Elektřina z tepla – Vytvořeno nové zařízení TFV – Foto

Mobilní zdroje energie byly vždy žádané v armádě nebo jiných strukturách fungujících autonomně v odlehlých oblastech s obtížnými klimatickými podmínkami. „Armádní standard“ shromáždil informace o jednom ze způsobů získávání elektřiny v „polních“ podmínkách. Tedy termoelektřina – od slavné „partizánské konvice“ Velké vlastenecké války až po jaderné „reaktory“, na které můžete náhodně narazit při toulkách podél pobřeží severních moří Ruska.

„Partizánská konvice“

Věda dnes udělala velké pokroky ve vývoji mobilních zdrojů energie, a to nejen ve specifických oblastech obrany, letectví nebo vesmíru. I běžní občané mají přístup k „minielektrárnám“.

Například přenosné kapesní baterie se silným proudovým výstupem stovek ampér. Nebo lithiové galvanické články, na jedno použití, ale před použitím je lze skladovat po dobu jednoho a půl dekády nebo déle. Konečně účinné flexibilní solární panely, které lze svinout do role.

Široce dostupné mobilní bateriové nářadí dnes dokáže řezat, vrtat a dokonce i obloukově svařovat (!) kovové konstrukce a díly v jakékoli vzdálenosti od elektrické zásuvky.

V první polovině 20. století, které zahrnovalo i Velkou vlasteneckou válku, se však nic takového nestalo a přenosná elektrická a elektronická zařízení žila podle zcela jiných zákonů, s mnoha vážnými omezeními v mobilitě.

Někdy na takových omezeních závisel život. Především se to týkalo bojovníků sovětského partyzánského hnutí a různých mobilních sabotážních a protisabotážních jednotek. Hlavní a jediné vlákno přenosu informací – krátkovlnná radiostanice – vyžadovala zdroj energie nezávislý na elektrické síti.

Komunikační zařízení byla v té době výlučně založena na elektronkách, na moderní standardy nepříliš hospodárná, vyžadující pro napájení drahé a nízkokapacitní specifické baterie s vysokým napětím (několik desítek voltů).

Podobné manganzinkové baterie typu BAS (suchá anodová baterie) vyráběl sovětský průmysl a do SSSR je ve velkém dodávali i Američané v rámci Lend-Lease. Tyto baterie byly životně důležité, napájely vysílačky, rádiové přijímače, polní telefony a další vojenské vybavení. Ale na začátku války neměly ženijní sklady Dělnicko-rolnické Rudé armády požadovaný počet baterií, což vážně narušovalo komunikaci mezi vojáky.

Zvlášť těžce trpěli partyzáni problémy se zásobováním radiokomunikačního zařízení. Skrytá základna byla vlastnost, výhoda a zároveň neštěstí pro takové jednotky, které potřebovaly neustálé stabilní rádiové spojení s ústředním velitelstvím vrchního velitelství, odkud „lesní bojovníci“ dostávali zpravodajské úkoly od svých koordinátorů.

Partyzánské hnutí mělo nebývalý rozsah: v okupované části země bylo celkem 6200 jednotek sdružujících více než milion lidí! Ale jejich zásobování bylo stále prováděno, ať se na to díváte jakkoli, na zbytkové bázi – nejprve šly všechny zdroje na frontu.

Pomoc však přišla z vědy! V nejtěžších válečných letech se vědcům kupodivu podařilo vyřešit nejen praktické problémy ve výrobě, například zjednodušit konstrukci zbraní pro zvýšení objemu výroby, ale také vymyslet něco nového!

Partyzánům pomáhal náš největší vědec, „otec veškeré sovětské fyziky“, jak se mu bez sebemenší ironie říkalo, žák Roentgena a Kapice, akademik Abram Fedorovič Ioffe.

S vypuknutím války byl Ioffe jmenován předsedou Státní komise pro vojenskou technologii, zatímco nadále vedl Leningradský fyzikální a technologický institut, který byl evakuován do Kazaně. Jedna z mnoha jeho výzkumných oblastí, totiž termoelektřina, se rychle ujala skupina speciálních ústavů s cílem vytvořit přenosný elektrický generátor pro partyzánské jednotky.

Nejjednodušší, ale velmi efektivní design se nazýval TG-1 a stal se lidově známým jako „partizánská konvice“. Jednalo se o kovovou nádobu s několika desítkami tzv. termočlánků zapojených do série namontovaných na dně.

Klasický termočlánek je kapka tavených drátů vyrobených z různých kovů, která při zahřívání na jedné straně a ochlazování na druhé generuje termoelektrickou sílu (termo-EMF) – zjednodušeně řečeno elektrický proud.

Na jedné straně konvice byla vrstva termočlánků zahřívána plamenem ohně a na druhé straně ochlazována vařící vodou, jejíž teplota nikdy nepřesáhla 100 stupňů. Teplotní rozdíl přibližně 200–250 stupňů poskytl výstupní výkon elektrického generátoru asi 3 watty.

„Hlavní akademik Ioffe“

Je zajímavé, že mnoho lidí se stále mýlí o Ioffeově vynálezu. Někteří se domnívají, že byl prvním, kdo objevil termoelektrický jev. Jiní (kteří vědí, že tento jev objevil německý fyzik Thomas Johann Seebeck v roce 1821) si myslí, že Ioffe pouze dovedl Seebeckovu teoretickou myšlenku do reálného, ​​prakticky použitelného zařízení. Ve skutečnosti je to první i druhé špatně!

Termočlánek jako zdroj proudu skutečně vynalezl Seebeck na začátku 19. století. Ale jejich praktické využití začalo dávno před Ioffem a před Velkou vlasteneckou válkou. V průběhu desetiletí byly na termoelektrické generátory po celém světě získány tisíce patentů a do prodeje se dostaly stovky (!) různých modifikací sériových generátorů postavených na termočláncích – od kompaktních až po obrovské, pro nejrůznější potřeby.

Například v roce 1879 představil francouzský elektroinženýr Clouet jednotku založenou na 6000 termočláncích zapojených do série, v nichž se ohřívání provádělo v peci, která spotřebovala asi deset kilogramů uhlí za hodinu, a chlazení se provádělo vodním pláštěm. Tento termoelektrický generátor produkoval proud 218 voltů a napájel osmdesát elektrických obloukových uhlíkových lamp navržených Jabločkovem!

Na co tedy Ioffe přišel? Jeho zásluha spočívá v tom, že navrhl použít v termočláncích ne spoj odlišných kovů, ale spoj polovodičů! To umožnilo zvýšit účinnost generátoru a snížit rozdíl mezi jeho vyhřívanou a chlazenou částí.

Přestože skutečná účinnost takových zařízení nepřesáhla ani jedno (!) procento, v podmínkách partyzánského oddělení ukrytého v lese byla snadnost použití „hrnce“, jeho kompaktnost a nízká cena lepší než dynama jakékoli konstrukce, včetně „vojáckého motoru“, který byl v té době rozšířen u vojáků – generátor dynama založený na jízdním kole bez kol.

Po válce A.F. Ioffe pokračoval v základním výzkumu a položil základy polovodičové termoelektrické energetiky. V roce 1961 byl velký sovětský fyzik oceněn Leninovou cenou za teoretický a experimentální výzkum vlastností polovodičů a vývoj teorie termoelektrických generátorů. Bohužel se tak stalo rok po jeho smrti.

Různé praktické verze „generátoru Ioffe“ byly v národním hospodářství po mnoho let po válce poměrně rozšířené. Za prvé tam, kde nebyl stacionární přívod elektřiny.

Sériově se vyráběly například přístroje označované jako TGK-3 a TEGK-2-2, určené jako nástavec na sklo standardní petrolejové lampy. Mimochodem, petrolejka neztratila schopnost svítit!

Existovaly i modely TGK-9, TGK-10 a TGU-1 konstruované jako petrolejové hořáky (knotové petrolejové hořáky na vaření) – výkonnější, ale bez doprovodného světelného efektu.

Na rozdíl od „partizánské konvice“ byl teplotní rozdíl v termočláncích takových generátorů zajištěn žebrovanými hliníkovými radiátory. Studená část termočlánků byla chlazena vzduchem, nikoli vodou, jako u kotlů. Takové generátory se na vesnicích aktivně využívaly k napájení rádiových přijímačů a nízkopříkonových krátkovlnných radiostanic JZD „Urozhai“, které zajišťovaly komunikaci mezi správou JZD a polním táborem nebo pojízdnou strojní a traktorovou stanicí a byly dokonce dodávány na export!

Trysky pro petrolejové vařiče a petrolejové plynové vařiče se přestaly vyrábět v 70. letech, ale „partizánské hrnce“ se vyráběly (i když je to těžké uvěřit) až do začátku 2000!

Samozřejmě už nevypadaly jako jejich váleční předchůdci, ale celkově se design po technické stránce nijak zásadně nelišil. Nádoba s vodou uvnitř a oheň nebo dokonce plynový sporák venku. Vyráběl je jako obvykle podnik obranného průmyslu Pravdinskij experimentální závod proudových zdrojů v Puškinském okrese Moskevské oblasti. V té době to byl ten úplně první „klobouk z rychlovarné konvice“.

Moderní verze, nazvaná GTU-12-12, byla válcová hliníková pánev se šroubovacími svorkami pro připojení vodičů. Vyráběl 12 voltů s proudem 1 ampér, což stačilo k nabití baterií většiny přenosných přístrojů a osvětlení loveckého zámečku.

Výroba těchto zařízení je bohužel již dávno ukončena, ale i dnes jsou „hrnce“, které se občas objevují na prodej na bezplatných nástěnkách, rychle skupovány turisty, cestovateli, rybáři, lovci a „přeživšími“!

„Jaderná“ konvice

Samostatnou a velmi zajímavou aplikací termočlánků pro výrobu elektřiny je „jaderný kotel“ – RTG. Tato zkratka znamená „radioizotopový termoelektrický generátor“. Je to jako stejný nástavec pro petrolejovou lampu, ale místo spalování petroleje je to. rozkládající se radioaktivní plutonium!

RTG je velká jednotka s hmotností od několika desítek kilogramů do půl tuny nebo těžší. Princip fungování je jednoduchý a dokonce poněkud primitivní. Uvnitř generátoru probíhá nepřetržitý proces rozpadu kazety s radioaktivním palivem (obvykle vyrobené na bázi plutonia-238, stroncia-90, polonia-210 atd.).

Nejedná se o řízenou řetězovou reakci jako v jaderném reaktoru, ale o klidný přirozený rozpad, zcela autonomní proces. To vytváří teplo, které zase ohřívá panel mnoha termočlánků zapojených do série a paralelně. No, termočlánky produkují proud.

Účinnost takového systému, jako je „kotel“, je extrémně nízká. A množství elektrické energie, které generuje, je směšné, zvláště s ohledem na jeho velikost a hmotnost: řekněme, že 24 voltů s výkonem 30–40 wattů dokáže vyrobit. jeden a půl tunový přístroj!

Výhody však převažují nad nevýhodami v situacích, pro které byly RTG vytvořeny. Takové generátory jsou schopny provozu po desetiletí bez jakéhokoli doplňování paliva, údržby nebo dozoru v širokém rozsahu okolních teplot. Nebojí se arktických mrazů a pouštního tepla, solné mlhy, jakýchkoli srážek a dalších přírodních faktorů.

RTG se používají k napájení majáků v odlehlých neobydlených oblastech, plavebních bójí, autonomní navigace a meteorologických stanic v místech, kam po léta nevkročila lidská noha. Stovky takových „jaderných kotlů“ byly přepravovány v 60. až 80. letech, aby zásobovaly elektřinou majáky a další zařízení podél opuštěných pobřeží našich severních moří – Bílého, Barentsova, Karského, Laptěvského, Východosibiřského a Čukčského.

V chaotických 90. letech nedostatečná kontrola a účtování takových nebezpečných zařízení přivedla situaci více než jednou do kritického bodu. Je zázrak, že nikdo nevyužil opuštěné RTG k vytvoření takzvané „špinavé bomby“. Příklad nezodpovědného přístupu k nim mimochodem dokonale ukazuje známý film z roku 2010 „How I Ended This Summer“.

Dnes se to s RTG dalo do pořádku. Na zemi jsou postupně vyřazovány, stále častěji nahrazovány levnějšími a bezpečnějšími solárními panely. Ale ještě dlouho budou muset létat ve vesmíru! Tam problémy se zničením prostoru jadernými materiály nebo jeho krádeží zločinci nebo jen tuláky nejsou relevantní a hmotnost RTG je malá.

Samotný modul generátoru izotopů váží jen pár kilogramů. Pro pozemské použití musí být zabalen do komplexní a masivní radiační ochrany. Ale na navigačních satelitech, létajících radioteleskopech a dalších bezpilotních kosmických lodích bez lidské přítomnosti není problém radiace relevantní.

Alternativa plynu

Na rozdíl od „jaderných kotlů“ jsou dnes termoelektrické generátory pracující na teplo spalujícího plynu relevantní a rozvíjející se oblastí místní energetiky. Zařízení o velikosti přibližně 200litrového sudu jsou schopna úspěšně plnit roli RTG jako autonomních zdrojů energie v neobydlených oblastech bez použití radioaktivních materiálů.

Například stanice katodové ochrany, automatizační jednotky, ventily atd. jsou nutně umístěny v určitých intervalech podél většiny plynovodů. Pro napájení tohoto zařízení musí být podél potrubí vedeno elektrické vedení. Elektrické vedení bolí hlava pro plynaře, protože dlouhé úseky drátu vedou neobydlenými oblastmi, kde je po přírodních katastrofách těžké vedení udržovat a opravovat.

Pokud se však na potřebných místech v blízkosti potrubí umístí kabiny s termoelektrickými generátory uvnitř a ze stejného potrubí jsou malými odbočkami napájeny plynem, bude elektřina vyráběna přímo na místě. Nebudete muset z velké dálky tahat dráty, které jsou náchylné na hurikány, mrznoucí deště a padající stromy.

Podle vědců se jim podařilo zdvojnásobit měrný výkon dostupný u tradičních konstrukcí, které přeměňují teplo na elektřinu.

Tým inženýrů a materiálových vědců z katedry strojního inženýrství Paula M. Readyho na Kalifornské univerzitě v Boulderu vyvinul novou technologii pro přeměnu odpadního tepla z vyzařování na elektřinu, informuje Tech Xplore.

Vědci tvrdí, že jejich výzkum by mohl způsobit revoluci ve výrobním průmyslu zvýšením výroby elektřiny bez nutnosti vysokoteplotních zdrojů tepla nebo drahých materiálů.

„Teplo je obnovitelný zdroj energie, který je často přehlížen. Dvě třetiny veškeré energie, kterou spotřebujeme, se přeměňují na teplo,“ řekl vedoucí výzkumného týmu docent Longji Cui.

Jak je uvedeno v publikaci, vysokoteplotní průmyslové procesy a technologie pro získávání obnovitelné energie často používají metodu přeměny tepelné energie zvanou termofotovoltaika (TPV). Tato metoda využívá tepelnou energii z vysokoteplotních zdrojů tepla k výrobě elektřiny.

Stávající zařízení TFV však mají značnou nevýhodu: Planckův zákon tepelného záření omezuje dostupnou tepelnou energii, kterou lze získat ze zdroje s vysokou teplotou při jakékoli dané teplotě.

Aby vědci tento problém vyřešili, upravili stávající konstrukce TFV a zvolili jiný přístup. Vyvinuli unikátní a kompaktní TFV zařízení, které se vejde do lidské ruky, čímž překonali limit vakua definovaný Planckovým zákonem a zdvojnásobili hustotu výkonu dostupnou u tradičních konstrukcí TFV.

Na rozdíl od jiných konstrukcí TFV, které používají vakuum nebo plynem naplněnou mezeru mezi zdrojem tepla a solárním článkem, nová konstrukce používá izolovanou, vysoce indexovou a průhlednou distanční vložku vyrobenou z čistého skla. To umožňuje tepelným vlnám procházet zařízením bez ztráty pevnosti, což zlepšuje výrobu energie. Jednou z výhod tohoto materiálu je jeho levnost.

Vědci tvrdí, že jejich technologie může fungovat při nižších teplotách, kompatibilních s většinou průmyslových procesů, a přitom stále produkovat stejné množství elektřiny jako dříve. Nové zařízení pracuje při 1000 1400 °C a produkuje energii ekvivalentní XNUMX XNUMX °C ve stávajících zařízeních TFV.

„Když jsme tuto technologii studovali, teoreticky jsme předpovídali vysokou úroveň zlepšení. Nebyli jsme si ale jisti, jak to bude vypadat v reálném experimentu. Po provedení experimentu a zpracování dat jsme sami viděli zlepšení a uvědomili si, že se jedná o něco obrovského,“ řekl postgraduální student Mohammad Habibi.

Technologie vyvinutá vědci údajně dokáže získávat teplo z geotermálních, jaderných a solárních elektráren, ukládat čistou energii a snižovat emise uhlíku. Po optimalizaci by mohla být využita v průmyslových procesech, jako je výroba skla, oceli a cementu.

„Naše zařízení využívá stávající komerční technologie a lze jej přirozeně škálovat pro použití v těchto odvětvích,“ řekl Longji Cui.

Připomeňme si, že společnost JetWind Power instalovala na letišti Dallas Love Field v USA první kontejnery svého druhu, které přeměňují vítr generovaný letadly na čistou elektřinu.

Mezitím vědci z Univerzity v Cambridgi vyvinuli zařízení, které extrahuje oxid uhličitý (CO₂) ze vzduchu a přeměňuje ho na udržitelné palivo s využitím slunečního záření jako zdroje energie.

• Sdílet:
• poslat do telegramu
• sdílet na Facebooku
• tweet
• poslat do Viberu
• odeslat na Whatsapp
• odeslat do Messengeru

• Tagy:
• elektrická energie
• vědců
• elektřina
• energie
• teplo
• alternativní zdroje energie

• Přečtěte si nás v:
• Přečtěte si o telegramu
• Sledujte na Facebooku
• Sledujte na Twitteru
• Přečtěte si novinky Google
• Přečtěte si ve Viberu