Национальная лаборатория Оук-Ридж начала производство плутония-238, с проектной мощностью в 1,5-2 килограмма изотопа в год)
Стоимость 1 килограмма российского составляет около 1 миллиона долларов
На два гарантированных земных года работы на поверхности Марса аппарату Curiosity понадобилось всего 4,77 кг радиоактивной «еды». Однако, энергии в его РИТЭГе может хватить на 10-15 лет.
Под катом несколько фотографий РИТЭГ перед установкой на Кассини
»
Размеры солнечных батарей в зависимости удаления от солнца (из документов NASA)
1 грамм генерирует пол ватта тепловой энергии
Термоэлектрогенератор предназначен для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов
Схема РИТЭГа, используемого на космическом аппарате Кассини-Гюйгенс
Устройство генератора
Устройство нагревателя
Масштаб
(На Кассини 82 шт, на Гюйгенсе — 35 шт. Output 292 Watts electric at beginning of mission)
Видео, содержит тесты РИТЭГа, только для другого аппарата — Галилео
UPD: Виртуальный тур на производство РИТЭГ
ПС
О «разборках» России и Америки по поводу
Пентагону не хватило российского плутония (28 июня 2005)
РИТЭГ: «сердца» космических роботов, или оружие террористов? (27.08.2013)
ППС
итог 10 лет работы Кассини
Как сделать термоэлектрический генератор своими руками
Каждого человека интересует вопрос: как сделать электричество бесплатным и автономным. Мы хотим вам заверить, все это сделать можно, но не таки просто. В этой статье вы узнаете, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, такой прибор вы сможете использовать во время выездов на природу, когда катастрофически не хватает электричества для зарядки телефонов или включения небольших светильников. С помощью такого устройства вы сможете генерировать электрический ток с напряжением в 5 Вольт, этого напряжения хватит, чтобы зарядить мобильный или включить светодиодную лампу.
Как работает термоэлектрический генератор Пельтье
Данное устройство имеет сложный механизм работы, но его собирали уже несколько сотен раз, так что можете быть уверены, у вас все получится. Мы поговорим о том, какие запчасти нужны для сборки самодельного термоэлектрического генератора, так вы поймете, почему он работает. Устройство Пельтье состоит из последовательно соединенных термопар, находятся они между керамических пластин. Примерно вот так это все выглядит на картинке. Узнайте, как сделать маленький вентилятор от USB.
Когда через цепь проходит электрический ток образуется эффект Пельтье, одна сторона модуля нагревается, другая просто охлаждается. Соответственно, если одну сторону сильней нагреть может получить большую силу тока и напряжение.
Как сделать термоэлектрический генератор своими руками
Сейчас элементы Пальтье широко используются практически во всех системах охлаждения, чаще всего их можно встретить в холодильниках. Поэтому особой сложности с подбором материалов у вас возникнуть не должно. Чтобы сделать самодельный термоэлектрический генератор необходимо подготовить следующие материалы:
- Элемент Пельтье, у него должны быть следующие параметры: размер – 40*40*3,4, максимальный ток – 10 А, напряжение – 15 Вольт, маркировка – TEC 1-12710.
- Компьютерный блок питания (только его корпус).
- Стабилизатор напряжение, с входным напряжением 1.5 Вольт, и на выходе он должен выдавать 5 Вольт. Чтобы сразу упросить работу с ним, мы будет подключать USB, современные гаджеты с помощью него можно взять без проблем.
- Радиатор, можно использовать и компьютерный куллер.
- Термопаста.
Пошаговая инструкция:
Чтобы сделать термоэлектрический модуль пельтье своими руками нужно проделать следующие шаги, на этом этапе проявите осторожность, уж слишком много проблем может возникнуть. Отличная статья по теме: делаем проектор для мобильного телефона.
- Разбираем старый блок питания, его мы будет использовать только в качестве корпуса для разжигания огня.
- К поверхности радиатора клеем пластину Пельтье, для этого берем термопасту. Клеем паркировкой к самому радиатору, так как это холодная сторона. Если перепутаете полярность, тогда нужно будет менять провода в дальнейшем.
- К обратной стороне клеем блок питания, вот так это выглядит на фото.
- Крепим пластины и к стабилизатору припаиваем USBвыход для зарядки телефонов.
- Помещаем 5-ти вольтный преобразователь в радиаторе и переходим к испытаниям.
Вот еще один интересный способ:
Получаем термоэлектричество своими руками
Вот мы с вами и разобрали, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, теперь давайте разберем основные способы получения электричества с такого устройства.
Рекомендуем посмотреть вот такое видео, здесь все докладной рассказывается.
Теперь расскажем еще несколько слов о принципе работы такого устройства, чтобы он давал хорошее напряжения разница в температуре должна составлять 100 градусов. Если заметили, что охлаждающая сторона слишком нагрелась делайте все, чтобы ее остудить. Можно использовать воду или другие средства, которые вы видите о себе под рукой.
Похожая статья: Делаем самодельный двигатель из батарейки, проволоки и магнита.