Походный термоэлектрический генератор на дровах и щепках

Охрана труда, здоровья и экологические особенности. Утилизация генераторов[править]

Ни для кого не будет секретом то обстоятельство, что работа с радиоактивными материалами (производство и эксплуатация) требует известных мер предосторожности. Обычно когда среднестатистический человек слышит слово атом или радиоактивность, наблюдается странная реакция и рождаются панические настроения(и даже фобии).Это крайне вредит прогрессу и развитию технологий использования радиоактивных материалов

Объективно: изучение, своевременное обучение и предоставление исчерпывающих объемов информации, это главнейшая задача науки и государств использующих и производящих радиоактивные материалы. Опасность радиации не только в том, что она разрушительна для биологических объектов, а в ее невидимости и отсутствии знаний у людей. Эта опасность сродни опасности электричества. Мы не видим электричество и не паникуем, когда проходим под проводом линии электропередачи в 110000 Вольт или более того, висящим у нас над головой и готовым убить любого на кого он случайно может упасть, и над этим стоит задуматься.
Радиоактивные материалы, используемые в радиоизотопных источниках энергии, представляют собой весьма опасные вещества при попадании в среду обитания людей, и у них есть два поражающих фактора: тепловыделение, могущее привести к ожогу, и радиоактивное излучение, которое и является весьма опасным. Ниже приведен ряд используемых практически, а также перспективных изотопов, при этом наряду с периодом полураспада, приводятся их сорта излучения, энергии, и удельная энергоемкость.

Энергии излучения и период полураспада применяемых и перспективных радиоизотопных источников тепла:

Изотоп	Период полураспада T1/2	Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/гр	Энергия β — частиц, Мэв	Энергия α — частиц, Мэв	Энергия γ — частиц, Мэв
60Co	5,25 года	193,2	0,31		1,17, 1,33
238Pu	87,74 лет	608,7		5,5(72 %),5,46(28 %)
90Sr	28,6 лет	162,721	0,546
144Ce	284,9 дней	57,439	0,31
242Cm	162,8 дня	677,8		6,11(74 %),6,07(26 %)
147Pm	2,6234 года	12,34	0,224
137Cs	30 лет	230,24	1,176
210Po	138,376 сут	677,59		5,305(100 %)
244Cm	18,1 года	640,6		5,8(77 %),5,76(23 %)
208Po	2,898 года	659,561		5,115(99 %)
232U	~68,9 лет	4887,103		5,32(69 %),5,26(31 %)
248Cf	333,5 сут		6,27(82 %),6,22(18 %)
250Cf	13,08 года			6,03(85 %),5,99(15 %)
254Es	275,7 сут	678,933		6,43Мэв(93 %)	0,27-0,31(0,22 %), 0,063(2 %)
257Fm	100,5 сут	680,493		6,52(99,79 %)
209Po	102 года	626,472		4,881(99,74 %)	0,4(0,261 %)
227Ac	21,773 года	13,427???	0,046(98,62 %)	4,95(1,38 %)
148Gd	93 года	576,816		3,183(100 %)
106Ru	371,63 сут	9,864	0,039(100 %)
170Tm	128,6 сут	153,044	0,97(~99 %)		0,084(~1 %)
194mIr	171 сут	317,979	2,3(100 %)		0,15, 0,32, 0,63
241Am	432,5 года			5,49(85%),5,44(15%)
154Eu	8,8 года		1,85(10%),0,87(90%)		0,123, 0,724, 0,876, 1, 1,278

Основными опасными факторами, сопутствующими применению радиоизотопных источников энергии, являются:

• Проникающее гамма-излучение, нейтроны.
• Образование радиоактивных аэрозолей (выделение изотопов радона и паров) при нарушении герметичности капсул с изотопами.
• Повышение давления гелия в капсулах с альфа-активными изотопами (~200кг/см2 и выше).
• Разрывы трубопроводов с активным теплоносителем (натрий, калий и др.) ведущие к пожарам и взрывам.
• Выброс паров ртути в парортутных турбогенераторных установках при аварии.

Меры по противодействию возникновения опасностей и аварий:

• Применение качественных и прочных конструкционных материалов.
• Радиационная защита.
• Использование чистых изотопов (исключение примесей легких элементов в контакте с альфа-излучающими изотопами для предотвращения выхода нейтронов).
• Использование наименее агрессивных и активных теплоносителей, увеличение прочности конструкции.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

• Варочной поверхности.
• Обогревателя.
• Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

• Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
• Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
• Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
• Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
• Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
• Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

• Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
• Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
• Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
• Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Устройство и принцип работы

Любой электрогенератор превращает механический импульс в электрический ток. Его получение происходит за счет кручения катушки из проволоки, помещаемой в магнитное поле. Катушка делится на две главные части: жестко зафиксированный магнит и рамка из проволоки. Оба наконечника катушки связываются механически за счет контактного кольца, скользящего по угольной щетке. Эта щетка проводит электрический ток.

Принцип действия генератора подразумевает также то, что импульс, который вырабатывает вращающая часть, поступает на кольцо внутреннего контакта. Происходит это точно в момент прохождения части рамки около северного края магнита. Источник переменного тока работает обычно по принципу так называемой сильной выработки тока.

Действовать он начинает при запуске системы зажигания. В этот момент ток через контактные кольца движется на щеточный узел и на систему возбуждения. Там он вырабатывает магнитное поле. Ротор, присоединенный к коленвалу, вырабатывает электромагнитные колебания. Переменный наведенный ток образуется на выводе перемотки. Частота кручения самовозбуждающегося генератора растет вплоть до определенного уровня, а после этого срабатывает выпрямитель.

Хотя основной принцип выработки тока состоит во взаимодействии магнитного поля, ротора и статора, вращать движущуюся часть могут различные источники механической энергии. Ими могут быть:

• текучая вода;

• горячий пар;

• ветер;

• моторы внутреннего сгорания.

Синхронный тип генератора отличается совпадением частот кручения статоров и роторов. В качестве ротора применяется постоянный магнит. Когда устройство запускают, ротор начинает вырабатывать слабое поле. Как только растут обороты, начинает вырабатываться большая электрическая сила. Импульс проходит через регулятор напряжения и выдается в электрическую сеть.

Асинхронные модели непрерывно работают в тормозящем режиме. Ротор крутится с опережением, а его ориентация совпадает с ориентацией магнитного поля, создаваемого статором. Роторы могут относиться к фазному либо короткозамкнутому варианту.

Магнитное поле в асинхронных устройствах не подлежит регулировке. Потому частота и ампераж тока определяются непосредственно числом витков аппарата. В последние десятилетия заметную роль играют электрохимические генераторы, которые вырабатывают ток на основе водорода. Их пытаются использовать в автомобилях, однако, пока вытеснить ДВС не получается. Еще один вариант генератора — солнечная батарея работает за счет фотоэффекта.

Будущий рынок

В то время как технология ТЭГ использовалась в военных и аэрокосмических приложениях в течение десятилетий, новые материалы и системы ТЭ разрабатываются для выработки энергии с использованием низко- или высокотемпературного отходящего тепла, и это может предоставить значительные возможности в ближайшем будущем. Эти системы также можно масштабировать до любого размера и иметь более низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание.

В целом инвестиции в технологию ТЭГ быстро растут. Мировой рынок термоэлектрических генераторов оценивается в 320 миллионов долларов США в 2015 году. Согласно недавнему исследованию, ожидается, что TEG достигнет 720 миллионов долларов в 2021 году с темпами роста 14,5%. Сегодня Северная Америка занимает 66% рынка, и в ближайшем будущем она останется крупнейшим рынком. Однако, согласно прогнозам, страны Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы будут расти относительно более высокими темпами. Исследование показало, что рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 18,3% в период с 2015 по 2020 год из-за высокого спроса на термоэлектрические генераторы со стороны автомобильной промышленности для повышения общей топливной эффективности. по мере роста индустриализации в регионе.

Маломасштабные термоэлектрические генераторы также находятся на ранних стадиях исследования носимых технологий, чтобы сократить или заменить зарядку и длительность ускоренной зарядки. Недавние исследования были сосредоточены на новой разработке гибкого неорганического термоэлектрика, селенида серебра, на нейлоновой подложке. Термоэлектрики представляют собой особую синергию с носимыми устройствами, собирая энергию непосредственно из человеческого тела, создавая устройство с автономным питанием. В одном проекте использовался селенид серебра n-типа на нейлоновой мембране. Селенид серебра — это полупроводник с узкой запрещенной зоной, обладающий высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его идеальным для термоэлектрических применений.

Маломощный ТЭГ или рынок «субватт» (т. Е. Генерирующий пиковую мощность до 1 Вт) — это растущая часть рынка ТЭГ, в которой используются новейшие технологии. Основными приложениями являются датчики, приложения с низким энергопотреблением и, в более широком смысле, приложения Интернета вещей . Специализированная компания, занимающаяся исследованием рынка, сообщила, что в 2014 году было отгружено 100000 единиц, а к 2020 году ожидается 9 миллионов единиц в год.

Принцип работы тепловой электростанции на дровах плюсы и минусы

Экология потребления.Усадьба:Современная электростанция на дровах является очень эффективным и при этом относительно недорогим оборудованием, основным топливом в которой являются дрова.

Современная электростанция на дровах является очень эффективным и при этом относительно недорогим оборудованием, основным топливом в которой являются дрова. Сейчас это оборудование достаточно широко используется в частном жилом секторе, а также на небольших производственных площадях и в походных условиях.

ПРИНЦИП КЛАССИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Само понятие «на дровах» по которому работает тепловая электростанция на дровах нужно понимать, что в качестве топлива, имеется возможность использовать разнообразные материалы способные гореть. При этом, самым распространенным и часто используемым ресурсом являются именно дрова. Вы можете электростанции на дровах купить из большого представленного на рынке ассортимента по относительно невысокой стоимости. Основное устройство этих видов электростанций такое:

• Печь.
• Специальный котел.
• Турбина.

При помощи печи происходит нагревание котла в котором находится вода или же может находиться специальный для этого газ. Затем вода направляется по трубопроводу к турбине. Она вращается и при помощи этого в специально смонтированном генераторе преобразуется электричество. Электростанции на дровах своими руками сделать достаточно просто и это не займет очень много времени и значительных финансовых вложений.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

При работе электростанции, вода не будет сразу испаряться, а постоянно будет ходить по контуру. Отработавший пар охлаждается и затем опять становится водой и так по кругу. Некоторым недостатком подобной схемы работы мини электростанции на твердом топливе является достаточно высокая взрывоопасность. Если вдруг вода, которая находится в контуре сильно перегреется, тогда котел может не выдержать и его разорвет давлением. Для предотвращения этого, используются современные системы и автоматические клапаны. Вы всегда можете купить походную электростанцию на дровах, которая имеет высокие показатели эффективности и безопасности совсем недорого по стоимости.

Также, в стандартной схеме генератора на пару имеются некоторые требования к используемой воде. Обычную воду из под крана заливать в это оборудование не рекомендуется. Потому, как в ней большое количество солей, что с течением определенного времени станет основной причиной возникновения налета на стенках используемого котла и в трубах электростанции, которая использует дрова в качестве основного топлива.

РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ДРОВАХ

Сейчас очень популярной и недорогой является твердотопливная туристическая мини электростанция, которую можно приобрести из большого представленного ассортимента. Такие электростанции пользуются высокой популярностью и востребованностью у большого числа туристов и путешественников. В этом оборудовании используется специальное твердое топливо, которое обеспечивает высокие показатели эффективности, надежности, а также безопасности в эксплуатации.

Миниэлектростанция использующая в виде топлива дрова, является достаточно успешным и уже давно применяемым оборудованием, которое может быть использовано в различных сферах деятельности человека. Очень популярны, такие виды электростанций у дачников, где могут быть частые проблемы с отключением электричества, а также в труднодоступных регионах где отсутствуют линии электропередач. Помимо этого, все большую популярность сейчас приобретают походные варианты электростанций, которые используют дрова или любые другие твердотопливные элементы. опубликовано econet.ru 

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.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года характеризуется сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Строгость обусловлена фактом: прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора стоит ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния на выходное напряжение. Отдельные авторы предполагают большие флуктуации, но по тексту уже высказывалась точка зрения о приемлемой стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. В отсутствии электричества оно получается в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями либо оставались без названия. Рекламка говорит: когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции в любой точке мира. Такие времена: доза каменного угля, и новости всегда рядом.

Этот термоэлектрический генератор представляет блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не даст большое напряжение, но, набрав побольше соединений проводов, остаётся возможность получить удовлетворительный результат.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Прогревая приёмник, достигается напряжение до 40 мВ. Если включить последовательно 50 термопар, образуется 2 В, чего хватит для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Истинный друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало понятно, что тепло не способно непосредственно превращаться в магнетизм, наконец, отвергли идею образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать в электролизе (1831 год). Но термин пребывал неустойчивым. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине XIX века. Считались просто лабораторными установками для исследований различных процессов, именовались по-иному.

В Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи помещались термопары, с достаточными напряжением и током. Объединяя питающие элементы последовательно, поднимали вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток. Каждая термопара сконструирована по образу использованной Зеебеком (сурьма – антимонид цинка). Тогда уже узнали батарею Гюльхера (предположительно, 1898 год).

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первыми прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения мощного источника питания. Дальнейшее развитие концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии опытов по исследованию инфракрасного спектра они создали тепловой мультипликатор. Идея пришла обоим после внесения прогрессивных изменений в конструкцию Швейггера (1825 год).

Задумка первого гальванометра: эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом собирался «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя стала стрелка компаса.

Автономные термоэлектрические генераторы

Именно простота и надежность обусловили использование ТЭГ в отдаленных и труднодоступных регионах для автономного энергоснабжения. К примеру, они применяются для питания навигационных маяков и метеорологических станций. Зачастую это разновидность газовых генераторов — ГТЭГ, где для нагревания используется природный газ.

Отдельно стоит упомянуть радиоизотопные ТЭГ, в которых источником тепла является естественный распад изотопов. Автоматическая межпланетная станция Кассини, запущенная к Сатурну в 1997 году была оборудована таким источником.

Для нагрева в РИТЭГ было использовано 32,8 килограмма изотопа плутония-238.

Устройство и принцип работы

Принцип работы термоэлектрического генератора, или, как его еще называют, теплового насоса, основывается на преобразовании энергии тепла в электрическую энергию с использованием термических элементов полупроводников, которые связываются между собой параллельно или последовательно.

В ходе проведения исследований немецким ученым был создан совершенно новый эффект Пелтье, в котором указывается, что абсолютно разные материалы полупроводников при проведении спаивания дают возможность обнаружить отличие температур между их боковыми точками.

Но как же понять, как работает данная система? Все довольно-таки просто, такая концепция основана на определенном алгоритме: когда один из элементов охлаждают, а другой нагревают, то мы получаем энергию силы тока и напряжения. Главная особенность, которая выделяет из остальных именно этот метод, заключается в том, что тут могут использоваться всевозможные источники тепла, среди которых недавно отключенная плита, лампа, костер или даже чашка с только налитым чаем. Ну а охлаждающим элементом чаще всего является воздух или же обычная вода.

Как же устроены эти термические генераторы? Они состоят из специальных термических батареек, которые изготавливают из материалов проводников, и тепловых обменников разнородных температур спаев термобатарей.

Схема электрической цепи выглядит следующим образом: термоэлементы полупроводников, ветви прямоугольной формы n- и p-типа проводимой способности, соединенные пластины холодных и горячих сплавов, а также высокая нагрузка.

Среди положительных сторон термоэлектрического модуля отмечают возможность использовать абсолютно во всех условиях, в том числе и в походах, да и к тому же легкость транспортировки. Более того, в них отсутствуют подвижные детали, которые имеют свойство быстро изнашиваться.

А к недостаткам относят далеко не низкую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (приблизительно 2–3%), а также важность еще одного источника, который обеспечит рациональный перепад температур

Следует отметить, что ученые активно работают над перспективами усовершенствования и устранения всех погрешностей в получении энергии таким способом. Продолжаются эксперименты и исследования по разработке наиболее эффективных термических батареек, которые помогут повысить значение коэффициента полезного действия.

Однако довольно сложно определить оптимальность этих вариантов, так как они базируются исключительно на практических показателях, не имея при этом теоретического обоснования.

Существует теория, что на современном этапе физиками будет использоваться технологически новый метод замены сплавов на более эффективные, в отдельности с внедрением нанотехнологий. Более того, возможен вариант использования нетрадиционных исходников. Так, в университете Калифорнии был проведен эксперимент, где термические батарейки заменили синтезированной искусственной молекулой, которая выступала как связующий материал золотых микроскопических полупроводников. Согласно проведенным опытам стало ясно, что результативность нынешних исследований покажет лишь время.

Эффективность ТЭГ

Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:

1. Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
2. 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.

Схемы подключения

По числу использующихся фаз все генераторные агрегаты делятся на две группы:

• однофазные;
• трехфазные.

Однофазный генератор

Схема подключения оборудования с одной фазой

Этот тип устройств используется для работы с любыми потребителями электроэнергии, главное — чтобы они были однофазными.

Самые простые конструкции состоят из:

• магнитного поля;
• прокручивающейся рамки;
• коллекторного устройства, предназначенного для отвода тока.

Благодаря наличию последнего в результате рамочного прокручивания через щетки образуется постоянный контакт с рамкой. Параметры тока, который меняется с учетом закона гармоники, будут разными и передаются на щеточный узел, а также в схему потребителей напряжения. На сегодняшний день однофазные агрегаты являются наиболее популярным типом автономного источника питания. Они могут использоваться для подключения практически всех бытовых электроприборов.

Трехфазный генератор

Такой тип устройств относится к классу универсальных, но более дорогих агрегатов. Отличительная особенность трехфазных генераторов заключается в необходимости постоянного и дорогостоящего технического обслуживания. Несмотря на это, данный тип установок получил наибольшее распространение.

Это обусловлено следующими преимуществами:

1. В основе агрегата используется вращающееся круговое магнитное поле. Это обеспечивает возможность хорошей экономии при разработке оборудования.
2. Трехфазные генераторы состоят из уравновешенной системы. Это обеспечивает ресурс эксплуатации агрегата в целом.
3. В работе трехфазного устройства одновременно используется два напряжения — линейное и фазовое. Оба применяются в единой системе.
4. Одно из основных преимуществ — повышенные экономические показатели. Это обеспечивает снижение материалоемкости силовых проводов, а также трансформаторных агрегатов. Благодаря данной особенности упрощается процедура передачи электричества на большие расстояния.

Схема соединения «звездой»

Данный тип подключения подразумевает электросоединение концов обмоток в определенной точке, которая именуется «нулем». При выполнении такого подсоединения нагрузку к генераторному узлу можно подать посредством трех или четырех кабелей. Проводники от начала обмоток считаются линейными. А основной кабель, который идет от нулевой точки, является нулем. Параметр напряжения между проводниками считается линейным (эта величина выше в 1,73 раза по сравнению с фазной).

Схема типа «звезда» для подключения трехфазного оборудования

Одной из основных особенностей данного варианта является равенство токов. Четырехпроводной тип «звезды» с нейтральным кабелем считается самым распространенным. Его использование позволяет предотвратить перекос фаз при подсоединении несимметричной нагрузки. К примеру, если на одном контакте она активная, а на другом — реактивная или емкостная. При использовании такого варианта обеспечивается максимальная защищенность включенного электрооборудования.

Схемы соединения «треугольником»

Данный метод подключения представляет собой последовательное подсоединение обмоток трехфазного агрегата. Конец первой намотки должен быть соединен с началом второй, а ее контакт — с третьей. Затем проводник от обмотки под номером 3 подсоединяется к началу первого элемента.

При такой схеме линейные кабели отводятся от точек подключения обмоток. Параметр линейного напряжения по величине соответствует фазному. А значение первого тока выше второго в 1,73 раза. Описанные свойства актуальны исключительно в случае равномерной нагрузки фаз. Если она будет неравномерной, то параметры необходимо пересчитать графическим или аналитическим способом.

Электросхемы соединений агрегата «треугольником»

Использование в космических миссиях

Многофункциональный радиоизотопный термоэлектрический генератор Марсианской научной лаборатории .

Марсоход Curiosity , который успешно приземлился в кратере Гейла 6 августа 2012 года, использует один MMRTG для подачи тепла и электричества для своих компонентов и научных приборов. Надежное питание от MMRTG позволит ему проработать несколько лет.

20 февраля 2015 года официальный представитель НАСА сообщил, что у НАСА достаточно плутония для заправки еще трех MMRTG, подобных тому, который используется марсоходом Curiosity. Один уже заинтересован в Mars 2020 и его марсоходе Perseverance . Два других не были назначены для какой-либо конкретной миссии или программы и могут быть доступны к концу 2021 года.

MMRTG был успешно запущен в космос 30 июля 2020 года на борту миссии Mars 2020 и теперь используется для снабжения научного оборудования марсохода Perseverance теплом и энергией. MMRTG, используемый в этой миссии, представляет собой F-2, построенный компаниями Teledyne Energy Systems, Inc. и Aerojet Rocketdyne по контракту с Министерством энергетики США (DOE) со сроком службы до 17 лет.

Предстоящая миссия NASA Dragonfly на спутник Сатурна Титан будет использовать один из двух MMRTG, на которые команда Aerojet Rocketdyne / Teledyne Energy Systems недавно получила контракт. MMRTG будет использоваться для зарядки набора литий-ионных аккумуляторов, а затем использовать этот источник с более высокой плотностью мощности для управления квадроциклом на коротких прыжках над поверхностью Луны.