Термоэлектрические источники тока кратко

Обновлено: 02.07.2024

2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ. 3 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

3 ВВЕДЕНИЕ Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей. Я сам не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла. Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление. Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее 3

4 оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации. 4

6 нулю (правило Вольта). Однако положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения. В этом случае в цепи будет протекать электрический ток до тех пор, пока будет существовать разность температур между спаями. Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, то есть прибор, в котором часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдаётся холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов поток тепла, переходящего путём теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем доля тепла, превращаемая в электрическую энергию. Кроме того, сопротивление в металлах зависит от геометрических размеров проводника, т. е. от его длины и сечения, равно как от его состава и строения, определяющих частоту столкновений носителей зарядов с окружающими частицами. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Сопротивление у металлов также увеличивается с повышением температуры, следовательно, электропроводность (способность тела проводить электрический ток) уменьшается. Обусловленные этими причинами КПД термоэлементов из металлических проволок не превышает 0,5%. Потому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока [1]. Полупроводник это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Исследование практического значения полупроводников принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики [2]. 6

9 изменяться в широких пределах от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой мощности [5]. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. ТЭГ незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств. С помощью ТЭГ возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, ТЭГ легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии электрическую. ТЭГ обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота [4]. В практической части работы были изготовлены термопары из проводниковых (медь, железо) и полупроводниковых (хромель, копель, алюмель, константан) материалов. Далее спаянные концы термопар нагревались в верхней части пламени лабораторной спиртовки при температуре около 900 С, в то время как другие концы находились при комнатной температуре 23 С. Цифровым мультиметром MD 838 P были сняты показания напряжения с данных термопар. 9

10 Опытным путём было установлено, что термопара из проводников имеет низкий КПД (напряжение составило всего 2 мв), кроме того из-за высокой теплопроводности часть тепла отдаётся в окружающую среду, а также напряжение зависит от длины и сечения проволоки и уменьшается с повышением температуры. Результаты напряжения, снятые с полупроводниковых термопар, оказались в раз выше, чем у термопары из проводников (гистограмма1). Напряжение, мв Гистограмма 1. Напряжение, полученное с различных вариантов термопар В ходе работы была выявлена термопара (хромель-копелевая), с помощью которой было получено напряжение 77 мв. Следовательно, из всех протестированных термопар она оказалась наиболее оптимальной для преобразования тепла в электричество и создания термоэлектрогенератора. Кроме того практическим путём было установлено, что напряжение, которое можно получить с полупроводниковой термопары, не зависит от длины и сечения проволоки и с повышением температуры увеличивается. На следующем этапе путём последовательного подсоединения 19 полупроводниковых термопар была изготовлена термобатарея. После каждого подсоединения термопар снимались и вносились в таблицу показания напряжения (таблица1). 10

12 Рис.1. Термоэлектрический модуль Следующий этап работы начался с поиска составных частей будущего генератора, а именно: металлической теплораспределительной пластины, устанавливающейся со стороны источника тепла, охлаждающего радиатора, отводящего тепло от модуля в окружающую среду, прижимной пластинки из текстолита, болтов и, для обеспечения наилучшего теплового контакта ТГМ с источником тепла и радиатором холодной стороны, теплопроводной термопасты. Сборка ТЭГ производилась под руководством папы и заняла несколько минут. Вес генератора составил 1кг 200 г, цена 2730 рублей (2450 рублей стоимость модуля и термопасты) (фотография 1). Фотография 1. Готовый термоэлектрогенератор Испытания ТЭГ проводились при различных температурах горячей и холодной сторон модуля. Для этого к термоэлектрогенератору были подключены два мультиметра цифровой серии MD 838 P с функцией регистрации температуры и стрелочный серии Ц Цифровым снимались показания температуры горячей стороны с интервалом 5 С, а стрелочным имеющееся в данный момент напряжение. По данным испытаний был построен график 1. 12

13 - работает радио - работает фонарик - заряжается телефон концов График 1. Зависимость напряжения от разности температур холодного и горячего Из графика которого видно, что при большей разнице температур холодной и горячей сторон можно достичь большего напряжения за меньшее время, поэтому необходимо постоянно подводить тепло к одной стороне модуля и отводить его от другой стороны. В противном случае напряжение перестаёт увеличиваться, а затем начинает уменьшаться. При поддержании разницы температур холодной и горячей сторон можно добиться постоянного напряжения. Экспериментальным путём была доказана возможность сгенерировать с помощью изготовленного прибора напряжение в 6В. В практической части работы было установлено, что для работы светодиодного фонарика необходимо 2,3В, для работы небольшого радио 2,7В, а для зарядки телефона 5В. Следовательно, напряжения, полученного в результате преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэлектрогенератора, вполне достаточно для освещения палатки, прослушивания радио и зарядки аккумулятора сотового телефона в походных условиях. 13

15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Актуальность данной работы обусловлена тем, что мы живём в эпоху электричества. Трудно представить какую-либо отрасль деятельности человека, куда бы ни проникли технологии, энергетическое обеспечение которых осуществляется с помощью электрической энергии. Расширение сфер применения электричества заставляет человечество искать новые источники электроэнергии. Одним из перспективных направлений развития альтернативных источников электрической энергии является разработка и производство термоэлектрических источников энергии, основанных на эффекте Зеебека. В ходе теоретической части работы я выяснил, что лежит в основе преобразования тепловой энергии в электрическую, какие элементы и почему лучше использовать для изготовления термопар, как изменяется напряжение при последовательном соединении термопар и при различных значениях температур горячих и холодных концов. Наличие в продаже компактных ТЭМ позволило мне под руководством папы собрать термоэлектрогенератор. Готовый генератор получился недорогим, достаточно компактным, эффективным и простым в использовании. С его помощью можно сгенерировать напряжение до 6В. Он незаменим для питания маломощных потребителей энергии радиоприёмников, фонариков, сотовых телефонов в глухих, труднодоступных неэлектрифицированных местах. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии он наиболее пригоден в походных условиях, так как не требует солнца, ветра, физических затрат. Он позволяет получить электричество из любого источника тепла. Кроме того, автор предлагает использовать термоэлектрическую генерацию в рамках программы освоения Луны. На Луне есть кратеры (кратер Аристарх) вокруг северного и южного полюсов, которые купаются в полной тени и никогда не видят солнечного света. В этих местах всегда будет температура -153 С. Кроме того, есть рядом горные вершины, которые 15

16 находятся в постоянном солнечном свете, и всегда горячие. Разница температур на лунной поверхности может стать достаточно простым и дешёвым, а может быть и единственно возможным способом получения электричества на Луне для космонавтов и космических станций в рамках программы по освоению Луны. Работа также может использоваться на уроках физики при изучении термоэлектричества. 16

17 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики Т.2/ Г. С. Ландсберг. - М.:Наука, 1971 [1] 2. Анфилов Г. Б. Что такое полупроводник/ Г. Б. Анфилов. - М.: Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР, 1957 [2] 3. Пёрышкин А. В. Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013 [3] 4. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного питания / П. Шостаковский // Компоненты и технологии [4] 5. Дата обращения г [5] 17

Фотоэлектрические элементы – приборы для прямого преобразования солнечной или световой энергии в электрическую, которые называются фотоэлементами (photovoltaics по-английски, образовано от греческого слова photos – свет и названия единицы измерения электродвижущей силы - вольт). Солнечный свет превращается в электричество в сделанных из полупроводникового материала, чаще всего из кремния, фотоэлементах, которые вырабатывают электрический ток под воздействием солнечного света. Крупные фотоэлектрические станции можно создавать, соединяя фотоэлементы в модули, а модули – друг с другом.

Термоэлектрический источник тока или термоэлектрический генератор (ТЭГ) состоит из термоэлектрической батареи, обычно рассчитанной на напряжение 12 В, системы нагрева горячих спаев и охлаждения холодных спаев, обеспечивающей на батареи перепад температуры 250 °С. При этом батарея площадью 75 х 75 мм2 вырабатывает 12-15 Вт.

12) Преобразователи тока и напряжения.

Дели́тель напряже́ния — устройство, в котором входное и выходное напряжение связаны коэффициентом передачи . [1]

В качестве делителя напряжения обычно применяют регулируемые сопротивления (потенциометры). Можно представить как два участка цепи, называемые плечами, сумма напряжений на которых равна входному напряжению. Плечо между нулевым потенциалом и средней точкой называют нижним, а другое — верхним. Различают линейные и нелинейные делители напряжения. В линейных выходное напряжение изменяется по линейному закону в зависимости от входного. Такие делители используются для задания потенциалов и рабочих напряжений в различных точках электронных схем. В нелинейных делителях выходное напряжение зависит от коэффициента нелинейно. Нелинейные делители напряжения применяются в функциональных потенциометрах. [1] Сопротивление может быть как активным, так иреактивным и вовсе нелинейным, как, например, в параметрическом стабилизаторе напряжения.

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты [1] [2] .

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

12) Преобразователи тока и напряжения.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

Вопросы энергообеспечения космических аппаратов, орбитальных станций, внеземных баз и т.п. – сложная и не тривиальная техническая задача. В целом, актуальность и практическая значимость подобных разработок состоит в том, что человечеству в скором времени понадобятся ресурсы других планет.

Целью данной работы стало включение в научно-исследовательскую деятельность, связанную в первую очередь с разработками проектов, предназначенных для освоения планет Солнечной системы, и в частности с вопросами, связанными с энергообеспечением различных инженерных объектов. Задача работы – создание собственных проектов энергетических установок, использующих и учитывающих предлагаемые физические условия космического объекта.

Гипотеза – возможность создания термоэлектрических установок для решения вопросов, связанных с освоением других планет и космоса. Объект исследования в данной работе – энергетические установки, использующие предлагаемые физические условия космических объектов. Предмет исследования – перспективность авторских предложений по заявленной теме (обоснование предлагаемых инноваций). Методы исследования – теоретическое обоснование выбора источников электрической энергии в соответствии с физическими условиями на планете (указание источников тепла и холода для работы термоэлементов); проведение экспериментов с термоэлементами (для изучения их потенциальных возможностей).

Источники информации по выбранной теме в настоящее время представляют собой очень широкий круг – от монографий по астрономии, до достаточно свежих сведений из Интернета.

Новизной в этой работе являются оригинальные решения, касающиеся использования термоэлектричества во внеземных условиях. Предложены краткие описания и ряд характеристик термоэлектрических установок для конкретных физических условий Луны и Меркурия, рассмотрены и проанализированы возможности различных источников тока для условий Венеры, Марса, спутников планет и астероидов. Изучены варианты применения обычных термоэлементов, работающих за счёт градиента температур в окружающей среде, и радиоизотопных термогенераторов (РИТЭГ), которые стали самыми востребованными в условиях низких температур окружающей среды и отсутствия достаточного количества света или тепла по мере удаления объекта от Солнца.

2.Термоэлектрические явления.

2. 1. Термогенераторы

В 1821 г. немецким учёным Зеебеком было открыто термоэлектрическое явление [1]. А именно, если в цепи, составленной из последовательно соединённых разных материалов, места контактов имеют различную температуру, то возникает термоэлектродвижущая сила. Её величина:

где ε _Т – величина термоэдс в мкВ; α_1,2 = α₂ –α₁ –коэффициент термоэдс, зависящий от свойств материалов термоэлемента и от интервала температур в мкВ/ °С; t – температура горячего спая в °С; t₀ – холодного [2].

Явление Зеебека обусловлено следующими тремя причинами:

а) преимущественной диффузией носителей заряда от нагретого конца к холодному (объёмная составляющая термоэдс). В металле электроны на горячем конце приобретают более высокие значения скоростей и энергии, а в полупроводниках, кроме того, растёт их концентрация. В результате поток носителей заряда увеличивается. Так в дырочных полупроводника, на холодном конце скапливаются дырки, а на горячем остаётся нескомпенсированный отрицательный заряд [2];

б) зависимостью контактной разности потенциалов от температуры: химический потенциал зависит от температуры (контактная составляющая);

в) увлечение электронов фононами (волна колебательных движений атомов), которые преимущественно перемещаются от горячего конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают их преимущественное перемещение в том же направлении (фононная составляющая); при низких температурах эта составляющая термоэдс может играть определённую роль [3].

В металлах концентрация электронов проводимости очень велика и не зависит от температуры, а их распределение по энергиям и скоростям теплового движения мало изменяется при нагревании. Значения удельной термоэдс металлов малы (мкВ/ 0 С). Поэтому явление Зеебека в металлах используют в основном для измерения температуры [4]. Сравнительно большие термоэдс в некоторых сплавах.

В полупроводниках концентрация электронов проводимости и дырок значительно меньше, чем в металлах. С повышением температуры количество носителей заряда резко повышается и, что особенно существенно, возрастает скорость их теплового движения. В результате, удельная термоэдс значительно больше, чем у металлов (порядка 10 2 – 10 3 мкВ/ 0 С). Коэффициенты α у электронных и дырочных полупроводников противоположны по знаку. Следовательно, наибольшие значения удельной дифференциальной термоэдс α_1,2 получаются для пар, составленных из электронного и дырочного полупроводников [4].

Это явление нашло применение в термоэлектрогенераторах (ТЭГ) – энергетических устройствах, в которых тепловая энергия нагрева спая непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

2..2. Плюсы термоэлектричества

1). В отличие от фотоэлементов микрометеориты, повреждая внешнюю поверхность, воздействуют на радиаторы, для которых это безопасно.

2). Элемент Зеебека нагревается от любых видов излучения, начиная с инфракрасного (λ≈800 нм), а фотоэлемент, работающий за счёт явления внутреннего фотоэффекта менее, чем с 300 нм (Ge, Se). Кроме того, слишком короткие длины волн негативно воздействуют на полупроводники (допустим, λ=0,01 нм – γ- излучение). А на Луне, например, все излучения и все частицы достигают поверхности.

3). В условиях наличия абразивного материала (пыли) в устройстве нет движущихся частей.

2.3. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы как оптимальные источники тока в условиях неэффективности применения фотоэлементов и обычных ТЭГ

Радиоизотопный темоэлектрический генератор – источник электрической энергии, использующий тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов. Здесь используется не управляемая цепная реакция как в атомном реакторе, а естественный распад радиоактивных изотопов.

Требования к радиоактивным препаратам:

1. Давать высокоэнергетическое излучение.

2. Изотопы не должны производить много нейтронов и жёсткого гамма-излучения – проникающей радиации. Критическая масса должна быть большой для данных изотопов (против взрыва). Излучение должно легко конвертироваться в тепло. Поэтому предпочтительнее альфа-излучение.

3. Нужен большой период полураспада (обычно несколько десятилетий), чтобы обеспечить необходимый срок службы установки.

4. Нужно радиоактивное топливо с большим удельным энерговыделением.

Очень важное место при выборе рабочего изотопа играет образование дочернего изотопа, способного к значительному тепловыделению, так как цепь ядерного преобразования при распаде удлиняется и соответственно возрастает общая энергия, которую можно использовать. Изотоп с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других изотопов – уран-232. Но процесс его получения в настоящее время является дорогим и опасным. Плутоний-238, кюрий-244 и стронций-90 являются чаще всего используемыми изотопами [3, 4].

Период полураспада Pu-238 примерно 87,74 года, и генераторы теряют 0,78 % своей мощности в год. Снижение мощности даёт также биметаллическая термопара, которая конвертирует тепло в электричество (она тоже теряет эффективность). С падением мощности приходится сокращать энергопотребление КА, что ограничивает его функциональность.

3. Ядерные (атомные) батареи

Энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде преобразуется в электрическую: эмиттер даёт излучение, заряженные частицы собирает коллектор. Источник: естественные изотопы ( 90 Sr), либо изотопы, активируемые нейтронным облучением. Мощность до сотен ватт, напряжение – до 20 кВ. Срок службы около 25 лет. Предназначается для небольших потребителей [5].

4. Анализ возможности применения различных источников

тока в зависимости от физических условий небесного тела

При выборе изотопов для РИТЭГ необходимо учитывать время, в течение которого предусматривается работа технических изделий, получающих питание от данного источника. То есть период полураспада радиоактивного изотопа должен обеспечивать стабильную работу устройства на весь предусмотренный срок и ещё дополнительно 30 % на непредвиденные обстоятельства продления эксплуатации, так как данные работы ведутся в условиях первопроходцев.

На астероидах целесообразно применить РИТЭГ или атомные источники. С учётом того, перед человечеством стоит вопрос об организации противоастероидной защиты, путём первоначального отслеживания траекторий опасных объектов с помощью радиомаяков, то, видимо, приоритет будет за РИТЭГ, хотя они не позволяют регулировать энерговыделение, что, в общем, в других условиях является их существенным недостатком.

Итак, для освоения космического пространства большой интерес представляют ТЭГ и их очень перспективный вариант – РИТЭГ, который хорошо освоен современным производством. Он являются основными источниками электричества на космических аппаратах, выполняющих продолжительную миссию. Аккумуляторы и топливные элементы будут иметь меньший срок службы. А при определённом удалении от Солнца нельзя применить фотоэлементы. Следовательно, РИТЭГ – наиболее приемлемый источник для автономных роботов мощностью в несколько сот ватт или меньше с длительным сроком работы. При использовании РИТЭГ защита от радиации осуществляется на КА за счёт выноса РИТЭГ на штангах, а в условиях планет можно применить бетон [4, 5].

5.Проекты внеземных термоэлектрических установок.

5.1. Проект для Луны

5. 2. Проект для Меркурия

На Меркурии аналогичная установка может выглядеть следующим образом (рис.7): горячие спаи под зачернёнными радиаторами нагреваются от Солнца, а холодные спаи и их радиаторы находятся в области вечной тени (под навесом). Низкие температуры в данном случае будут обеспечиваться отсутствием атмосферы у планеты. То есть из трёх видов теплопередачи останется лишь излучение. Таким образом, против нагревания нижних радиаторов от самой опоры установки за счёт теплопроводности необходима теплоизоляция термоэлемента от опоры. И хотя прогревание нижней поверхности установки может идти за счёт излучения от нагретой поверхности планеты, но разность температур будет достаточна для работы термоэлемента, т. к. температура на внешней стороне до 420 0 С. Обычные полупроводниковые материалы выдерживают температуру до 200 0 С, поэтому термопары нужны металлические. Хотя перспективен карбид кремния (до 500-550 0 С).

5. 3. Марсианская модель (с термоэлектричеством)

Краткая характеристика планеты [6,7] для анализа пригодности различных видов источников электрической энергии – рис.8:

Сходство с земными параметрами

Марсианские сутки составляют 24 часа 39 минут, что очень близко к земным. Наклон оси Марса к плоскости эклиптики составляет 25,19°, а земной — 23,44°. В результате этого на Марсе тоже есть смена времён года. Но она дольше, так как марсианский год в 1,88 раза длиннее земного.

У Марса есть атмосфера. Хотя её плотность равна 0,007 земной, она даёт некоторую защиту от солнечной и космической радиации. Исследования показали наличие воды на Марсе. На Земле есть места, схожие с марсианским ландшафтом.

Различие с земными параметрами

Сила тяжести на Марсе примерно в 2,63 раза меньше, чем на Земле. Максимальная температура составляет +30 °C (в полдень на экваторе), минимальная — −123 °C (зимой на полюсах). При этом температура приповерхностного слоя атмосферы — всегда ниже нуля. В силу того, что Марс находится дальше от Солнца, количество достигающей его поверхности солнечной энергии примерно вдвое меньше, чем на Земле. Орбита Марса имеет больший эксцентриситет, что увеличивает годовые колебания температуры и количества солнечной энергии. Атмосфера состоит в основном из углекислого газа (95 %). Магнитное поле Марса слабее земного примерно в 800 раз. Вместе с разрежённой атмосферой это увеличивает количество достигающего его поверхности ионизирующего излучения. Радиационный фон на Марсе приближается к пределам безопасности для космонавтов.

Пыль и пыльные бури

На планете представляют опасность песчаные бури, Из-за очень малого размера частиц от неё очень трудно изолироваться. Для электроники опасность заключается в электростатических свойствах марсианской пыли.

6. Экспериментальный блок работы

6. 1. Термоэлементы и их использование в авторских моделях

Термопара (Fe и константан) – рис. 9.Термоэлемент школьный – рис. 10. U=20 мВ. Результаты в таблицах 1, 2.

Температуру измеряли: 1). датчиком температуры, подсоединённым к компьютерному измерительному блоку – рис.11; 2) пирометром (рис.12).

Элемент Зеебека. Термоэлемент можно даже нагревать с одной стороны рукой. Второй спай находится на радиаторе. Показания мультиметра U= 66 мВ, I= 0,1 A. Результаты серии экспериментов с элементом Зеебека:

1). Площадь элемента S=30см 2 .

2). До нагревания электрическое сопротивление R= 51 Ом.

3). При разности температур 120 0 С (97 0 С – горячая вода в ёмкости 0,5 л и лёд при температуре -20 0 С), были получены значения: ЭДС = 9,5 В, ток короткого замыкания I= 0,49 А. При нагрузке: I=100мА, U= 7-7,5 В.

6. 2. Экспериментальные термогенераторы с элементами Зеебека

Установки, изготовленные на базе элементов Зеебека – рис. 13. Последняя из них питает передатчик радиосигналов. Это модель передатчика, устанавливаемого, например, на астероиде с целью слежения за его траекторией движения. Приёмник данной модели питается от гальванических элементов, так как он представляет собой аналог приёмника, который будет располагаться, по всей видимости, на поверхности Земли, хотя не исключена возможность установки его на каком-либо космическом аппарате.

Элемент находится между двумя радиаторами. К нему подключён светодиод и вентилятор. Значения ЭДС в таблицах 3, 4. При нагревании нижнего радиатора (температура около 600 0 С) через 15 с светодиод начинает светиться. После прекращения нагревания через 40 с он гаснет. Напряжение 3-4 В. Использование вентилятора для охлаждения холодных спаев и потребляющего часть энергии, производимой элементом Зеебека, не только не снижает его КПД, а напротив, поддерживает стабильную работу установки.

7. Заключение

Прикладная ценность полученных результатов – анализ физических условий на различных космических объектах позволил выявить те источники электрической энергии, которые будут приемлемы в каждом конкретном случае (планеты, спутники планет, астероиды, космические аппараты).

К работе прилагаются прототипы (действующие авторские модели) термогенераторов, предназначенных для снабжения электрической энергией передатчиков радиосигналов или других установок небольшой мощности.

1. Калашников С. Г. Электричество. − М.: Наука, 2003. – 623 с.

2. Прохоров А. М. Физический энциклопедический словарь. − М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с.

5. Ишлинский А. Ю. Политехнический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.

6. Левитан Е. П. Астрономия. – М.: Просвещение, 1994. – 207 с.

7. Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия. – М.: Дрофа, 2001. – 224 с.

12. ПРИЛОЖЕНИЯ

Рис. 3 - Перспективы источников тока на планетах - гигантах

Рис. 4 - Возможность использования электромагнитной индукции для генерирования электрической энергии в мощных магнитных полях

Рис. 5 - Перспективы источников тока на Луне

Рис.6 - Лунный термогенератор

1. Верхний зачернённый игольчатый радиатор из материала малой теплоёмкости и большой теплопроводности;

2. Элемент Зеебека;

3. Толстостенный термоаккумулятор из материала большой теплопроводности;

4-5. Теплоаккумулирующее вещество в разных фазах.

Рис. 7 - Термогенератор для Меркурия: нагревание верхних радиаторов от Солнца, охлаждение нижних радиаторов в тени.

Рис. 8 - Перспективы источников тока на Марсе

Рис.9 -Термоэлемент из 2 металлов Рис.10 -Полупроводниковые ТЭ

Таблица 1. Зависимость термоэдс от времени нагревания (металлы)

Время,с

Термоэдс ε_т, мВ

1,1

1,0

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

ЭДС уменьшается с течением времени, т. к. надо охлаждать 2-ой спай.

Таблица 2. Зависимость термоэдс от времени нагревания. С электронной проводимостью − сплав Bi, Te и Se, с дырочной – сплав Bi, Te и Sb.

Термоэлектрический эффект Зеебека.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара.

Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T₁ на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0 ° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T₂ другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700 ° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от - 160 до +380 ° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или - 273,16 ° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100 ° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T₁, а другой – при температуре T₂. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термоэлектрические свойства полупроводников.

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Термоэлектрические приборы.

Если создать хороший тепловой контакт одной группы спаев термобатареи с каким-либо источником теплоты, например небольшим количеством радиоактивного вещества, то на выходе термобатареи будет вырабатываться напряжение. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую в таких термоэлектрических генераторах достигает 16–17% (для паротурбинных электростанций тепловой КПД составляет 20–40%). Термоэлектрические генераторы находят применение в удаленных точках на Земле (например, в Арктике) и на межпланетных станциях, где от источника питания требуются большая долговечность, малые размеры, отсутствие движущихся механических деталей и пониженная чувствительность к условиям окружающей среды.

Можно также, присоединив к зажимам термобатареи источник тока, пропускать через ее термоэлементы ток. Одна группа спаев термобатареи будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Таким образом, термобатарею можно использовать либо как термоэлектрический нагреватель (например, для бутылочек с детским питанием), либо как термоэлектрический холодильник. См. также ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается сравнительным показателем качества

Z = (S 2 s T)/k,

где T – температура, S – удельная термо-ЭДС, k – удельная теплопроводность, а s – удельная электропроводность. Чем больше S, тем больше термо-ЭДС при данной разности температур. Чем больше s , тем больше может быть ток в цепи. Чем меньше k, тем легче поддерживать необходимую разность температур на спаях термобатареи.

Вейник А.И. Термодинамическая пара. Минск, 1973
Анатырчук Л.И. и др. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев, 1979
Термоэлектрические охладители. М., 1983
Куинн Т. Температура. М., 1986

В тексте статьи было указано:

«Исходя из сложившейся обстановки руководство ГРУ ГШ поставило задачу оперативно-техническому управлению провести НИОКР по созданию портативных источников тока для подобных ситуаций.

Конкретно этим вопросом стал заниматься отдел под руководством к. т. н. полковника Евсеенкова П.Т.

Партизанский котелок

Во время обсуждения появилась информация о том, как сложилась судьба второй НИОКР, в ходе которой было создано еще одно редкое изделие, о судьбе которого практически ничего неизвестно до сих пор.

«Для северных регионов разрабатывался генератор на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей с теми же характеристиками на выходе.

Но в серийное производство изделие не пошло по ряду причин, о которых будет рассказано ниже.

Максимальный зарядный ток разработанного термоэлектрического генератора, как и ток для питания РЭА, составлял 2 А при напряжении от 12,6 до 13,8 В, как описано в ТТЗ. А минимальный –100 мА, для герметичного аккумулятора 10НКГЦ-1д, чтобы не произошёл его взрыв во время зарядки.

Чтобы понимать, откуда появилась идея создания такого источника тока, надо обратиться к истории появления в СССР первых термоэлектрических генераторов (ТЭГ), которые создавались в интересах разведывательных органов Красной Армии.

Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов было осуществлено в СССР в период Великой Отечественной войны под непосредственным руководством А.Ф. Иоффе.

Работами по его созданию руководил один из коллег Иоффе – Юрий Маслаковец, заинтересовавшийся термоэлектрическими явлениями в полупроводниках еще до войны.

ТГ-1 действительно был похож на котелок, наполнялся водой и устанавливался на костер.

В качестве полупроводниковых материалов использовались соединение сурьмы с цинком и константан – сплав на основе меди с добавлением никеля и марганца.

Разница температур пламени костра и воды доходила до 300° и оказывалась достаточной для возникновения в термоэлектрогенераторе тока. В результате партизаны заряжали батареи своей радиостанции. Мощность ТГ-1 достигала 10 ватт.

В послевоенное время работы над подобной техникой проводились в интересах народного хозяйства с целью обеспечить электропитанием труднодоступные районы и малонаселённые пункты. И были созданы несколько типов термоэлектрических генераторов разной конструкции для маломощных потребителей.

Серийно выпускались, к примеру, приборы под названием ТГК-3 и ТЭГК-2-2, оформленные в виде насадки на стекло стандартной керосиновой лампы:

Некоторые были оформлены в виде керогазов (фитильных керосиновых горелок для приготовления пищи) модели ТГК-9, ТГК-10 и ТГУ-1. Более мощные, но без сопутствующего эффекта освещения.

Правда, стоит отметить, что широкого применения термоэлектрические генераторы в стране не получили, так как обладали малой мощностью. И их производство было сокращено в последующем.

В Вооруженных силах их разработку не проводили вплоть до восьмидесятых годов, когда острая нужда заставила вернуться к созданию малогабаритных источников питания.

О причинах было подробно рассказано в статье о солнечной батареи БСП-1, где объяснялось, почему были созданы эти изделия.

Получив в Академии наук СССР информацию о научных разработках в этой области, было принято решение о проведении двух НИР в разных организациях с целью выявления возможности создания подобной техники с заданными масса-габаритными характеристиками и выходной мощностью порядка 25–30 вт.

В частности, первый вариант предусматривал получение зарядного тока от жилета, находящегося на человеке. И использовалась разница температур между телом и окружающей средой. Попутно он мог выполнять и функции бронежилета в определенных случаях, но не высокого уровня защиты.

Этот вариант не получил развитие, так как слишком малый перепад температур давал небольшой ток.

Третий вариант предусматривал создание ТЭГ для длительной работы, по типу того, что использовалось в годы войны.

Сувенир

Исполнителям было предложено на выбор разработать несколько вариантов ТЭГ, которые имели разные виды охлаждения и разные типы горелок, для повышения КПД всего изделия. Но со стороны службы эксплуатации было выставлено жесткое требование к ОКР – в изделии не должна использоваться жидкость для испарения. Нельзя было использовать вентиляторное охлаждение. А также исключалось применение любых каталитических горелок или еще каких-то решений, поднимающих цену изделия и снижающих его надежность.

Со специально разработанной аппаратурой, приблизительный эскиз которой представлен на рисунке.

Общий вес всего изделия в сборе был около 5 кг, что не выходило из пределов требований заказчика по масса-габаритным ограничениям.

Возможно, если бы это изделие отправили в 40 Армию (Афганистан), то заключение было бы другим. Но такие испытания запрещалось проводить за рубежами нашей страны. Поэтому ограничились заключением, утвержденным должностным лицом бригады СпН.

На основании этого заключения на совместном совещании заказчика и исполнителей было принято решение в серию изделие не запускать. А документацию сохранить в архивах ГРУ ГШ и Минэлектротехпрома для возможного возобновления выпуска этих изделий в военное время или еще в каких-либо критических ситуациях.

Вспомнить об этом изделии меня заставила информация в сети, где была размещена реклама современного ТЭГ, производимого в Перми и имеющего следующие характеристики:

«Генератор термоэлектрический универсальный B25-12.

Преобразует тепловую энергию в электрическую.

Средний срок службы – не менее 10 лет.

Выходное напряжение – 12 В. Выходная мощность – не менее 25 Вт. Температура установочной поверхности – не более 400 °C.

Габариты, мм: 252х252х170. Вес – не более 8,5 кг.

Более мощные установки выпускались. Но они исключали их мобильное применение небольшими группами военнослужащих. И поэтому на вооружении армии не состояли.

В настоящее время в связи с освоением районов Крайнего Севера и размещением там наших частей, возможно, к идеи обеспечения портативными ТЭГ вернутся вновь. Но на новом уровне.

К этому подталкивают и некоторые миротворческие миссии наших вооруженных сил, когда на небольших наблюдательных постах используют мощные генераторы электрической энергии, требующие большого расхода топлива для двигателя внутреннего сгорания. Это затратно и иногда связано с невозможностью своевременного подвоза больших объемов топлива из-за погодных условий, особенно в горах или в отдаленных районах.

Надеюсь, что эта статья откроет еще одну малоизвестную страницу советских военных разработок. И подскажет кому-то, как можно решить проблему обеспечения электроэнергией небольших по мощности потребителей, если возникнет такая необходимость.

Думаю, это поможет нашим Вооруженным силам и нашему народу не только сейчас, но и в будущем.

Потому что идея использования ТЭГ до сих пор актуальна для некоторых ситуаций в труднодоступных районах или в аварийных случаях.

Читайте также: