Преобразование тепловой энергии в электрическую своими руками. Преобразование электрической энергии в тепловую

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии

Мы говорили про «океан энергии», окружающей нас. Этот океан энергии – эфир, явление поляризации которого нам известно, как электрическое поле. Вихревые явления в эфире мы воспринимаем, как магнитные поля. Мы показали в предыдущей главе методы использования электрических и магнитных явлений для создания источников энергии.

В Природе есть прекрасные образцы подобия, например, орбиты планет и орбиты электронов. Конечно, все намного сложнее, но для понимания сути вещей надо находить малое в большом, и видеть обратные соответствия. Эфирные явления, в том числе продольные волны в эфирной среде, легко анализируются по методу подобия с процессами в воздушной среде. Такие методы получения энергии, как использование тепловых движений молекул воздуха, позволяют понять и методы использования тепловой энергии эфира, поскольку температура эфира задает температуру воздуха. Рассмотрим тему подробнее.

Тепловая энергия воздуха есть один из вариантов рассеянного (низкопотенциального) тепла окружающей среды. Кроме воздуха, этот вид энергии содержится в воде, а также в земле (геотермальные источники). Преобразование этого вида энергии в полезную работу наиболее адекватно воспринимается при обсуждении различных конструкций источников энергии, не требующих топлива, так как нам понятен первичный источник. Существуют как механические, так и электронные устройства, способные работать в автономном режиме за счет преобразования тепла среды. Ранее, данную возможность теоретики отрицали, требуя наличия двух источников температуры для совершения полезной работы. Мы такие традиционные способы тоже рассматриваем. Это обычные тепловые насосы. Кроме этого, покажем несколько способов непосредственного отбора тепловой энергии у среды, а именно, использование и преобразование кинетической энергии движения молекул воздуха. Способы различные, как механические, так и современные технологии с использованием электромагнитных явлений и специальных материалов.

Конверсией тепловой энергии окружающей среды, в России, активно занимались П.К. Ощепков, А.Ф. Охатрин, Е.Г.Опарин и другие исследователи. Павел Кондратьевич Ощепков известен, как основатель российской радиолокации. В 1967 году Ощепков создал Общественный институт по проблеме энергетической инверсии, в Москве, при Комитете по рациональному использованию материальных ресурсов.

Ощепков писал: «Едва ли не самой дерзновенной мечтой человечества является овладение процессами естественного круговорота энергии в природе. Энергия также неуничтожима, как и несотворима, поэтому совершенно естественно, что процессы рассеяния энергии и процессы ее сосредоточения существуют в единстве. Есть люди, которые утверждают, что эта идея противоречит закону термодинамики. Это неверно. Второй закон термодинамики, оправдавший себя в тысячах и тысячах случаев, указывающий путь при решении многих научных и технических задач, – безусловно правильный закон для любой замкнутой системы. Оспаривать справедливость его для этих систем просто бессмысленно. Но в реальном мире абсолютно замкнутых систем нет. Мир бесконечен во времени и пространстве, и взаимодействие между материальными субстанциями происходит по более сложным законам, чем второе начало термодинамики. Открыть эти законы суждено науке грядущего. Использование процесса естественного круговорота энергии в природе на благо человечества не несет с собой угрозы перегрева поверхности Земли, так как оно не может изменить теплового баланса нашей планеты. Оно свободно и от радиоактивной опасности, от загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Оно несет с собой несравнимое ни с чем изобилие энергии, составляющей главную основу жизни… Необходимость решения проблемы использования процессов естественного круговорота энергии в природе – это веление нашего времени».

Ощепков ввел термин «кэссор», обозначающий концентратор энергии окружающей среды. В литературе по данной теме, встречается сочетание «С-кэссор», обозначающее конденсаторный (емкостной) преобразователь тепловой энергии среды в электроэнергию.

Задачи, которые ставил Ощепков, выходят за рамки обычных тепловых насосов. «Энергетика будущего, на мой взгляд, это энергетика электронная. Она должна решить самую важную задачу – не просто брать тепло из окружающего пространства, но преобразовывать его в электроэнергию. В этом я вижу величайшую научнотехническую проблему современности. Научная и инженерно-конструкторская мысль ищут пути для ее решения». Сотрудники института Ощепкова, создали теорию, и выполнили расчеты по конструированию электронных установок для получения электрического тока в результате преобразования энергии окружающей среды. Созданы и работают несколько экспериментальных электронных установок, преобразующих энергию окружающей среды непосредственно в электрический ток. В специально созданных схемах из резисторов и особым образом обработанных полупроводниковых диодов (в них создан «грубый паллиатив» потенциального барьера) удалось создать устройство, в котором генерируется напряжение величиною более десяти вольт.

Ощепков писал: «На алтарь затратной экономики министерства и ведомства долгие годы приносили и продолжают приносить невосполнимые природные богатства – уголь, нефть, газ. Мало того, что их запасы на глазах истощаются, они и превосходное ценное сырье для химической промышленности. Их сжигают в топках электростанций, загрязняя атмосферу, что может вызвать, в конце концов, катастрофический «парниковый эффект», который с точки зрения опасности для человечества ученые ставят в один ряд с термоядерной катастрофой. Есть еще один парадокс традиционной технологии в энергетике – огромная энергия сначала производится в одном месте, а затем ее по дорогостоящим и не всегда надежным линиям электропередачи транспортируют нередко за тысячи километров к потребителю. Если это квартира, то… к лампочке. Не слишком ли сложно и расточительно? Все можно организовать иначе, проще, дешевле, надежнее, эффективнее. Пусть мощные энергосистемы обеспечивают электроэнергией крупные заводы и производства. Массового же потребителя, особенно в сельской местности Севера России и Сибири, можно снабдить мини-установками, преобразующими энергию среды в электричество мощностью один-два киловатта. Этого достаточно, чтобы обеспечить одну квартиру энергией для освещения, отопления и прочих нужд. Размер одной такой установки – не более настольной лампы. Если человечество хочет жить в гармонии с окружающей средой, оно должно сделать все, чтобы научиться получать энергию, не нарушая экологического равновесия в природе». Эти слова Профессора Ощепкова актуальны и сегодня, в 2012 году.

В журнале Техника Молодежи, № 11, 1983 год, была рассмотрена классификация основных методов инверсии тепловой энергии среды. Мы возьмем ее за основу, но дополним новыми методами.

Фотоинверсия. Известны свойства некоторых веществ (люминофоров) переизлучать падающий на них свет, но с иной, увеличенной длиной волны (так называемая «стоксова люминесценция»). Позднее были обнаружены случаи уменьшения длины волны переизлученного света, то есть увеличения энергии квантов (это так называемая «антистоксова люминесценция»). Прибавка к энергии квантов происходит здесь за счет трансформации собственной тепловой энергии люминофора в энергию люминесцентного излучения. Из-за отбора тепловой энергии люминофор охлаждается, и понижение его температуры компенсируется притоком теплоты из окружающей среды. Следовательно, энергетическая прибавка в люминесцентном излучении происходит, в конечном счете, путем концентрации тепловой энергии окружающей среды, и эта прибавка может быть очень значительной. Теоретически она может достигать 160 %, то есть люминофор может выдавать энергии на 60 % больше, чем получает ее в виде облучения. В настоящее время ведутся интенсивные работы по практическому применению этого эффекта (охлаждение объектов, люминесцентные мазеры, люминесцентное фотоумножение и прочее.).

Химическая инверсия. Энергетически открытые каталитические системы обладают способностью накапливать энергию, и существовать в неравновесном термодинамическом состоянии. Этот процесс возможен, благодаря сочетанию экзотермической реакции, протекающей на катализаторе, с эндотермической реакцией (охлаждения) катализатора. Эти, способные к самоподдержанию (и самовосстановлению) реакции, реализующиеся на поглощении рассеянной теплоты среды, открывают перспективы создания новых технологических процессов.

Существуют гальванические элементы, работающие на эндотермических реакциях. Энергия для протекания этих реакций отбирается от кристаллической решетки конструкции, в силу чего корпус элемента охлаждается (покрывается изморозью) и к нему непрерывно стекает (концентрируется) тепловая энергия окружающей среды. Следовательно, электрическая энергия в таком химическим источнике энергии, частично, обусловлена поглощением энергии окружающей среды.

Механоинверсия. Существуют различные способы использования кинетической энергии молекул воздуха. Эти устройства могут быть пассивные или активные, то есть струйные и потоковые технологии.

Гравинверсия. Поскольку гравитационное поле делает среду неоднородной, то это должно вносить «искажения» в термодинамический процесс выравнивания состояний, характеризуемый показателем возрастания энтропии.

Это обстоятельство отмечали еще Максвелл и Циолковский, которые высказали идею о том, что в атмосфере, под воздействием гравитационного поля, должен возникать вертикальный градиент температур. Циолковский предсказал, что указанный градиент должен зависеть от молекулярного состава газа.

Современная теория таких генераторов энергии подробно разработана Профессором В. Ф. Яковлевым, который рассчитал зависимость градиента температур от молекулярного состава газа. На основе этого эффекта им, совместно с Е. Г. Опариным, предложена идея принципиально нового генератора энергии, состоящего из двух труб, наполненных разными газами. рис. 205.

Рис. 205. Гравитационная инверсия тепловой энергии в схеме Яковлева – Опарина

Из схемы очевидно, что температура газов в двух трубках, в верхней части будет существенно отличаться друг от друга, и это можно использовать для получения энергии, к примеру, с помощью термоэлементов.

Термоинверсия. Рассмотрим поршневой двигатель, работающий на впрыскивании в камеру с цилиндром негорючего сжиженного газа (азот, гелий). Давление образующегося газа будет двигать поршень, при этом цилиндр будет охлаждаться, так как газ расширяется, а к нему устремится поток тепловой энергии из окружающей среды. Работа такого двигателя, в сумме, будет складываться не только из работы расширяющихся газов, но также и будет некоторая прибавка за счет использования тепловой энергии окружающей среды.

Электроинверсия. В данной области исследований, большие надежды П.К.Ощепкова были связаны с полупроводниковыми преобразователями тепла в электроэнергию. Существуют и другие методы. Николай Емельянович Заев запатентовал способ концентрации энергии окружающей среды путем использования свойств нелинейного конденсатора и нелинейного ферромагнетика. Мы рассмотрим их позже подробнее.

Покажем некоторые технологии и идеи по данной теме. Важное изобретение в области механической инверсии тепловой энергии, сделал автор из Санкт-Петербурга, Михаил Порфирьевич Бешок ([email protected]). Его статья «Энергия воздуха» опубликована в журнале «Новая Энергетика» № 1, 2003 год. В декабре 2010 мы общались по телефону, и он согласился открыто представить свою идею читателям данной книги. Суть его изобретения заключается в следующем: на поверхности пластины создается рельеф с размерами, порядка 1-10 длин свободного пробега молекулы воздуха (это размеры порядка элементов современных микросхем, около 500-50 нанометров). Другая сторона пластины имеет ровную поверхность, рис. 206. Цитирую Михаила Порфирьевича:

Рис. 206. Метод создания градиента давления воздуха

«Как известно из молекулярно-кинетической теории газов, молекулы воздуха хаотически (вне зависимости от скорости потока воздуха) движутся со скоростью 500 метров в секунду, при обычных условиях атмосферного давления и комнатной температуры. Масса одного кубического метра воздуха составляет более 1 кг. Нетрудно подсчитать, что в атмосфере содержится огромное количество энергии, ее можно было бы направить «на работу в турбину», но движение молекул воздуха хаотично, и принято считать, что энергия в такой среде может только поглощаться и рассеиваться, и процесс этот, якобы, необратимый. Действительно, в привычных мерках пространства и времени, молекулы движутся совершенно беспорядочно, количество их огромно, и процесс, сопровождающийся увеличением энтропии, в этом случае наиболее вероятен. Между тем, движение молекулы на участке «свободного пробега», в промежутке времени между столкновениями предстает как упорядоченное, линейное и предсказуемое. Среднее расстояние, которое преодолевает молекула за это время, составляет десятки нанометров.»

Отметим, что появившиеся в последние годы нанотехнологии позволяют конструировать требуемые элементы преобразователя энергии, имеющие микрорельеф, используя, например, нанотрубки. Микрорельеф порядка 100 нм – это несложная техническая задача и для изготовителя микросхем.

Далее, Михаил Порфирьевич рассматривает два случая, первый: пластину, обе стороны которой представляют собой абсолютно ровные поверхности и имеют площади S1 и S2 (рис. 206 слева наверху). В таком случае, на обе стороны пластины действуют силы, нормально направленные к пластине и численно равные суммарным импульсам. Эти импульсы передаются каждой из сторон ударяющимися молекулами воздуха. Так как суммарные импульсы пропорциональны площадям сторон, a они равны, то и силы равны. При такой ситуации нет разницы сил давления на пластину с двух сторон.

Другой вариант: предположим, что одна сторона пластины покрыта каким-либо рельефом, например, выполнена рельефной, рис. 206, внизу. При достаточно малых размерах рельефа поверхности, когда расстояние d меньше чем средняя длина свободного пробега молекулы, появляется фактор, нарушающий установленный выше баланс сил. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1 кг на 1 квадратный сантиметр, и разница давлений в один процент уже довольно значительна. Предварительные, весьма приблизительные расчеты показывают, что разница давлений может составлять десятки процентов, то есть силу на уровне 100–400 грамм на 1 квадратный сантиметр. Разместив такие пластины на роторе, мы можем получить постоянное вращение ротора электрогенератора под нагрузкой.

Должен отметить, что в моем понимании, суть данной концепции не в том, чтобы создать разную площадь S1 и S2. Тема относится к конструированию такого нанорельефа поверхностей, который позволит создавать разное давление окружающей среды на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф. Этого результата можно добиться разными способами. Например, если хаотическое движение молекул окружающей среды, благодаря нанорельефу, становится упорядоченным, то изменяется относительная скорость молекул среды и пластины, с той ее стороны, где сделан микрорельеф. В таком случае, обеспечивается подъемная сила, но в отличие от известного эффекта Жуковского – Чаплыгина, сила действует на неподвижное «нанокрыло», находящееся в неподвижной среде, молекулы которой движутся.

Итак, задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.

Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, мы уже ранее рассматривали в главе про молекулярный двигатель. Данный метод может быть разделен на два способа: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.

Предлагаемый материал назван САМ – силовой активный материал, или САНМ – силовой активный наноматериал, поскольку его функции состоят в создании активной силы, действующей на пластину за счет разного давления окружающей среды на разные стороны пластины. Сила называется «активной» поскольку она не требует реактивного отброса массы. Мы решаем задачу создания движущей силы противоположным методом. В реактивных движителях рабочая масса получает импульс, и отбрасывается от движителя, сообщая ему соответствующий импульс. В активном движителе все наоборот: движитель получает импульс, равный импульсу, отбираемому от молекул окружающей среды. Закон сохранения импульса, при взаимодействии движителя и рабочей массы, разумеется, строго выполняется. Окружающая среда, при этом, охлаждается.

Эффект «нанокрыла» создает не только активную силу, но и соответствующие изменения в окружающей среде, в частности, ее охлаждение. Это обусловлено тем, что создаваемый макроимпульс пластины должен быть эквивалентен потере величины микроимпульсов частиц среды. В связи с этим, САМ – технология открывает качественно новые перспективы в автономной энергетике. Применение нанотрубок для развития данной концепции представляется наиболее перспективным, хотя и другие способы получения микрорельефа, включая бионанотехнологии, могут найти практическое применение.

Данный проект находится в стадии формирования новой компании, приглашаются инвесторы и специалисты в области нанотехнологий. Обращайтесь к автору книги.

В работе Михаила Порфирьевича, есть важное замечание о необходимости упругого столкновения с поверхностью пластины. Это обязательное условия передачи импульса. При рассмотрении его конструкции, мной было предложена аналогичная версия, но более простая, без микрорельефа. Предлагаемый метод показан на рис. 207. Пластина, одна сторона которой выполнена из материала, обладающего упругими свойствами при взаимодействии с молекулами воздуха, а другая сторона пластины покрыта материалом, который поглощает импульс удара молекул воздуха, деформируется, и частично, преобразует импульс в тепловую энергию. Благодаря разнице в модуле суммарного импульса слева и справа, пластина получит импульс движущей силы в сторону ее неупругой поверхности. В данной конструкции, неупругая поверхность пластины всегда будет теплее упругой поверхности. Тепло необходимо отводить во внешнюю среду, при большой мощности конструкции.

Рис. 207. Метод создания градиента давления воздуха

Механические приводы, сконструированные по данной технологии, могут использоваться не только в энергетике для создания крутящего момента, но также на транспорте, для создания подъемной и движущей силы любой величины, без затрат топлива.

Расчет силы, при 10 % асимметрии атмосферного давления на силовой активный материал (САМ) с разных сторон, дает величины силы около 1 тонны на 1 квадратный метр.

Пакет таких 100 пластин, каждая толщиной 5 мм, с зазором 5 мм, займет объем в один кубометр, и сможет поднять в воздух 100 тонн.

В связи с этим, можно вспомнить идеи Максвелла о возможности создания некоего механизма, разделяющего молекулы газа на медленные «холодные» и быстрые «горячие». Такой механизм и есть специальный рельеф, позволяющий без затрат получать градиент температуры.

Отметим, что данный принцип был мной показан, в том числе экспериментально, на конференции «Новые идеи в естествознании», 1996 год, Санкт-Петербург, доклад «Концепция гравитации», и позднее, в 1998 году, на конференции «Пространство, время и гравитация», Петергоф, Университет, Сборник Докладов, часть 1, 1999 год. В сокращенном виде, статья по данной теме была опубликована в американском журнале ELECTRIC SPACECRAFT, № 27, 1997 год.

Простейший эксперимент в пользу предлагаемой концепции, известен еще с 1935 года, и впервые был описан в журнале Popular Science, № 126, 1935 год, объяснение которого было сделано в моем докладе в 1996 году. На рис. 208 показаны результаты взаимодействия двух грузов, которые «разбегаются» от центральной точки, теоретически, имея одинаковый импульс.

Рис. 208. Эксперимент по демонстрации асимметричного взаимодействия

В моем эксперименте, в начальной позиции пружина сжата, а грузики удерживаются вместе ниткой. После разрушения нитки (пережигания), они движутся в разные стороны, примерно с одинаковым импульсом. Особенности взаимодействия грузиков с опорой состоят в том, что справа, на рис. 208, грузик взаимодействует упруго, а слева, жестко, с деформацией. Таким образом, в правой части создаются лучшие условия для передачи импульса грузика опоре, чем в левой части устройства, где энергия импульса частично преобразуется в тепло. В результате ненулевого суммарного импульса, все устройство смещается в сторону упругого взаимодействия. Эксперимент легко повторим, с одинаковым результатом. Проводить его лучше на плавающей платформе, или полированном столе.

Напомню, что важность упругого взаимодействия для обеспечения передачи импульса рабочего тела корпусу ротора, мы уже отмечали неоднократно, в том числе, при рассмотрении схемы на рис. 2. Подробнее, технология САМ рассмотрена в моей книге «Новые космические технологии» 2012 год. В ней даны расчеты для конструирования авиационного транспорта грузоподъемностью 1 миллион тонн, причем, не требующего топлива.

Мы отвлеклись на рассмотрение данного эксперимента для того, чтобы лучше понять условия работы устройства, предложенного ранее и показанного на рис. 207. Коммерциализация данного изобретения сводится к поиску оптимальных материалов упругого и неупругого покрытия пластин. Это не так просто, учитывая массу и кинетическую энергию молекулы воздуха, то есть величину импульса. Однако, несомненным преимуществом данного метода является низкая себестоимость и широкое применение, в том числе, для аэрокосмического транспорта. Детали можно обсудить при рассмотрении технического проекта по данной теме, при моем участии в роли разработчика. Предлагается лицензия.

Один из методов механической конверсии тепловой энергии среды, предложил Б.М. Кондрашов ([email protected]), в статье «Струйные энергетические технологии», журнал «Новая Энергетика». Автор пишет о «параллельном присоединения» дополнительных масс воздуха к стационарной реактивной струе газотурбинного двигателя, что происходит без дополнительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора». Эти разработки относятся к технологиям «управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы», как пишут авторы данного изобретения.

Методы вовлечения атмосферного воздуха известны: пульсации активной струи создают периодическое разряжение среды (низкое давление) на входном патрубке эжекторной насадки. К данной области также относится открытие О.И. Кудрина: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». В своей статье, Кондрашов пишет: «Таким образом, за счет энергии атмосферы, преобразованной в процессе последовательного присоединения предыдущих периодов, осуществляется привод воздушного теплового насоса, при работе которого создаются условия для преобразования, в следующих периодах, низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчетной температуры.

В этом способе, отработавшая газовая масса холодная, и не содержит продуктов сгорания. Источники энергии – низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха и гравитация, создающая статическое атмосферное давление (также как в природном стохастическом процессе). Условия для преобразования энергии атмосферы создаются при расширении сжатого воздуха, сжимаемого за счет части мощности, полученной в предыдущих периодах. Поэтому устройства, осуществляющие этот способ с использованием открытых термодинамических циклов, называются «атмосферные бестопливные струйные двигатели». Работы Б.М.Кондрашова подробно можно изучить по его патентам, № 2188960 RU F 02 C 3/32, 5/12 «Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе», и международная заявка на патент PCT/RU2002/000338 F 2 C 3/32 «Способ преобразования энергии в струйных двигателях» PCT WO2004/008180A1.

Теоретические основы данных процессов, также развивают авторы работ по «ламинаризации» турбулентных потоков воздуха, газов и другой среды. Другими словами, кинетическая энергия среды в турбулентном потоке, не может быть нами использована полностью, пока мы не обеспечим хотя бы частичное выравнивание векторов движения частиц потока, то есть «ламинаризацию потока».

Из книги Артиллерия автора Внуков Владимир Павлович

Глава вторая Незаменимый источник энергии

Из книги Чернобыль. Как это было автора Дятлов Анатолий Степанович

Глава 14. Использование атомной энергии И всё-таки не обойтись без высказывания мнения о приемлемости или неприемлемости использования атомных электростанций. Как-то на заданный вопрос о моем отношении к будущему АЭС в связи с Чернобыльской катастрофой и моей личной

Из книги Новые космические технологии автора

Глава 12 Антигравитация в генераторах свободной энергии Интересно отметить, что ряд ученых, изучающих методы извлечении энергии за счет преобразования свойств пространства – времени отмечают одинаковые особенности работы созданных ими экспериментальных конструкций,

Из книги Новые источники энергии автора Фролов Александр Владимирович

Глава 13 Твердотельные преобразователи энергии Рассмотрим несколько примеров генераторов энергии особой конструкции, в которых нет вращающихся частей конструкции, и при этом заявлена высокая эффективность. Обычно их называют «твердотельными» генераторами свободной

Из книги История электротехники автора Коллектив авторов

2. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 2.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, отпущенных в водяные системы теплоснабжения2.1.1. Узлы учета тепловой энергии воды на источниках теплоты: теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), районных тепловых

Из книги автора

3. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ У ПОТРЕБИТЕЛЯ В ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ 3.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, полученных водяными системами теплопотребления3.1.1. В открытых и закрытых системах теплопотребления на узле учета тепловой

Из книги автора

4. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ У ПОТРЕБИТЕЛЯ В ПАРОВЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ 4.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, полученных паровыми системами теплопотребления4.1.1. В паровых системах теплопотребления на узле учета тепловой энергии и

Из книги автора

5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ 5.1. Общие требования5.1.1. Узел учета тепловой энергии оборудуется средствами измерения (теплосчетчиками, водосчетчиками, тепловычислителями, счетчиками пара, приборами, регистрирующими параметры теплоносителя, и

Из книги автора

6. ДОПУСК В ЭКСПЛУАТАЦИЮ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 6.1. Допуск в эксплуатацию узла учета источника теплоты осуществляется представителем Госэнергонадзора в присутствии представителей источника теплоты и тепловых сетей, о чем составляется

Из книги автора

7. ДОПУСК В ЭКСПЛУАТАЦИЮ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ У ПОТРЕБИТЕЛЯ 7.1. Допуск в эксплуатацию узлов учета потребителя осуществляется представителем энергоснабжающей организации в присутствии представителя потребителя, о чем составляется соответствующий акт (прил. 4).

Из книги автора

8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 8.1. Узел учета тепловой энергии на источнике теплоты должен эксплуатироваться в соответствии с технической документацией, указанной в п. 6.1 настоящих Правил.8.2. За техническое состояние приборов узла учета

Из книги автора

9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ У ПОТРЕБИТЕЛЯ 9.1. Узел учета тепловой энергии у потребителя должен эксплуатироваться в соответствии с технической документацией, указанной в п. 7.1 настоящих Правил.9.2. Ответственность за эксплуатацию и текущее обслуживание

Из книги автора

11.2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ РТУТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Важным качественным усовершенствованием ртутного выпрямителя стало появление управляющей сетки. Первоначальная (диодная) функция ртутных вентилей с повышением рабочих напряжений потребовала введения экранов, защищающих анод

Из книги автора

11.3.4. МОЩНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА Индукционный нагрев металлов (слитков, изделий) обусловлен выделением энергии в металле при протекании в нем токов, наведенных магнитной компонентой электромагнитного поля. Для создания поля необходим источник

Основные методы и способы преобразования электрической энергии в тепловую классифицируют следующим образом. Различают прямой и косвенный электрический нагрев.

При прямом электронагреве преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.). При косвенном электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагревательному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Существует несколько видов преобразования электрической энергии в тепловую, которые определяют способы электрического нагрева.

Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла. По закону Джоуля - Ленца количество тепла Q=I 2 Rt, где Q - количество, тепла, Дж; I - силатока, А; R - сопротивление тела или среды, Ом; t - время протекания тока, с.

Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.

Контактный способ применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электрического нагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электрического нагрева - в нагревательных элементах.

Электродный способ применяется для нагрева неметаллических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др. Нагреваемый материал или среда помещается между электродами, к которым подводится переменное напряжение.

Электрический, ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его. Обычная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями электрических зарядов, то есть электрического тока. Аналогична природа электропроводности молока и других жидкостей, почвы, сочных кормов и т. п.

Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого материала и его порчу.

Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в производстве в связи с его простотой, надежностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.

Электродуговой нагрев

В электрической дуге, возникающей между двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.

Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику питания, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят. Сопротивление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током. Свободные электроны, постоянно движущиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение.

С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство. При движении они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Происходит ионизация воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным.

Под действием напряжения источника положительные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы - к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд - электрическую дугу, сопровождающуюся выделением тепла. Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода - около 2400 °С, у анода - около 2600 °С, в центре дуги - около 6000 - 7000 °С.

Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев. Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках. В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.

Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с, под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Прохождение этих токов в металле вызовет его нагрев. Такой способ нагрева металла называется индукционным. Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8-10 кГц, 70-500 кГц). Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте техники, а также для закалки металлических деталей. Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.

Диэлектрический нагрев

Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем. В твердых телах и жидких средах с плохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных в быстропеременное электрическое поле, электрическая энергия превращается в тепловую.

В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах. Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул. Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла. В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выделению дополнительного тепла в материале.

При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами - обкладками конденсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5 - 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора. Установка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.

Высокочастотный диэлектрический нагрев - перспективный способ нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработкидревесины, бумаги, продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.

Электронно-лучевой (электронный) нагрев

При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую. Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5х10 8 кВт/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве. Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.

Кроме рассмотренных способов электронагрева, в производстве и быту находит применение инфракрасный нагрев (облучение).

Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена - тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь - тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.

Организатор и первый директор Физико-технического института Абрам Федорович Иоффе. 1952 год.

Из литературы мы знали о работах А.Ф. Иоффе основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землёй благодаря „керосиновым“ ТЭГам - термоэлектрогенераторам Иоффе. „Венец“ из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. „Горячие“ концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, „холодные“ - остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они ещё находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники „Родина“ на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.

Беда керосинового ТЭГа - его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.

В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь - диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20–25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь - это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.

Ядерно-энергетическая установка "Бук" с

полупроводниковым реактором-преобразователем для

радиолокационных спутников

Ядерно-энергетическая термоэмиссионная установка "Топаз".

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Имя изобретателя: Прилежаева И.Н.; Бологов П.М.

Имя патентообладателя: Государственный научный центр - Физико-энергетический институт

Адрес для переписки:

Дата начала действия патента: 1996.09.18

Назначение: термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Сущность изобретения: в термоэмиссионном преобразователе, содержащем многослойные электроды, как минимум один слой выполнен из дырочного полупроводника, который расположен на поверхности эмиттера, обращенного к коллектору, или на поверхности коллектора, обращенного к эмиттеру. Технический результат: снижение работы выхода электронов на коллекторе, снижение эмиссии электронов с поверхности коллектора, возможность выбора дырочного полупроводника для разного уровня, стабильного в условиях работы преобразователя.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области энергетики, электроники.

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепла в электроэнергию имеют преимущества перед другими преобразователями в отсутствии движущихся частей и в высокой температуре теплосброса. Эти достоинства привели к использованию ядерных энергетических установок с преобразователем на основе ТЭП в космосе на спутниках Космос-1818 и Космос-1867 в конце 80-х гг. В наземных условиях допустимо использование низкой температуры охлаждения анода и требуется более высокий КПД. Основными путями повышения КПД ТЭП при заданном интервале температур является снижение потерь энергии эмитированных электронов на пути между эмиттером и коллектором и снижение работы выхода на коллекторе Сумма этих потерь превышает обычно 2В при рабочем напряжении ТЭП 0,5В. Пока разработчики ТЭП используют только 1/5 энергии эмитированного электрона. НИР по снижению потерь энергии эмитированного электрона ведутся непрерывно, но снизить работу выхода коллектора ниже 1,7 эВ для ТЭП энергоустановок не удалось. Базовым решением является применение в ТЭП цезия, который образует в межэлектродном зазоре ТЭП плазму, чем компенсирует запирающий объемный заряд эмитированных электронов, сорбируется на эмиттере и коллекторе, что позволяет поддерживать работу выхода эмиттера и коллектора в пределах получения энергии с КПД около 10%

В качестве аналога укажем решения по регулированию переходов металл -полупроводник методом легирования тонких слоев Таким методами удается снизить до нуля энергетический барьер между слоями полупроводника и металлом основы эмиттера и коллектора.

В качестве прототипа предлагаемому решению укажем на ТЭП с коллектором на основе ниобия, насыщенным в поверхностном слое кислородом до 1% Сорбция цезия на таком коллекторе проходит в значимой мере через кислород, что понижает работу выхода коллектора до 1,4 эВ и соответственно повышает КПД Недостатком прототипа является неустойчивость состава коллектора из-за перехода кислорода в другие фазы. Поэтому промышленного применения это решение не нашло.

Предлагаемое решение позволяет снизить работу выхода коллектора введением тонкого полупроводникового слоя, устойчивого в условиях работы ТЭП. Применение полупроводниковых слоев позволяет регулировать работу выхода в широких пределах и обеспечит малые электрические потери при протекании тока по направлению нормали к слою полупроводника. Тонкий слой полупроводника должен обладать стабильностью в условиях работы и иметь химическое сродство к электронам.

Преимуществами предлагаемого ТЭП перед известными являются:

снижение работы выхода электронов на коллекторе,

возможность выбора дырочного полупроводника, стабильного в условиях ТЭП, для разного уровня температур с оптимизацией в зоне до 1300 K на эмиттере,

снижение обратной эмиссии с поверхности коллектора,

отсутствие короткого замыкания при касании эмиттера и коллектора.

Пример реализации устройства (см. чертеж). На поверхность металлического коллектора из молибдена 4 со стороны межэлектродного зазора нанесен слой алмаза 3, легированного акцепторной примесью бора до 10(20) ат/см3, что обеспечивает вхождение уровня Ферми в валентную зону полупроводника. Эмиттер 1 выполнен из вольфрама, тонкий слой 2 выполнен из дырочного полупроводника. Межэлектродный зазор выполнен цезием при давлении около 1 тор. Температура эмиттера до 2000 K температура коллектора до 1000 K. Применение дырочного полупроводника на основе алмаза оправдано относительно других возможных решений его высокой стабильностью при высоких температурах При случайном касании электродов замыкание отсутствует из-за отсутствия электронной проводимости в дырочном полупроводнике. Перенос металла с эмиттера (или нанесение слоя при изготовлении) ограничивают радиусом Дебая

Пример реализации устройства с натриевым (или цезиевым) бета -глиноземом. Устройство по фигуре имеет покрытие электродов из бета-глинозема. В условиях избытка кислорода и недостатка щелочного металла бета-глинозем приобретает свойства дырочного полупроводника. Рабочие температуры для глинозема проектно принимают до 1600 K. Пленка бета-глинозема 3 нанесена на коллектор 4. В межэлектродном зазоре имеется свободный кислород и малое количество щелочного металла, но достаточное для образования монослоя (пленочный электрод) на электродах. Кислород не соединяется с натрием (цезием) при температурах выше 800 K, что обеспечит покрытие эмиттера 1 пленкой щелочного металла. Отсутствие значимого давления паров щелочного металла в объеме ТЭП (очень низкое давление щелочного металла, область слева от минимума кривой Пашена) чрезвычайно важно для работы мощных батарей ТЭП, так как позволит поднять рабочее напряжение на батарее за счет высокого пробивного напряжения при низком давлении паров щелочного металла. Батареи с мощностью более 50 кВт требуют напряжение более 100 В, что невозможно достичь в парах цезия при давлении 1-3 тора, необходима "сухая электроизоляция". Применение глинозема и избыточного кислорода в ТЭП делает сухим слой изоляции ТЭП относительно корпуса батареи. Наличие щелочного пара с давлением около тора в ТЭП требует введения второго слоя сухой изоляции и радикально усложняет батарею ТЭП.

Ядерные энергетические установки.

Ядерные ракетные двигатели

Ядерные энергетические установки с термоэлектрическими генераторами

Начиная с начала шестидесятых годов, достаточно широкий размах в СССР, США и ряде других стран получили работы по новым способам получения электрической энергии и, в частности работы по непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей.

Интерес к этим работам обусловлен тем, что подобные методы преобразования энергии принципиально упрощают схему установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать компактные и лёгкие энергетические установки.

Вместе с тем, использование ядерных источников энергии на космических аппаратах сопряжено с решением большого комплекса проблем обеспечения безопасности. Первый опыт решения этих проблем в нашей стране был получен при запуске в космос КА с радиоизотопными источниками энергии.

Разработка радиоизотопных генераторов проводилась в России с начала 60-х годов. В сентябре 1965 году впервые в России в составе двух связных КА "Стрела-1" (3.09.1965 г. - "Космос-84"; 18.09.1965 г. - "Космос-90") в космос были запущены радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) "Орион-1" электрической мощностью 20 Вт. Вес РИТЭГ составлял 14,8 кг, расчётный ресурс - 4 месяца. Ампулы РИТЭГ, содержащие полоний-210, были сконструированы в соответствии с принципом гарантированного сохранения целостности и герметичности при всех авариях. Этот принцип оправдал себя при авариях ракет-носителей в 1969 году, когда, несмотря на полное разрушение объектов, топливный блок, содержащий 25000 кюри полония-210, остался герметичным.

В последующие годы проводились работы, направленные на повышение мощности и ресурса РИТЭГ для луноходов и КА дальнего космоса. Разработанные конструкции РИТЭГ отличались между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, конструктивными формами и т.п. Это значительно усложняло и удорожало создание подобных ЭУ.

Сравнительно низкая энергоемкость, высокая стоимость РИТЭГ, сложности с решением проблем использования РИТЭГ в космосе, успехи в разработке ЭУ на основе ядерного реактора явились причиной прекращения работ по РИТЭГ для космоса.

Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетание с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии - ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь.

Для экспериментальной проверки возможности создания малогабаритного реактора-преобразователя с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую в СССР, в институте атомной энергии имени И.В.Курчатова в сотрудничестве с Сухумским физико-техническим институтом, Харьковским физико-техническим институтом, Подольским научно-исследовательским технологическим институтом в 1964 г. была сооружена и прошла полный цикл ядерных энергетических испытаний экспериментальная установка "Ромашка". Эта установка являлась высокотемпературным реактором-преобразователем на быстрых нейтронах, в котором тепло, выделяемое в активной зоне, передавалось за счёт теплопроводности материалов на расположенный на внешней поверхности отражателя термоэлектрический преобразователь, вырабатывавший до 500 Вт электрической энергии. Неиспользованное тепло с преобразователя излучалось в окружающее пространство ребристым холодильником-излучателем. Выведенный на мощность 14 августа 1964 года реактор-преобразователь "Ромашка" успешно проработал ~15000 часов, выработал при этом - 6100 кВт.час электроэнергии.

Пуск и успешные испытания установки "Ромашка" продемонстрировали, что в Советском Союзе впервые в мире создан работающий высокотемпературный ядерный реактор-преобразователь, который позволяет непосредственно получать электроэнергию без участия каких-либо движущихся рабочих тел и механизмов и экспериментально показана его способность к длительной работе. Последующие разделка и изучение состояния элементов установки "Ромашка" показали, что достигнутые параметры и ресурс не являются предельными и могут быть повышены за счёт некоторых усовершенствований конструкции и, в частности, использования вместо термоэлектрического преобразователя энергии плоских модульных термоэмиссионных элементов, располагаемых на границе активной зоны и радиального отражателя.

Выполненный комплекс работ с установкой "Ромашка" показал её абсолютную надёжность и безопасность. Однако, в связи с тем, что к моменту окончания испытаний была создана ядерная электрическая станция "БЭС-5" значительно большей мощности, дальнейшие испытания установки "Ромашка" были остановлены. На базе установки "Ромашка" была создана опытная установка "Гамма" - прототип автономной транспортируемой АЭС "Елена" электрической мощностью до 500 кВт, предназначенной для энергоснабжения отдаленных районов.

Ядерная энергетическая установка "БЭС-5".

Разработка первой в нашей стране космической ядерной электрической станции "БЭС-5" с гомогенным реактором на быстрых нейтронах и термоэлектрическим генератором (ТЭГ) проводилась в соответствии с Постановлениями ЦК КПСС и СМ СССР N 258-110 от 16.3.1961 г., N 702-295 от 3.7.1962 г. и N 651-244 от 24.8.1965 г. кооперацией организаций-разработчиков ГП "Красная Звезда", ГНЦ "ФЭИ", НТЦ"Исток" НИИ НПО "Луч", РНЦ "Курчатовский институт", ИПУ РАН и др. Станция разрабатывалась для электропитания аппаратуры космического аппарата радиолокационной разведки на участке выведения и в течение всего времени активного существования КА на круговой орбите высотой порядка 260 км. В результате проделанных расчётных, конструкторских и экспериментальных работ к 1970 году были практически решены все принципиальные проблемы по созданию "БЭС-5", генерирующей выходную мощность 2800 Вт, с ресурсом 1080 часов.

В период с 1963 г. по 1969 г. проводилась отработка жидкометаллического контура, испытания безреакторных образцов "БЭС-5" с имитатором ТЭГ и эксплуатационного оборудования, испытания безреакторной "БЭС-5" с действующим ТЭГ. В 1968-1970 г.г. были проведены натурные ресурсные испытания космических ядерных ЭУ "БЭС-5" N 16, 25, 32 с действующим реактором на стенде Ц-14Э. Испытания ядерной энергетической установки (ЯЭУ) N16 прошли успешно, все задачи, поставленные перед испытаниями, были выполнены в полном объёме. Электрическая мощность основной секции ТЭГ за время испытаний (1200 часов) снизилась на 10% и в конце испытаний составила 905 Вт и 1040 Вт при уровнях температуры 6900С и 7150С соответственно. Нейтронно-физические характеристики реактора, снятые на стационарных режимах работы, были стабильны во времени и удовлетворительно совпадали с расчётными значениями и величинами, экспериментально определенными на физических сборках в Физико-энергетическом институте.

Испытания ЯЭУ N25 были прекращены вследствие "закипания" теплоносителя первого контура в зоне реактора из-за недостаточного давления в компенсационных емкостях. После проведения тарировки автономного нейтронного источника по вновь разработанной методике с использованием новой высокоточной аппаратуры испытания "БЭС-5" были продолжены на установке N32. После успешного выхода на номинальный рабочий режим энергоустановки "БЭС-5" N32 на стенде Ц-14Э (ГП "Красная Звезда") был проведён полный цикл полигонных испытаний согласно программе ЛКИ ЯЭУ N31. Положительные результаты испытаний позволили в 3 октября 1970 г. осуществить запуск ЯЭУ "БЭС-5" N31 в составе КА радиолокационной разведки ("Космос-367").

ЯЭУ "БЭС-5" N 31 проработала на орбите 110 минут и была уведена на орбиту "захоронения" по причине "заброса" температуры 1-го контура выше предельно допустимой, вызванной расплавлением активной зоны реактора. По результатам первого запуска были доработаны датчики и логика работы температурного канала управления, а также снижена мощность "прогрева" ЯЭУ со 150% до 115% Nном.

В результате стендовых испытаний и ЛКИ были разработаны:

Надёжная технология сварки и последующего контроля изделия, в том числе термовакуумные испытания, что позволило обеспечить ресурсную отработку изделия до 1500 часов при расчётных температурах и окружающем давлении 10-5 мм.рт.ст. и в течении 1300 часов при работе в радиационных потоках, превышающие натурные;

Методика проведения имитационных (без реактора) тепловых испытаний изделия в вакуумных камерах;

Методика проведения наземных испытаний изделия со снаряженной активной зоной;

Методика проведения полигонных испытаний.

После проведения 9 запусков ЯЭУ "БЭС-5" в 1975 г. была принята на вооружение ВМФ СССР. Всего к мо-менту снятия с эксплуатации ЯЭУ "БЭС-5" (1989 г.) была запущена в космос 31 установка.

За весь период запусков КА с ЯЭУ на борту произошли три наиболее серьезные аварии.

При запуске КА с ЯЭУ "БЭС-5" N51, вследствие выхода из строя двигателя доразгона, КА не был выведен на расчётную орбиту и ЯЭУ с глубоко подкритичным реактором упала в Тихий океан.

Наиболее крупная авария ЯЭУ произошла с КА "Космос-954", запущенным 18 сентября 1977 года. Из-за разгерметизации приборного отсека КА с ЯЭУ "БЭС-5" N58 на борту и выхода из строя датчиков перепада давления второго контура произошёл отказ аппаратуры системы автономного управления, что привело к потере ориентации КА, непрохождению команды на увод ЯЭУ с Земли и отказу системы автоматического увода ЯЭУ. В результате КА с ЯЭУ вошёл в атмосферу и развалился, разбросав тысячи радиоактивных осколков на 100000 км2 в северо-западных районах Канады.

В 1983 году из-за отказа систем КА "Космос-1402", запущенного 30 августа 1982 года, произошло возвращение ЯЭУ в атмосферу Земли, что привело к срабатыванию дублирующей системы радиационной безопасности ЯЭУ, рассеявшей активную зону реактора в атмосфере Земли.

В апреле 1988 года произошла потеря радиосвязи с "Космосом-1900", запущенным 12 декабря 1987 года. Отсутствие связи помешало передать ему команду об уводе ЯЭУ, и до середины сентября 1987 года КА медленно терял высоту, постепенно приближаясь к Земле. К контролю за положением КА были привлечены службы контроля космического пространства США. Только 30 сентября за несколько дней до входа в плотные слои атмосферы, включилась защитная система и спутник был уведён на безопасную стационарную орбиту.

В процессе эксплуатации установки на основании Постановления ЦК КПСС и СМ СССР N 462-138 от 26.5.1975 г. проводились работы по её доработке и модернизации, связанные с повышением радиационной безопасности, увеличением электрической мощности в конце ресурса до 3 кВт и увеличением ресурса до 6-12 месяцев.

Анализ полётных данных показал, что прекращение работы КА с ЯЭУ на борту происходило, как правило, не по вине ЭУ, за исключением "БЭС-5" NN 31, 60, 58, 75 и 76. Анализ отрицательных явлений, имевшихся в процессе функционирования на орбите ЯЭУ (отказы датчиков давления и перепада давления в ЖМК "БЭС-5" N53 (15.5.1974 г., "Космос-651"), N60 (17.10.1976 г., "Космос-860"), N58 (18.09.1977 г., "Космос-954"), а также причин, их вызвавших, привел к необходимости их доработок. Так, начиная с ЯЭУ "БЭС-5" N58, были установлены усовершенствованные исполнительные механизмы привода компенсирующих стержней, антилюфтовые пружины в исполнительных механизмах привода регулирующих стержней, повышено давление газа в блоке гашения (БГ) реактора с 760 до 1500 мм рт.ст. Это позволило повысить надёжность срабатывания основной системы радиационной безопасности ЯЭУ, значительно снизить возмущения реактивности, вызываемые срабатыванием двигателей системы ориентации и стабилизации КА, уменьшить кратковременные выбросы тока ионизационных камер при перестройке задания по нейтронной мощности с 7,5% на 115%, а также более надёжно контролировать герметичность БГ при комплексных проверках на Земле (давление в БГ снижалось до нуля вследствие его негерметичности при выходе на орбиту ЯЭУ N52 (27.12.1973 г., "Космос-626") и N56 (7.04.1975 г., "Космос-724"). В 1985 г. аварийно закончилась работа двух КА вследствие отказов в системе автономного управления ЯЭУ "БЭС-5" N75 и N76 по причине более жёсткого теплового режима эксплуатации прибора ЭП-264. На оставшихся экземплярах ЯЭУ была произведена доработка прибора. После инцидента с КА "Космос-954" над Канадой интенсифицировались работы по бортовым системам обеспечения радиационной безопасности, как основной (ОСРБ), обеспечивающей "увод" ЯЭУ на орбиту "захоронения" высотой 890 км, так и дублирующей (ДСРБ), основанной на выбросе связки ТВЭЛов из корпуса реактора с помощью порохового аккумулятора давления поршневого типа и их последующим аэродинамическим разрушением.

Работоспособность бортовых устройств ДСРБ была подтверждена в наземных условиях и в процессе контрольно-лётных испытаний ЯЭУ N64, запущенной в составе КА "Космос-1176" 29 апреля 1980 года. Все последующие ЯЭУ "БЭС-5" были оснащены ДСРБ.

В связи с модернизацией КА радиолокационной разведки была произведена доработка ЯЭУ, отличающаяся увеличенным до 6 мес. сроком функционирования и электрической мощностью в конце ресурса 2400 Вт. Было изготовлено 3 экз. ЯЭУ. Первый запуск модернизированного варианта ЯЭУ был произведён 14 марта 1988 года в составе КА "Космос-1932". Несмотря на то, что установка нормально отработала по программе полёта дальнейшая эксплуатация ЯЭУ типа "БЭС-5" была прекращена. Оставшийся экземпляр ЯЭУ в 1993 году был доставлен с 5 НИИП на ГП "Красная Звезда" и утилизирован.

Принятие решения о прекращении запуска в космос КА с ЯЭУ на борту было вызвано сравнительно низкими техническими характеристиками ЯЭУ и обострившимся противостоянием международной общественности использованию ядерных объектов в космосе.

Ядерные энергетические установки с термоэмиссионными преобразователями

Ядерные энергетические установки "Топаз"

Параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами проводились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями, имеющими более высокие технические характеристики.

Работы проводились двумя кооперациями организаций-исполнителей по двум типам установок, отличающихся:

Конструкцией основного элемента ЯЭУ - электрогенерирующего канала (ЭГК);

Конструкцией генератора паров рабочего тела (цезия). В ЯЭУ "Топаз-2" применён генератор фитильного типа, обеспечивающий постоянство расхода независимо от температуры теплоносителя;

ЯЭУ "Топаз-2" предназначена для использования только на радиационно-безопасных орбитах и не имеет системы ликвидации. Доработка её под дублирующую систему обеспечения радиационной безопасности не представляется возможной.

В установке "Топаз-1" (ТЭУ-5) с тепловым реактором-преобразователем и жидкометаллическим теплоносителем (Na-K) имеется 79 ЭГК в каждом из которых скоммутировано 5 термоэмиссионных электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) (многоэлементный ЭГК), а в ЯЭУ "Топаз-2" (Енисей) - 37 ЭГК, в каждом из которых только один ЭГЭ (моноэлементный ЭГК).

Конструкция одноэлементного ЭГК позволяет не иметь в активной зоне межэлектродной коммутации, а также выводить газообразные продукты деления из катодного объёма, что предопределяет их большую надёжность и ресурсоспособность; используя тепловые имитаторы, контролировать электрические характеристики ЯЭУ перед стартом до загрузки ядерного топлива; отрабатывать полномасштабные ЭГК и системы преобразования термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП) в целом с помощью электронагрева, что сокращает затраты средств и времени на экспериментальные работы. Однако одноэлементная конструкция имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при одних и тех же электрических мощностях ток на выходе одноэлементного ЭГК в 2-3 раза больше, чем у многоэлементного, и для снижения омических потерь требуются большие толщины электродов. Этот недостаток ЭГК одноэлементной конструкции в значительной мере определяется удельной электрической мощностью, снимаемой с поверхности катода, и практически в конкретных конструкциях начинает существенно сказываться при удельной электрической мощности выше 2 Вт/см2 для ТРП с замедлителем и более 5 Вт/см2 для ТРП на быстрых нейтронах.

ЯЭУ "Топаз-1" разрабатывалась в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР N 702-295 от 3.07.1962 г. для КА радиолокационной разведки кооперацией организаций: головной разработчик - ГП "Красная Звезда", научный руководитель - ГНЦ "ФЭИ", соисполнители - НИИ НПО "Луч" и др.

ЯЭУ "Топаз-2" разрабатывалась в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР N 715-240 от 21.07.1967 г. для КА системы непосредственного телевизионного вещания из космоса кооперацией организаций: головной разработчик - "Энерговак-ЦКБМ", научный руководитель - РНЦ "Курчатовский институт", соисполнители - НИИ НПО "Луч" и др.

При разработке ЯЭУ "Топаз-1" был выполнен большой комплекс экспериментальных исследований отдельных узлов, агрегатов, теплофизических прототипов ТРП и тепловых имитаторов установки в целом. В ГНЦ "ФЭИ" на реакторе АМ проведены испытания более 50 ЭГК, показавшие их работоспособность в течении заданного ресурса. Наибольшая продолжительность реакторных испытаний ЭГК штатной конструкции (КЭТ-49) составила более 5000 часов при средней удельной мощности 2,5 Вт/см2 и максимальной температуре катодов 16000С. Первые полномасштабные наземные энергетические испытания ядерного прототипа ЯЭУ "Топаз-1" были проведены на стенде ГНЦ "ФЭИ" в 1970 г. Изделие было выведено на электрическую мощность 10 кВт. Испытания продолжались 150 часов, после чего были приостановлены из-за утечки теплоносителя ЖМК. Всего были испытаны 4 ядерных прототипов ЯЭУ "Топаз-1".

Результаты наземных комплексных испытаний послужили основанием для определения в Решении Комиссии Президиума СМ СССР по ВПВ N 342 от 8.12.1976 г. возможного срока проведения лётно-конструкторских испытаний в 1979-1980 г.г. ЯЭУ "Топаз-1" в составе экспериментального КА "Плазма". Однако, отсутствие дублирующей системы радиационной безопасности в составе ЯЭУ привело к необходимости разработки новой модификации КА "Плазма" - КА "Плазма-А" и изменить, в соответствии с решением КП СМ СССР по ВПВ от 23.5.1981 г., сроки и условия проведения ЛКИ: проведение ЛКИ на высокой радиационно-безопасной орбите.

Решением Государственной комиссии при СМ СССР по ВПВ N 58 от 12.02.1986 г. было принято решение о проведении ЛКИ КА "Плазма-А" с ЯЭУ "Топаз-1". К проведению ЛКИ были подготовлены два экземпляра ЯЭУ (N22 и N23), отличающиеся материалом катодов ЭГК: катоды изделия N22 выполнены из молибдена, а N23 - из молибдена, покрытого вольфрамом.

ЯЭУ N22 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 2.02.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" ("Космос-1818") в течении 142 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении заданного трёхмесячного ресурса.

ЯЭУ N23 была запущена на радиационно безопасную стационарную круговую орбиту высотой 800 км 10.07.1987 г. и отработала на орбите в составе КА "Плазма-А" (Космос-1867) в течении 343 суток. Показано соответствие характеристик ЯЭУ в течении полугода работы. В дальнейшем в течении последующего полугода мощность ЯЭУ плавно снижалась вследствие деградационных процессов в РП, но была достаточна для питания всех систем КА (в конце стационарной работы составила 2,73 кВт).

Прекращение работы ЯЭУ в обоих случаях было вызвано, в основном, окончанием запасов рабочего тела (цезия) и выделением водорода из полости замедлителя, явившегося катализатором деградационных процессов в РП. Замена комплекта ЭГК с эмиттерными узлами из монокристаллического молибдена в ЯЭУ N22 на комплект ЭГК с вольфрамовыми покрытиями в ЯЭУ N23 привело к увеличению к.п.д. ЯЭУ в 1,05-1,07 раза.

Параллельно работам с ЯЭУ "Топаз-1" проводились работы по созданию ЯЭУ "Топаз-2". В ходе работ было изготовлено и испытано более 18 полномасштабных головных блоков энергоустановки, 7 из которых (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24, Я-81, Я-82, Э-38) прошли ядерные энергетические испытания. Ресурсные ядерно-энергетические испытания первых опытных образцов (Я-20, Я-23, Э-31, Я-24) показали, что выбранная конструкция ЭГК не обеспечивает требований по ресурсу. Обнаружилось увеличение диаметра катодов ЭГК вследствие распухания тепловыделяющих сердечников под действием осколков деления, что привело к коротким замыканиям отдельных ЭГК в процессе испытаний и падению суммарной электрической мощности РП. Было также установлено, что вследствие поверхностных изменений свойств электродной пары катод-анод и увеличения приведенного коэффициента черноты ресурсное уменьшение электрической мощности ЭГК составило 3% за 1000 часов.

Для устранения перечисленных конструктивных недостатков НИИ НПО "Луч" был разработан и испытан усовершенствованный ЭГК, в котором были реализованы следующие конструктивные и технологические решения:

В МЭЗ введены новые фиксаторы из окиси скандия, обладающие большей стойкостью в парах цезия по сравнению с фиксаторами из окиси алюминия;

Улучшена технология нанесения вольфрамового покрытия на эмиттер для предотвращения отслоения покрытия (переход на хлоридную технологию нанесения монокристалического покрытия);

Увеличено отверстие в топливе на всю длину активной зоны и увеличен диаметр отверстия для снижения распухания топлива;

Увеличен МЭЗ;

В эмиттер введён монокристалл молибдена, легированного ниобием.

В процессе проведения тепловых испытаний с электронагревом одного из образцов усовершенствованного ЭГК достигнут ресурс более 22500 часов.

Кроме того, с целью доведения ресурса работы установки до 1,5 лет, была создана новая модернизированная конструкция реактора с увеличенным числом ЭГК в активной зоне (с 31 до 37). Было изготовлено 10 экземпляров головных блоков такой ЯЭУ (В-71 - для холодных и динамических испытаний с последующими электроэнергетическими испытаниями на комплексном стенде "Байкал-1"; Я-81, Э-37, Я-82 - для ЯЭИ продолжительностью до 1,5 лет; Э-39, Э-40, Э-41- для ЛКИ, Э-38-как резервный; Э-43, Э-44). При испытаниях образца Я-24 был достигнут небывалый в отечественной и зарубежной практике ресурс проведения ЯЭИ полномасштабного опытного образца космической ЯЭУ - 12500 часов.

В связи с прекращением работ по КА, для которого предназначалась ЯЭУ "Топаз-2", работы по ЯЭУ были прекращены на стадии наземных испытаний.

Российско-американское сотрудничество по ЯЭУ типа "Топаз".

Новым этапом в деятельности российских организаций явилось российско-американское сотрудничество в области космической ядерной энергетики.

Первые официальные материалы с краткой информацией об энергетической установке "БЭС-5" были переданы американской стороне в связи с инцидентом со спутником "Космос-954", имевшем место над Канадой в 1978 году, затем подробные сведения об установке передавались во время инцидентов со спутниками "Космос-1402" в 1983 г. и "Космос-1900" - в 1988 году.

Большой интерес у американских специалистов был вызван сообщениями академика Пономарева-Степнова Н.Н. и директора ГП "Красная Звезда" Грязнова Г.М. о результатах испытаний ЯЭУ "Топаз" на международном симпозиуме в г. Альбукерке (США) в 1989 г. А в апреле 1989 г. в ИАЭ им. И.В.Курчатова состоялись переговоры с представителями фирмы Space Power Inc. (SPI) советских разработчиков ЯЭУ (ИАЭ им. И.В.Курчатова, НПО "Красная Звезда", ЦКБМ, НПО "Луч", ФЭИ). Переговоры касались возможности сотрудничества в области космических ядерных энергетических установок для гражданского коммерческого применения и использования для этих целей имеющегося в СССР опыта и задела по созданию и натурным испытаниям космических термоэмиссионных ядерных энергетических установок. В процессе переговоров были обсуждены возможные области гражданского коммерческого использования таких ЯЭУ в качестве альтернативы солнечным энергоустановкам.

Переданные американской стороне материалы, связанные с успешными испытаниями в космосе ЯЭУ "Тополь" ("Топаз-1") в 1977-1978 гг., а также посещение американскими специалистами российских фирм убедили специалистов США в бесспорном приоритете России в этой области, в связи с чем ряд американских фирм проявили заинтересованность в научном и коммерческом использовании для мирных целей имеющегося в России задела по термоэмиссионным ЯЭУ.

В январе-марте 1991 г. был проведён демонстрационный показ макета ЯЭУ "Топаз-2" (без ядерного топлива) на VIII Симпозиуме США по космической ядерной энергетике (г. Альбукерк) и на советско-американском научно-техническом Симпозиуме и выставке "Наука-Космос-Конверсия" при Мерилендском университете. Демонстрация вызвала большой интерес специалистов и общественности, высоко оценена как с точки зрения технологических достижений СССР, так и готовности СССР участвовать в международном сотрудничестве в этой области.

Основные разработчики установки "Топаз-2" - ЦКБМ, РНЦ "КИ" и НИИ НПО "Луч" совместно с НИИТП и ГМП "НП Энерготех" с российской стороны и фирмой International Scientific Products (ISP) с американской стороны учредили Совместное российско-американское предприятие "Интернациональные энергетические технологии" (СП "ИНЕРТЕК"). На первом этапе своей деятельности было предложено провести демонстрационные испытания в США на стендах с электронагревом экспериментального образца и компонентов установки "Топаз-2" без ядерного топлива. Кабинетом Министров СССР (N ПП-15495 от 16.05.1991 г.) было дано согласие на проведение испытаний. Проведение работ было поддержано специальными решениями администрации США.

Для проведения испытаний американской стороне в период 1991-1992 года были переданы два образца головного блока ЯЭУ "Топаз-2" - В-71 (рабочий) и Я-21У (резервный), ранее испытанные в России, и испытательный стенд "Байкал".

Первый этап испытаний проводился в ноябре 1992 г. силами совместного предприятия "ИНЕРТЕК" по кон-тракту N СП-1145/5474, заключенному с ISP с участием специалистов группы TSET (Termionic System Evaluation Test). На стенде "Байкал" в г. Альбукерке (США) были проведены испытания изделия B-71 в объёме двух полных проверочных циклов "пуск-работа-останов" с целью подтверждения заданных параметров. Испытания образца установки и её отдельного ЭГК выполнены в полном объёме и успешно: подтверждена их работоспособность, получены характеристики, заданные Программой испытаний, проведено обучение американского персонала. "Проведенный прогноз полученных характеристик показал, что в штатных условиях установка "Топаз-2" с характеристиками В-71 может обеспечить электрическую мощность на клеммах рабочей секции реактора 4,5-6,0 кВт при температуре теплоносителя на выходе из реактора до 5700С" (из отчёта испытаний).

Целью второго этапа испытаний было получение экспериментальной информации по установке "Топаз-2" как объекта управления и источника электроэнергии при испытаниях с электронагревом в условиях вакуумной камеры и обучение американских специалистов. Испытания проводит группа TSET с участием российских специалистов, американских и российских исследователей.

После успешного проведения первого этапа работ американской стороной было предложено проведение подготовки лётных демонстрационных испытаний установки "Топаз-2" совместно с электродвигательным модулем на основе различного типа электрореактивных двигателей на космическом аппарате США и подписан контракт на участие российских предприятий в разработке космических ядерных термоэмиссионных установок повышенной (до 40 кВт) электрической мощности. Функционирование ЯЭУ должно быть осуществлено на высоких орбитах, на которых полностью гарантируется радиационная безопасность населению Земли. Финансирование этих работ будет осуществляется американской стороной из правительственных источников.

Для проведения лётных испытаний установки "Топаз-2" в составе американского космического аппарата разработчики установки в 1994-1995 г.г. поставили в США четыре экспериментальных образца установки "Топаз-2" (из них образцы Э-43, Э-44 - для лётных испытаний и Э-40, Э-41 для отработки стыковки с космическим аппаратом). Кроме этого, для наземных испытаний планируется использовать также поставленные ранее в США два экспериментальных образца установки "Топаз-2". Использование установок "Топаз-2" для лётных испытаний запланировано на условиях возврата (кроме запущенных в космос) установок "Топаз-2" после выполнения программы в Россию без разделки и исключения прямого использования установок в военных целях.

Несмотря на то, что в связи с резким сокращением финансирования работ в области космической ядерной энергетики были прекращены ОКР по созданию ЯЭУ, деятельность организаций-разработчиков с 1992 года направлена, в основном, на сохранение достигнутого научно-технического задела, стендовой базы и проведение работ по отработке основных элементов ЯЭУ. Вместе с тем, положительные результаты испытаний ЯЭУ "Топаз-1" и "Топаз-2" доказали принципиальную возможность создания в космосе энергетических систем мощностью 10-100 и более киловатт и положили начало разработкам проектов целого ряда термоэмиссионных установок мощностью 10-15, 25, 50 и 100-150 кВт.

Проекты космических ЯЭУ

В период создания ЯЭУ "БЭС" и "Топаз" на их основе было подготовлено ряд проектов установок с улучшенными характеристиками.

Эскизный проект на модифицированную установку ЯЭУ "Топаз-1" был разработан ГП "Красная Звезда" в соответствии с постановлением КП СМ СССР по ВПВ N 223 от 21.8.1974 г. Эта установка представляла собой форсированный вариант ЯЭУ "Топаз-1". Увеличение мощности достигнуто за счёт введения одного дополнительного ЭГК, применения индукционного электромагнитного насоса вместо кондукционного, введения охранных электродов в ЭГК. Установка в отличии от ЯЭУ "Топаз-1" была оснащена дублирующей системой обеспечения безопасности, холодильником-излучателем на тепловых трубах, замкнутой цезиевой системой с регенерацией цезия, оптимизированной схемой электрических коммутаций.

На основе разработок реактора "Ромашка" в 1976 "Энерговак-ЦКБМ" подготовлены технические предложения по термоэлектрической ЯЭУ "Заря-1" для КА оптико-электронной разведки (ОЭР). ЯЭУ "Заря-1" отличается от "БЭС" уровнем электрической мощности (5,8 кВт против 2,9 кВт) и повышенным ресурсом (4320 часов против 1100 часов).

Научно-технический задел в части создания ТЭГ и ТЭП для реакторных ЯЭУ позволил разработать в 1978 г. эскизный проект двух вариантов ЯЭУ "Заря-2" для КА ОЭР электрической мощностью 24 кВт и ресурсом 10000 часов. Включение в ЖМК термоэмиссионной ЯЭУ типа "Топаз-1" термоэлектрического генератора позволило решить проблему быстрого (через 10 минут после прохождения команды на пуск ЯЭУ) обеспечения электроэнергией аппаратуры КА и собственных потребностей установки по сравнению с временем выхода ЯЭУ "Топаз-1" на режим номинальной электрической мощности (через 60 мин.) Одновременно такое решение позволило снизить необходимую емкость аккумуляторных батарей, острый дефицит которой ощущался при создании "Топаз-1". Отличительной особенностью второго варианта ЯЭУ "Заря-2" является то, что высокая выходная мощность обеспечивается применением форсированных ЭГК с охранным электродом.

В 1978 г. ГП "Красная Звезда" разработаны технические предложения на 2 варианта космической ядерной энергодвигательной установки "Заря-3" электрической мощностью 24,4 кВт и ресурсом 1,15 года. Она предназначалась в числе других альтернативных вариантов для создания импульсов тяги коррекции орбиты КА ОЭР и энергообеспечения специальной аппаратуры. Первый вариант является модификацией ЯЭУ "Топаз-1" в части использования РП и ЭГК встроенного типа (аналогично РП установки "Заря-2") и автономного ЖРД. Другой вариант принципиально отличался от ЯЭУ "Топаз-1" наличием реактора на быстрых нейтронах, вынесенных ТЭП с тепловыми трубами и ЖРД, причём ТВЭЛы и ТЭПы были объединены в пароэлектрогенерирующие каналы.

Работы по установкам "Топаз" и "Заря" были прекращены из-за отсутствия их привязки к конкретному КА.

В период 1981-1986 г.г. в России был выполнен большой объём проектно-конструкторских и экспериментальных работ, свидетельствующий о принципиальной возможности увеличения ресурса ЯЭУ до 3-5 лет и электрической мощности до 600 кВт.

В результате этих проработок был разработан типоразмерный ряд термоэмиссионных РП на основе ЭГК прототипа ЭГК ЯЭУ "Топаз-1" мощностью 10-15, 25, 50 и 100-150 кВт.Разработка ядерных энергетических установок типа "Акация" и ядерного электроракетного двигателя "Геркулес"

ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ - ПУТЬ В ЭНЕРГЕТИКУ БУДУЩЕГО

Информационное агентство “ВРАТА-ЕКАТЕРИНБУРГ” распространила информацию о создании термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую (ТЭП) с очень высоким коэффициентом преобразования (КП) – до 80-82%. Вначале мне показалось это малоправдоподобным, но, заказав у разработчиков техническое описание преобразователя и ознакомившись с ним, автор сделал вывод о вполне реальной возможности достижения такого КП на практике, а в составе агрегата КП может достигать величины 95-97%.

Исходя из выше сказанного, мне хотелось бы порассуждать в этой статье о перспективных схемах применения ТЭП в традиционной и нетрадиционной энергетике.

При ныне существующей традиционной схеме энергообеспечения к каждому жилому объекту подводится несколько видов энергии: электроэнергия, теплоэнергия, сетевой газ, горячая вода.

Разместив на каждом жилом объекте микроТЭЦ на базе ТЭП мы перейдем к прогрессивной схеме децетрализованного энергообеспечения с высоким КИТ. Данная схема работает следующим образом: сетевой газ поступает в микроТЭЦ, где он сжигается во внешней топке. Нагретые в топке до температуры 1650-1700 о С газы поступают в ТЭП, где происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (постоянного напряжения). Далее, охлажденные до температуры 250-300 о С газы поступают в теплообменник, где нагревают холодную водопроводную воду для нужд горячего водоснабжения объекта. При этом 70-75% энергии газов расходуется на выработку электроэнергии и 25-20% - на производство горячей воды. Основная часть электроэнергии постоянного напряжения расходуется на отопление объекта, освещение, электроплиты, некоторые бытовые приборы, работающие на постоянном токе (например, холодильники), часть ее, пройдя через автономный инвертор, и, получив параметры стандартной сети, расходуется на бытовые приборы, работающие на переменном токе. В перспективе всю бытовую технику можно перевести на питание постоянным током, что значительно снизит вредное влияние на человека электромагнитного излучения. Для повышения надежности энергообеспечения необходимо иметь запас жидкого топлива или газгольдер с сжиженным газом. Убрав из квартир газопроводы и газовые плиты и разместив микроТЭЦ на крыше здания, можно резко увеличить безопасность использования сетевого газа.

Установка крышных микроТЭЦ на жилых объектах позволит подводить к ним только один вид энергоносителя – сетевой природный газ (в перспективе – водород), а сэкономленные деньги можно вложить в изготовление газопроводов из современных высокопрочных композитных материалов.

Теперь поговорим немного об экономике данного предложения.

Удельные капитальные затраты на автономную СИСТЕМУ энергообеспечения жилого объекта, включающую в себя ТЭП, теплообменник, инвертор, систему аварийного топливопитания, систему электроотопления и т.д. составят по прикидочным расчетам около

10 000 руб/кВт. Средняя отпускная цена на электроэнергию составит около 15 коп/кВтчас.

Удельные капитальные затраты на централизованную СИСТЕМУ энергообеспечения жилого объекта, включающую в себя цетрализованный источник тепловой энергии и горячей воды, теплотрассы, электрогенерирующие и трансформирующие объекты, ЛЭП и т.д. составят по некоторым данным по самым скромным прикидкам около 15 000 руб/кВт. Плата за электроэнергию для населения уже сейчас составляет от 30 до 60 коп за кВтчас, при этом эти деньги не покрывают не только полную отпускную цену, но даже себестоимость покрывают лишь частично.

Установка подобных автономных систем энергообеспечения на промышленных объектах также сулит значительную выгоду.

Если же оставить на жилых и промышленных объектах традиционную водяную систему отопления, а в микроТЭЦ на базе ТЭП установить гидродинамические преобразователи энергии с коэффициентом преобразования 300% и выше, то это позволит снизить топливные затраты на отопительные нужды в 2-2,5 раза и в целом расход газа на энергетические нужды в 3,5-4 раза.

Это, в свою очередь, увеличивает срок исчерпания природных запасов газа на десятки лет, что дает дополнительную временную фору ученым умам для разработки высокоэффективных нетрадиционных преобразователей энергии (солнце, физический вакуум и т.д.).

А теперь поговорим о применении ТЭП в нетрадиционной энергетике, а точнее в солнечной энергетике.

Современная солнечная энергостанция должна быть расположена на территории с максимальным по времени и мощности приходом солнечной энергии. Она преобразует солнечную энергию в электрическую, при помощи которой из воды получают водород и уже его по системе трубопроводов передают потребителям. Передача энергии в виде водорода, а не в виде электроэнергии становится выгоднее при расстояниях, превышающих 500-600 км.

Солнечная энергостанция состоит из большого числа энергетических модулей, каждый из которого состоит из модуля преобразования, электролизера и вспомогательного оборудования. Так как каждый энергетический модуль имеет законченный цикл производства водорода и небольшую цену, то строительство такой станции может начинаться с небольших инвестиций, постепенно наращивая свою производительность.

Каждый модуль преобразования в основном состоит из солнечного коллектора (ТВВК) с параболоцилиндрическими концентраторами, термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) и циркуляционного вентилятора. Коэффициент преобразования такого модуля может достигать 70-75%. Тепловой коэффициент современных электролизеров достигает 95%, т.е общий КП энергетического модуля может достигать 70%.

Если сравнить показатели солнечной энергостанции на основе ТЭП и ТВВК с показателями солнечной энергостанции на основе кремниевых батарей, то выявится следующее: удельные капитальные затраты у первой станции на порядок меньше, чем у второй; площадь земли, занимаемая первой станцией в 5-6 раз меньше, чем второй.

Поскольку солнечные энергостанции имеют нестабильный цикл работы, то, естественно, встает вопрос о каком-либо способе аккумулирования водорода, чтобы обеспечить работу потребителя в ночное и пасмурное на территории энергостанции время. Сейчас ученые и инженеры активно разрабатывают различного рода водородные аккумуляторы. Я же хочу обратить ваше внимание на следующее: при передаче энергии в форме водорода будут использоваться трубопроводы большого сечения и большой протяженности. Сеть этих трубопроводов можно использовать для накопления водорода. Так трубопровод внутренним диаметром 1000 мм и протяженностью 1500 км при давлении 75 атм содержит около 8 000 тонн водорода, который может обеспечить в течение 24 часов работу энергообъектов, использующих ТЭП общей мощностью около 8 ГВт.

Исходя из того, что современные электролизеры допускают производство водорода при достаточно высоких давлениях (до 100 атм), то потребность в газовых компрессорах в начале газопровода отпадает. В качестве магистральных подкачивающих компрессорных станций можно рекомендовать металлогидридные термосорбционные компрессоры (МТСК). Их работа основана на способности металлогилдридов при низких температурах поглощать водород, а при умеренно высоких – выдавать водород при значительных давлениях. Например, при давлении 3 атм и комнатной температуре мишметалл довольно быстро поглощает водород, а при нагревании его до температуры 250-260 о С водород может выдаваться уже при давлении около 100 атм. МТСК являются статическими аппаратами, в них нет движущихся частей, они выполняются абсолютно герметичными, что обеспечивает их высокую безопасность, надежность и экономичность.

Для некоторых штатов США среднегодовой приход солнечной энергии на каждый квадратный метр составляет 1500 кВтчасов, т.е. солнечная энергостанция с активной площадью 10 квадратных километров и КП=70% может выработать за год 10,5*10 9 кВтчасов электроэнергии или около 2,1 млн.тонн водорода. Для США идеальным местом расположения гелиоэнергостанции может служить так называемая “долина смерти” (360 дней в году – солнечные).

Для средней полосы России среднегодовой приход солнечной лучистой энергии на каждый квадратный метр по некоторым данным составляет 500 кВтчас, т.е. та же станция может выработать за год 3,5*10 9 кВтчасов электроэнергии или около 0,7 млн.тонн водорода. Для сравнения выработка электроэнергии в 2000 году АО “Кировэнерго” составила 3,56*10 9 кВтчасов, АО “Омскэнерго” – 6,198*10 9 , АО “Ивэнерго” – 1,352*10 9 .

Далее, выработанный на солнечных энергостанциях водород может подаваться по системе трубопроводов потребителям, которые могут его использовать для получения электроэнергии в ТЭПах, либо напрямую - в химических процессах

И в заключении о возможном финансировании данного проекта. Первый, государственный, - за счет продажи части квот на выбросы СО 2 в атмосферу (в последнее время из-за снижения объемов производства Россия согласно Киотскому протоколу не использует эти квоты полностью).

Второй – частный. На первом этапе выполнения проекта (производство небольших энергосистем индивидуального использования) грамотный инвестор даже без составления подробного экономического обоснования может увидеть высокую прибыльность этого производства.

Хотелось бы иметь скромную надежду на то, что Россия (в том числе и частный бизнесс) в очередной раз не наступит на одни и те же грабли - найдет способ профинансировать этот проект в необходимом объеме и не вынудит в очередной раз разработчиков продать эту технологию в и без того уже развитые страны, после чего будет вынуждена покупать в этих странах оборудование по этой технологии “втридорога”.

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите

На одном из электрических форумов был задан такой вопрос: Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ? Мотивировалось это тем, что газ у этого товарища, да собственно, как и у многих, оплачивается просто по нормативам без счетчика.

Сколько ни пользуйся, платить все равно фиксированную сумму, и почему же не превратить уже оплаченный, но не использованный газ в халявную электроэнергию? Так на форуме появилась новая тема, которая была подхвачена остальными участниками: задушевная беседа помогает не только сократить рабочий день, но еще и убить свободное время.

Было предложено множество вариантов. Просто купить бензиновый генератор, а заправлять его бензином, полученным перегонкой бытового газа, либо переделать генератор для работы сразу на газу, как автомобиль.

Вместо двигателя внутреннего сгорания предлагался двигатель Стирлинга, известный также как двигатель внешнего сгорания. Вот только топикстартер (тот, который создал новую тему) претендовал на мощность генератора не менее 1 киловатта, но его урезонили, мол, такой стирлинг не поместится даже в кухне небольшой столовой. Кроме того немаловажно, чтобы генератор был бесшумным, иначе, ну, сами знаете что.

После множества предложений кто-то вспомнил, как видел в какой-то книжке рисунок, где показана керосиновая лампа с приспособлением в виде многолучевой звезды для питания транзисторного приемника. Но об этом будет сказано чуть дальше, а пока

Термогенераторы. История и теория

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяются термогенераторы. Так же, как и у термопары, их принцип действия основан на эффекте Зеебека. открытом в 1821 году.

Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется э.д.с. если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, горячий спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = &alpha * (T1 – T2). Здесь &alpha - коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус.

Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного. Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1. Принцип работы термопары

Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.

Как определить термоэдс металла

Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.

Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:

Сурьма +4,7, железо +1,6, кадмий +0,9, цинк +0,75, медь +0,74, золото +0,73, серебро +0,71, олово +0,41, алюминий +0,38, ртуть 0, платина 0.

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

Кобальт -1,54, никель -1,64, константан (сплав меди и никеля) -3,4, висмут -6,5.

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды.

Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – (- 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом.

В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую.

Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, партизанский котелок, позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250 300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5 2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция котелка была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.

Бытовые термогенераторы

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпуск термогенераторов ТГК – 3 . Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в неэлектрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как Тула, Искра, Таллин Б-2 , Родина – 47 , Родина – 52 и некоторые другие.

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы молния . Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества.

При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы молния играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи.

Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что мощность данного термогенератора не превышала 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

В 1834 году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл эффект, противоположный эффекту Зеебика. Смысл открытия в том, что при прохождении тока через спай из разнородных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) выделяется или поглощается тепло, что зависит от направления тока и типов материалов. Об этом подробно рассказано здесь: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Тэги: нанотехнологии, физика

Физики из Испании, США и Швейцарии создали микроскопическое устройство по преобразованию тепла в электрический ток. В его основе лежат так называемые квантовые точки.

На страницах Physical Review B исследователи описали разработанную ими систему. которая позволяет конвертировать тепловую энергию в электрическую - правда, для этого нагрев должен быть неравномерным. Вокруг нагретой области расположены так называемые квантовые точки, между которыми могут перемещаться электроны они размещены так, что тепловые колебания перебрасывают носители заряда только в определенном направлении.

Квантовые точки, в свою очередь, представляют крошечные (меньше 10 нм - 50 атомов - в поперечнике) кусочки полупроводникового материала. Из-за очень малых размеров они уже ведут себя не как цельный блок материала, а как аналоги отдельных атомов у них появляются собственные энергетические уровни и электроны в таких точках могут находится только в состояниях с определенной энергией. И, соответственно, переходить из одного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.

Наличие отдельных энергетических уровней означает еще и то, что при переходе с верхних уровней на нижние квантовые точки могут красиво флуоресцировать. Причем величина зазора зависит только от размера квантовых точек, так что можно получить любой нужный цвет свечения квантовые точки уже сейчас активно используют в качестве специальных красителей. Снимок: Wikimedia/Travis.jennings

Нагретая квантовая точка - это точка, которая получила некоторую порцию энергии, ведь температура по определению и есть средняя энергия микроскопических частиц. Законы термодинамики также заставляют эту энергию рассеиваться (поэтому все нагретые предметы остывают), но тут-то на первый план и выходят квантовые свойства наноточек. Так как у них есть только ограниченное число энергетических уровней, они не могут пропустить все электроны, а лишь те частицы, энергия которых соответствует разнице между одни уровнем и другим.

Такие электроны в нагретой области есть и они благополучно преодолевают барьер. После чего отдают энергию в холодном участке, но вот вернуться назад уже не получается из-за недостатка энергии. В результате с одного конца цепочки квантовых точек накапливается электрический заряд. Где заряд - там и электрическое поле со своей напряженностью и потенциалом где разность потенциалов, там и напряжение. Батарея готова!

Солнечные батареи, напомним, используют схожий принцип: кванты света сначала перебрасывают электроны через некоторый энергетический барьер, а потом электроны накапливаются в одной области, создавая электрическое поле и разность потенциалов. Новое исследование позволило перенести этот подход на наносистемы и тепловую энергию, так что никакого переворота основ и вечного двигателя тут не предвидится. Предвидятся лишь устройства, которые будут утилизовывать тепловую энергию, превращая ее в электричество напрямую, минуя сложные механические устройства вроде двигателя Стирлинга.

Нет, это не ваш случай

Отметим, что к всевозможным изобретениям с КПД свыше 100% эта работа не имеет ни малейшего отношения. Она никоим образом не подтверждает правоту всех доморощенных опровергателей основ хотя бы потому, что теоретический КПД нанопреобразователя точно описывается школьной формулой - температура нагревателя в градусах Кельвина, поделенная на разность температур между нагревателем и холодильником. В наномире возможны случайные и локальные нарушения законов термодинамики (скажем, молекулы газа соберутся в одной половине сосуда. все пять молекул разом) - но это тоже нельзя использоваться для постройки вечного двигателя.

Как известно, все тела состоят из молекул, и эти молекулы не находятся в покое, а непрерывно движутся. Чем выше температура тела, тем быстрее движение молекул вещества этого тела. При прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с двигающимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к нагреву проводника.

Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Ранее (см. § 13) было получено выражение для работы электрического тока (электрической энергии)

А = I 2 rt джоулей.

Эта зависимость была первоначально (в 1841 г.) установлена результате опытов английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) независимо от него русским академиком Ленцем.

Для того чтобы количество полученной тепловой энергии было выражено в калориях, необходимо дополнительно ввести множитель 0,24, так как 1 дж = 0,24 кал. Тогда Q = 0,24I 2 rt. Это уравнение выражает закон Джоуля-Ленца.

Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) установил законы теплового действия тока, обобщил опыты по электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде "правила Ленца". В своих трудах по теории электрических машин Ленц описал явление "реакции якоря" в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Таким образом, количество тепла, выделенного током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления r самого проводника, квадрата тока I 2 и длительности его прохождения t.

Пример 1 . Определить, сколько тепла выделит ток в 6 а, проходя по проводнику сопротивлением 2 ом в течение 3 мин.

Q = I 2 rt = 36 ⋅ 2 ⋅ 180 = 12960 дж.

Формулу закона Джоуля-Ленца можно написать так.

Возможно вас заинтересует