Termoelektrický generátor (TEG) byl vytvořen na počátku XNUMX. století vědci Seebeck a Oersted. Seebeck nazval svůj objev termomagnetismus, za předpokladu přítomnosti magnetických vlastností v procesu přeměny tepelné energie na elektrickou energii. AleØrsted dal správnější fyzikální vysvětlení, a zavedl pojem termoelektřina. Poté, spolu s Fourierem, vytvořili první vzorek termoelektrického generátoru.
Historie střídavých a stejnosměrných generátorů
Alternátory (GPT) jsou známy již od objevu magnetické indukce elektrického proudu. Rané stroje vytvořené Michaelem Faraday a Hippolytus Pixie, ale první kompaktní a lehký HPT vynalezl Nikola Tesla v r 1888 rok.
První DC generátor (GPT) vytvořil S. Jacobi v r 1838 rok. Motor byl poháněn galvanicky baterií, které sloužily k pohonu hřídele lodního šroubu. Jacobi vytvořil první kompaktní GPT v 1842 rok.
Princip činnosti termoelektrického generátoru
Termoelektrický generátor pracuje na základě Seebeckova jevu. Podstatou tohoto jevu je výskyt EMF (elektr potenciál) za přítomnosti teplotního rozdílu na přechodech termoelektrického páru. V tomto případě,, pokud jsou tyto křižovatky kombinovány do řetězu, pak můžete získat proud, který tu práci udělá.
Tak, princip fungování TEG je další:
- Jsou mezi nimi dva různé teplotní kontakty termojuntika, dolní a nahoře
- Mezi kontakty vzniká vlivem termoelektrického jevu napětí
- Při spojování kontaktů do elektr obvodu, vzniká proud, který lze použít k napájení spotřebitele.
Přeměna tepla na elektřinu
Termoelektrický generátor je technický устройство, který je určen k přímé přeměně tepelné energie na elektrickou. Design GPT využívá termočlánky, který při rozdílu teplot mezi přechody vytváří elektrický potenciál.
Přeměna tepla na elektřinu je možná kdykoliv Systém, kde je teplotní rozdíl. Na základě TEG lze vytvořit zařízeníkteré pracují na teplo ze slunce, plyn desky, horký voda nebo přírodní zdroje geotermální energie.
Tipy a závěry
Často se používají termoelektrické generátory v zařízeníchkteré fungují autonomně způsob, například, pro jídlo senzory nebo satelity. Chcete-li získat maximum účinnost, je nutné zajistit maximální teplotní rozptyl mezi kontakty a při použití TEG jako zdroje energie by měla být vybrána zařízení s nejvyšší termoelektrickou citlivostí.
Kdo vytvořil první alternátor
Nikola Tesla je však považován za prvního, kdo vytvořil generátor střídavého proudu. V roce 1887 vytvořil prototyp generátoru, který byl základním modelem pro všechny následující alternátory. Tesla vylepšil mechanickou konstrukci a přidal sekundární vinutí, které mu umožnilo vyrábět vysokonapěťový střídavý proud. Teslova soustava střídavého proudu měla mnoho výhod oproti stejnosměrnému proudu, zejména byla bezpečnější a rychleji se šířila na velké vzdálenosti. Právě díky jeho vynálezu bylo možné vytvořit první energeticky zásobená města a průmyslová zařízení. Nikola Tesla je považován za velkého vynálezce a vědce, který vytvořil mnoho nových technologií v oblasti elektřiny, rádia a mnoha dalších věd.
Termoelektrický generátor vytvořili Oersted a Fourier. Dříve Seebeck nazval svůj objev termomagnetismem, ale Oersted se domníval, že to není správné a poskytl přesnější vědecké vysvětlení. Zavedl termoelektřinu do vědeckého využití a spolu s Fourierem vyvinul první termoelektrický generátor. Tento generátor umožnil získat elektřinu z tepelné energie a dal podnět k rozvoji termoelektriky jako vědy. Je důležité si uvědomit, že termoelektrické generátory se používají v moderních technologiích, včetně kosmických. Díky tomuto vynálezu se výrazně zlepšila efektivita využití tepelné energie v různých oblastech průmyslu a domácích potřeb.
Stalo se, že v sérii „Peaceful Space Atom“ se posouváme od fantastického k rozšířenému. Když jsme naposledy mluvili o energetických reaktorech, dalším zřejmým krokem je mluvit o radioizotopových termoelektrických generátorech. Nedávno byl na Habrém výborný příspěvek o RTG sondy Cassini a my se na toto téma podíváme ze širšího pohledu.
Fyzika procesů
Výroba tepla
Na rozdíl od jaderného reaktoru, který využívá fenoménu jaderné řetězové reakce, radioizotopové generátory využívají přirozeného rozpadu radioaktivních izotopů. Připomeňme, že atomy se skládají z protonů, elektronů a neutronů. V závislosti na počtu neutronů v jádře konkrétního atomu může být tento atom stabilní nebo vykazovat tendenci ke spontánnímu rozpadu. Stabilní je například atom kobaltu 59 Co s 27 protony a 32 neutrony v jádře. Tento kobalt bylo lidstvo používáno již od dob starověkého Egypta. Pokud ale k 59Co přidáme jeden neutron (například tím, že do jaderného reaktoru vložíme „běžný“ kobalt), dostaneme 60 Co, radioaktivní izotop s poločasem rozpadu 5,2 roku. Termín „poločas rozpadu“ znamená, že po 5,2 letech se jeden atom rozpadne s 50% pravděpodobností a asi polovina ze sta atomů zůstane. Všechny „obyčejné“ prvky mají své vlastní izotopy s různými poločasy:
3D izotopová mapa, díky LJ user crustgroup za obrázek.
Výběrem vhodného izotopu je možné získat RTG s požadovanou životností a dalšími parametry:
| Izotop | Způsob získání | Měrný výkon, W/g | Objemový výkon, W/cm³ | Poločas rozpadu | Integrovaná izotopová rozpadová energie, kWh/g | Pracovní forma izotopu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 60 Co (kobalt-60) | Ozařování v reaktoru | 2,9 | ~ 26 | 5,271 let | 193,2 | Kov, slitina |
| 238 Pu (plutonium-238) | nukleární reaktor | 0,568 | 6,9 | 86 let | 608,7 | Karbid plutonia |
| 90 Sr (stroncium-90) | štěpné fragmenty | 0,93 | 0,7 | 28 let | 162,721 | SrO, SrTiO3 |
| 144 Ce (cer-144) | štěpné fragmenty | 2,6 | 12,5 | 285 dny | 57,439 | Výkonný ředitel2 |
| 242 cm (curium-242) | nukleární reaktor | 121 | 1169 | 162 dny | 677,8 | Cm2O3 |
| 147 hodin (promethium-147) | štěpné fragmenty | 0,37 | 1,1 | 2,64 let | 12,34 | Pm2O3 |
| 137 Cs (cesium-137) | štěpné fragmenty | 0,27 | 1,27 | 33 let | 230,24 | CsCl |
| 210 Po (polonium-210) | ozáření bismutem | 142 | 1320 | 138 dny | 677,59 | slitiny s olovem, ytriem, zlatem |
| 244 cm (curium-244) | nukleární reaktor | 2,8 | 33,25 | 18,1 let | 640,6 | Cm2O3 |
| 232 U (uran-232) | ozařování thoria | 8,097 | ~ 88,67 | 68,9 let | 4887,103 | oxid uraničitý, karbid, nitrid |
| 106 Ru (ruthenium-106) | štěpné fragmenty | 29,8 | 369,818 | ~371,63 dnů | 9,854 | kov, slitina |
Skutečnost, že se izotopy rozpadají nezávisle, znamená, že RTG nelze ovládat. Jakmile se naplní palivem, bude se ohřívat a vyrábět elektřinu po celá léta, přičemž postupně degraduje. Snížení množství štěpného izotopu znamená, že bude méně jaderného rozpadu, méně tepla a méně elektřiny. Navíc pokles elektrické energie bude zhoršen degradací elektrického generátoru.
Existuje zjednodušená verze RTG, ve které se rozpad izotopu využívá pouze k vytápění, bez výroby elektřiny. Tento modul se nazývá topná jednotka nebo RHG (Radioisotope Heat Generator).
Přeměna tepla na elektřinu
- . Spojením dvou vodičů z různých materiálů (například chromel a alumel) a zahřátím jednoho z nich můžete vytvořit zdroj elektřiny. . V tomto případě se používá vakuová trubice. Jeho katoda se zahřívá a elektrony dostávají dostatek energie, aby „přeskočily“ na anodu a vytvořily elektrický proud. . V tomto případě je ke zdroji tepla připojena fotobuňka pracující v infračerveném rozsahu. Zdroj tepla vyzařuje fotony, které jsou zachyceny fotobuňkou a přeměněny na elektřinu. . Zde se k přeměně tepla na elektřinu používá elektrolyt vyrobený z roztavených sodných a sirných solí. – tepelný stroj pro přeměnu teplotních rozdílů na mechanickou práci. Elektřina se získává mechanickou prací pomocí nějakého druhu generátoru.
Příběh
První experimentální radioizotopový zdroj energie byl představen v roce 1913. Ale teprve od druhé poloviny XNUMX. století, s rozšířením jaderných reaktorů, ve kterých bylo možné vyrábět izotopy v průmyslovém měřítku, se RTG začaly aktivně používat.
V USA se RTG zabývala organizace SNAP, již známá z předchozího příspěvku.
SNAP-1.
Jednalo se o experimentální RTG využívající 144 Ce a generátor Rankinova cyklu (parní stroj) se rtutí jako chladicí kapalinou. Generátor úspěšně fungoval 2500 hodin na Zemi, ale do vesmíru neletěl.
SNAP-3.
První RTG létající do vesmíru na navigačních satelitech Transit 4A a 4B. Energetický výkon 2 W, hmotnost 2 kg, použité plutonium-238.
Hlídka
RTG pro meteorologickou družici. Energetický výkon 4,5 W, izotop – stroncium-90.
SNAP-7.
Rodina pozemních RTG pro majáky, světelné bóje, meteorologické stanice, zvukové bóje a podobně. Velmi velké modely, hmotnost od 850 do 2720 kg. Energetický výkon – desítky wattů. Například SNAP-7D – 30 W s hmotností 2 tuny.
SNAP-9
Sériové RTG pro navigační satelity Transit. Hmotnost 12 kg, elektrický výkon 25 W.
SNAP-11
Experimentální RTG pro přistávací stanice na Měsíci Surveyor. Bylo navrženo použít izotop curium-242. Elektrický výkon – 25W. Nepoužívá.
SNAP-19
Sériové RTG, používané v mnoha misích – meteorologické družice Nimbus, sondy Pioneer -10 a -11, přistávací stanice Viking na Marsu. Izotop – plutonium-238, energetický výkon ~40W.
SNAP-21 a -23
RTG pro použití pod vodou s použitím stroncia-90.
SNAP-27
RTG pro napájení vědeckých zařízení programu Apollo. 3,8 kg. plutonium-238 poskytlo energetický výkon 70 W. Lunární vědecké vybavení bylo vypnuto již v roce 1977 (lidé a vybavení na Zemi vyžadovali peníze, ale nebylo jich dost). RTG v roce 1977 produkovaly od 36 do 60 W elektrické energie.
MHW-RTG
Název znamená „multi-stowatt RTG“. 4,5 kg. plutonium-238 produkovalo 2400 W tepelného výkonu a 160 W elektrického výkonu. Tyto RTG byly instalovány na Lincolnových experimentálních satelitech (LES-8,9) a poskytují teplo a elektřinu Voyageru již 37 let. Od roku 2014 poskytují RTG asi 53 % svého počátečního výkonu.
GPHS-RTG
Nejvýkonnější vesmírné RTG. 7,8 kg plutonia-238 dalo 4400 wattů tepelné energie a 300 wattů elektrické energie. Byl použit na sluneční sondě Ulysses, sondách Galileo, Cassini-Huygens a létá k Plutu na New Horizons.
MMRTG
RTG pro zvědavost. 4 kg plutonia-238, 2000 W tepelný výkon, 100 W elektrický výkon.
Teplý svítilna krychle plutonia.
Americké RTG s časovou referencí.
| Jméno | Média (množství na zařízení) | Maximální výkon | Izotop | Hmotnost paliva, kg | Hrubá hmotnost vozidla, kg | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektrický, W | Thermal, W | |||||
| MMRTG | Rover MSL/Curiosity | ~ 110 | ~ 2000 | 238 Pu | ~4 | |
| GPHS-RTG | Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1) | 300 | 4400 | 238 Pu | 7.8 | 55.9-57.8 |
| MHW-RTG | LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) | 160 | 2400 | 238 Pu | ~ 4.5 | 37.7 |
| SNAP-3B | Transit-4A (1) | 2.7 | 52.5 | 238 Pu | ? | 2.1 |
| SNAP-9A | Tranzit 5BN1/2 (1) | 25 | 525 | 238 Pu | ~1 | 12.3 |
| SNAP-19 | Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) | 40.3 | 525 | 238 Pu | ~1 | 13.6 |
| modifikace SNAP-19 | Viking 1 (2), Viking 2 (2) | 42.7 | 525 | 238 Pu | ~1 | 15.2 |
| SNAP-27 | Apollo 12–17 ALSEP (1) | 73 | 1,480 | 238 Pu | 3.8 | 20 |
SSSR/Rusko
V SSSR a Rusku bylo málo vesmírných RTG. První experimentální generátor byl Limon-1 RTG založený na poloniu-210, vytvořený v roce 1962:
.
První vesmírné RTG byly Orion-1 s elektrickým výkonem 20 W na poloniu-210 a vypouštěné na komunikačních družicích řady Strela-1 – Kosmos-84 a Kosmos-90. Topné jednotky byly instalovány na Lunochodech -1 a -2 a RTG byl instalován na misi Mars-96:
Současně byly RTG velmi aktivně používány v majácích, navigačních bójích a dalších pozemních zařízeních – řady BETA, RTG-IEU a mnoha dalších.
Výstavba
Téměř všechny RTG používají termoelektrické měniče, a proto mají stejný design:
Vyhlídky
Všechny létající RTG se vyznačují velmi nízkou účinností – elektrický výkon je zpravidla menší než 10% tepelného výkonu. NASA proto na začátku 30. století spustila projekt ASRG – RTG se Stirlingovým motorem. Očekávalo se zvýšení účinnosti na 140 % a 500 W elektrického výkonu s 2013 W tepelného výkonu. Bohužel byl projekt v roce XNUMX zastaven z důvodu překročení nákladů. Ale teoreticky může použití účinnějších konvertorů tepla na elektřinu vážně zvýšit účinnost RTG.
Výhody a nevýhody
- Velmi jednoduchý design.
- Může fungovat roky a desetiletí a postupně degradovat.
- Lze použít současně pro vytápění a napájení.
- Nevyžaduje řízení ani dohled.
- Jako palivo vyžaduje vzácné a drahé izotopy.
- Výroba paliva je obtížná, drahá a pomalá.
- Nízká účinnost.
- Výkon je omezen na stovky wattů. RTG s kilowattovým elektrickým výkonem je již špatně odůvodněné, megawattový RTG prakticky nemá smysl: bude příliš drahý a těžký.
Kombinace těchto výhod a nevýhod znamená, že RTG a topné jednotky zaujímají své místo ve vesmírné energii a budou v tom pokračovat. Umožňují jednoduše a efektivně vytápět a napájet meziplanetární kosmické lodě elektřinou, ale žádný energetický průlom od nich očekávat nelze.
