Mobilní zdroje energie byly vždy žádané mezi vojáky nebo jinými strukturami operujícími autonomně v odlehlých oblastech s obtížnými klimatickými podmínkami. „Armádní standard“ shromáždil informace o jedné z oblastí získávání elektřiny v „polních“ podmínkách. Takže termoelektřina – od slavného „partizánského hrnce“ Velké vlastenecké války po jaderné „reaktory“, na které můžete náhodně narazit při putování podél pobřeží severních moří Ruska.

“Partizánský kotel”

V dnešní době věda udělala velké pokroky ve vývoji mobilních zdrojů energie, a to nejen ve specifických oblastech obranného průmyslu, letectví nebo vesmíru. Dokonce i běžní občané mají přístup k „minielektrárnám“.

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

Dnes široce dostupné mobilní bateriové nářadí je schopné řezat, vrtat a dokonce i obloukově svařovat (!) kovové konstrukce a díly v jakékoli vzdálenosti od elektrické zásuvky.

V první polovině dvacátého století, které zahrnovalo Velkou vlasteneckou válku, však nic takového neexistovalo a přenosná elektrická a elektronická zařízení žila podle zcela jiných zákonů, se spoustou vážných omezení mobility.

Někdy na takových omezeních závisel život. Jednalo se především o bojovníky sovětského partyzánského hnutí a různé mobilní sabotážní a protisabotážní oddíly. Hlavní a jediné vlákno přenosu informací – krátkovlnná radiostanice – vyžadovala zdroj energie nezávislý na síti.

Komunikační zařízení v té době bylo výhradně elektronkové, na moderní standardy nepříliš ekonomické, vyžadující vysoké (několik desítek voltů) napětí pro napájení drahých a nízkokapacitních specifických baterií.

Podobné manganovo-zinkové baterie typu BAS (anodová suchá baterie) vyráběl sovětský průmysl a ve velkém je do SSSR dodávali i Američané v rámci Lend-Lease. Tyto baterie byly životně důležité – napájely vysílačky, vysílačky, polní kabelové telefony a další armádní vybavení. Ale na začátku války neměly strojírenské sklady Dělnicko-rolnické Rudé armády potřebný počet baterií, což vážně narušovalo komunikaci mezi jednotkami.

Partyzáni zvláště velmi trpěli problémy se zásobováním radiokomunikačního zařízení. Skryté nasazení bylo rysem, výhodou a zároveň neštěstím takových oddílů, které potřebovaly neustálé stabilní rádiové spojení s Ústředním velitelstvím Nejvyššího vrchního velení, odkud „lesní bojovníci“ dostávali průzkumné mise svých koordinátory.

READ
Jak určit velikost kulového ventilu?

Partyzánské hnutí mělo nebývalý rozsah – v okupované části země působilo v okupované části země celkem 6200 jednotek sdružujících více než milion lidí! Ale jejich zásobování bylo stále prováděno, ať už se říká cokoli, podle zbytkového principu – nejprve šly všechny zdroje na frontu.

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

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

S vypuknutím války byl Ioffe jmenován předsedou Státní komise pro vojenskou techniku, zatímco nadále vedl Leningradský institut fyziky a technologie, který byl evakuován do Kazaně. Jedna z jeho mnoha výzkumných oblastí – jmenovitě termoelektřina – se rychle ujala skupina speciálního institutu s cílem vytvořit přenosný elektrický generátor pro partyzánské oddíly.

Nejjednodušší, ale velmi efektní design byl nazván TG-1 a stal se lidově známým jako „partizánský nadhazovač“. Jednalo se o kovovou nádobu, do jejíhož dna bylo namontováno několik desítek tzv. termočlánků zapojených do série.

Klasický termočlánek je kapka tavených drátů vyrobených z různých kovů, které při zahřívání na jedné straně a ochlazování na druhé straně generují termoelektrickou sílu (termo-EMF) – jinými slovy elektrický proud.

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

TG-1.

“Hlavní akademik Ioffe”

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

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

Například v roce 1879 francouzský elektroinženýr Clouet představil jednotku založenou na 6000 sériově zapojených termočláncích, v nichž se topení provádělo v topeništi, které spotřebovalo asi deset kilogramů uhlí za hodinu, a chlazení se provádělo vodním pláštěm. . Takový termoelektrický generátor produkoval proud 218 voltů a napájel osmdesát elektrických obloukových uhlíkových lamp navržených Jabločkovem!

READ
Jak vyrobit beton pro lití podlahy?

Na co tedy Joffe přišel? Jeho zásluha spočívá v tom, že navrhl použít v termočláncích ne spoj odlišných kovů, ale spoj polovodičů! To umožnilo zvýšit účinnost generátoru a snížit rozdíl mezi ohřívanými a chlazenými částmi.

Přestože skutečná účinnost takových zařízení nepřesáhla ani jedno (!) procento, v podmínkách partyzánského oddílu ukrytého v lese snadnost použití „konvice“, její kompaktnost a nízká cena předčila dynama jakékoli konstrukce, včetně těch běžných v armádě v té době „voják-motor“ – dynamogenerátor založený na jízdním kole bez kol.

Polní pedálový elektrický generátor „voják-motor“.

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

Různé praktické verze „generátoru Ioffe“ byly v národním hospodářství velmi běžné ještě mnoho let po válce. Za prvé tam, kde nebylo stacionární napájení.

Sériově se vyráběly například přístroje označované jako TGK-3 a TEGC-2-2, navržené ve formě nástavce na sklo standardní petrolejové lampy. Mimochodem, petrolejová kamna nikdy neztratila svou schopnost zářit!

Termoelektrický generátor TGK-3-3.

Existovaly také modely TGK-9, TGK-10 a TGU-1 navržené ve formě petrolejových plynů (knotové petrolejové hořáky na vaření) – výkonnější, ale bez doprovodného světelného efektu.

Termoelektrický generátor TGK-3-10.

Na rozdíl od „partizánského hrnce“ byl teplotní rozdíl v termočláncích takových generátorů zajišťován žebrovanými hliníkovými radiátory. Studená část termočlánků byla chlazena vzduchem, nikoli vodou, jako u kotlů. Takové generátory byly aktivně využívány ve vesnicích k napájení rádií a nízkoenergetických krátkovlnných radiostanic JZD „Urozhai“, které zajišťovaly komunikaci mezi správou JZD a polním táborem nebo polní strojní a traktorovou stanicí, a dokonce byly exportovány!

Kolektivní rozhlasová stanice

Trysky pro petrolejová kamna a petrolejové plyny se přestaly vyrábět v 70. letech, ale „partizánské kotle“ se vyráběly (ač je těžké uvěřit) až do počátku 2000!

Samozřejmě už nevypadaly stejně jako jejich váleční předchůdci, ale obecně se design po technické stránce nijak zásadně nelišil. Nádoba s vodou uvnitř a oheň nebo dokonce plynový sporák venku. Podle staré paměti je vyráběl podnik obranného průmyslu Pravdinsky Experimental Current Source Plant v Puškinském okrese v Moskevské oblasti. Svého času to byla úplně první „rychlovarná konvice“.

READ
Kde vyrobit zásuvku pro podsvícené zrcadlo?

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

Bohužel výroba těchto zařízení byla již dávno ukončena, ale dodnes jsou „kotlíky“, které se občas objeví na prodej na bezplatných nástěnkách, rychle zabaveny turisty, cestovateli, rybáři, lovci a „přeživšími“!

„Partisánský hrnec“ z roku 2000, GTU-12-12

“Jaderný” kotel

Samostatnou a velmi zajímavou aplikací termočlánků pro výrobu elektřiny je „jaderný kotel“ – RTG. Tato zkratka znamená „radioizotopový termoelektrický generátor“. Je to jako stejná tryska na petrolejové lampě, ale místo spalování petroleje obsahuje. rozpad radioaktivního plutonia!

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

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

Účinnost takového systému, jako je „rychlovarná konvice“, je extrémně nízká. A množství jím generované elektrické energie je směšné, zvláště s ohledem na velikost a hmotnost: řekněme 24 voltů s výkonem 30–40 wattů dokáže generovat. jeden a půl tunový přístroj!

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

RTG se používají k napájení majáků v odlehlých neobydlených oblastech, plavebních bójí, autonomní navigace a meteorologických stanic v místech, kam už léta nikdo nevkročil. Stovky takových „jaderných nádob“ byly přepravovány v 60. až 80. letech, aby napájely majáky a další zařízení podél opuštěných pobřeží našich severních moří – Bílého, Barentsova, Karského, Laptěvského, Východosibiřského a Čukotského.

V chaotických 90. letech nedostatek kontroly a evidence takových nebezpečných zařízení více než jednou přiblížil situaci kritické situaci. Je zázrak, že nikdo nepoužil RTG bez majitele k vytvoření tzv. „špinavé bomby“. Příklad nezodpovědného přístupu k nim mimochodem dokonale ukazuje známý film z roku 2010 „Jak jsem utrácel Toto léto.”

READ
Jak se nazývají okna po celé zdi?

Dnes jsou RTG v pořádku. Na zemi se od nich postupně ustupuje a stále častěji je nahrazují levnější a bezpečnější solární panely. Budou ale muset létat ve vesmíru ještě dlouho! Tam jsou problémy se zničením prostoru s jadernými materiály nebo jeho krádežemi vetřelci nebo prostě vagabundy irelevantní a hmotnost RTG je malá.

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

Termoelektrický generátor GTG-150 pro autonomní napájení na plynovodech

Alternativa plynu

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

Například podél většiny plynovodů jsou v určitém intervalu nutně umístěny stanice katodové ochrany, jednotky s automatizací, ventily atd. Pro napájení tohoto zařízení musí být podél potrubí taženo elektrické vedení. Elektrické vedení představuje pro pracovníky plynu bolest hlavy, protože dráty na velké vzdálenosti procházejí neobydlenými oblastmi, kde je po přírodních katastrofách obtížné udržovat a opravovat elektrické vedení.

Pokud uvnitř umístíte kabinky s termoelektrickými generátory na požadovaná místa v blízkosti potrubí a budete je napájet plynem ze stejného potrubí malými vývody, pak se elektřina bude vyrábět přímo na místě. Nemusíte z dálky tahat dráty, které jsou náchylné na hurikány, mrznoucí déšť a padající stromy.