В преддверии Дня Победы мы решили рассказать вам об изобретении советских ученых, которое позволило обеспечить партизан компактным и надежным источником электроэнергии. Конечно, он не мог заменить подключение к электрической сети, тем не менее, позволил решить проблему питания партизанских радиостанций. Конструкция этого генератора и в наши дни поражает оригинальностью инженерных решений.
От металлов — к полупроводникам
В 1821 г. немецкий физик Томас Зеебек обнаружил, что на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах, возникает электродвижущая сила. Это явление назвали эффектом Зеебека. На его основе возможно создание генераторов, напрямую преобразующих тепло в электроэнергию. Устройство из двух проводников, использующее эффект Зеебека для выработки электроэнергии, получило название элемент Зеебека. Чем больше разница в температурах проводников, тем большее количество электроэнергии он способен вырабатывать.
КПД генераторов на основе элементов Зеебека составлял порядка десятых долей процента и для практического применения они не подходили. В 1930 г. директор Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) Абрам Иоффе усовершенствовал конструкцию элемента Зеебека, предложив соединять не два разных проводника, а проводник и полупроводник. Такие генераторы имели КПД уже порядка нескольких процентов. Первый термоэлектрический генератор данной конструкции был создан в 1939 г. сотрудником ЛФТИ Юрием Маслаковцем.
С началом Великой Отечественной войны в 1941 г. большая часть сотрудников ЛФТИ, включая Юрия Маслаковца, была эвакуирована в Казань. Там они, как и оставшиеся в блокадном Ленинграде коллеги, продолжили научные исследования с учетом потребностей военного времени.
Электропитание партизанских радиостанций
Большое распространение в партизанских отрядах получила радиостанция «Север», предназначенная для работы телеграфом. Она была собрана на лампах (иного варианта в те годы просто не было). Поэтому ей требовалось два источника питания — для накала напряжением 2 В и для анодных цепей напряжением 120 В. Данные о потребляемой мощности в документации к радиостанции не приводились. Но известно, что выходная мощность в режиме передачи составляла 2 Вт для базового варианта и 2,5 Вт для модернизированной радиостанции «Север-бис». Наибольшее энергопотребление радиостанции наблюдается в режиме передачи. Для схемы, по которой построен передатчик данной радиостанции, характерен КПД на уровне 40%. Отсюда вывод, что максимальная потребляемая мощность для радиостанции «Север» составляла около 5 Вт, а «Север-бис» — около 6 Вт.
Партизанские радиостанции размещались в глухих местах, где никаких электрических сетей не было. Периодически передатчик переносили с одного места на другое во избежание обнаружения противником. Поэтому велогенераторы для питания не подходили — слишком большие и тяжелые. Аккумуляторы тогда были громоздкими и требовали обслуживания. Оставался только один доступный вариант — питание от батареек. Комплект батареек для радиостанции «Север» весил около 6 кг, но это все равно было намного меньше, чем масса велогенератора. Ламповая техника не отличается энергоэффективностью, поэтому батарейки требовали частой замены. Регулярная доставка химических источников тока в расположение партизанских отрядов была очень сложной задачей.
Чудо-котелок
В Казани Юрий Маслаковец работает над созданием термоэлектрического генератора, который мог бы использоваться для питания партизанских радиостанций. Понятно, что источником тепла станет костер. Но как обеспечить значительную разницу температур на концах термоэлемента? Сделать массивный радиатор? Его сложно будет переносить с места на место. И тут Юрия Маслаковцу (или кому-то из сотрудников его лаборатории) пришла в голову идея вмонтировать генератор в дно котелка.
При нормальном атмосферном давлении температура воды в котелке не превысит +100 °C, излишки тепла удаляются за счет частичного испарения. Именно до такой температуры нагреваются с одной стороны термоэлементы, вмонтированные в котелок. А с противоположной стороны они нагреваются примерно до +300 °C языками пламени костра. Разница составит около 200 °C, что позволяет обеспечить на выходе необходимую мощность.
Что важно, такой котелок по-прежнему выполнял свои основные функции. Не нужно было таскать с собой отдельно котелок и отдельно генератор. Невысокий КПД уже не выглядел недостатком: тепло, не задействованное в выработке электроэнергии, использовалось для нагрева воды или приготовления пищи.
Термоэлектрический генератор в виде котелка получил название ТГ-1. Неофициально его иногда называли «котелком Иоффе», поскольку работами по его созданию лично руководил директор ЛФТИ.
В ТГ-1 использовались термопары из сернистого свинца (по некоторым данным, позже применялся сплав сурьмы с цинком) и константана (сплава меди, никеля и марганца). Напряжение на выходе было 12 В постоянного тока. Для этого в дне котелка было установлено большое количество термоэлементов, соединенных последовательно. Напряжения 2 В и 120 В из 12 В можно получить, используя вибропреобразователь — такие устройства уже тогда выпускались массово и были достаточно компактными.
КПД составлял 3%, мощность — около 6 Вт. Для питания радиостанции «Север» в режиме передачи хватало, «Север-бис» — уже было недостаточно (с учетом потерь в вибропреобразователе). Но, поскольку радиостанция работала телеграфом, при небольшом снижении мощности источника питания ее работоспособность сохранялась, просто уменьшалась выходная мощность. И это все равно было лучше, чем полное отсутствие связи.
В 1943 г. в Москве на заводе при НИИ-627 (современное название — АО «Корпорация «ВНИИЭМ») был освоен серийный выпуск ТГ-1. Для этого Юрий Маслаковец был направлен в Москву и прикомандирован к НИИ-627.
Совершенно секретно
Разработка и внедрение ТГ-1 осуществлялись в обстановке строжайшей секретности. Нацисты не знали о том, что в СССР создано такое устройство и не учитывали при планировании операций против партизан возможность поддержания ими радиосвязи в условиях отсутствия поставок батареек. В результате многие из таких операций провалились. Возможно, из-за режима секретности до нас не дошли фотографии оригинального котелка ТГ-1. В Интернете можно найти очень упрощенный рисунок ТГ-1, содержащий грубые технические ошибки, поэтому его достоверность сомнительна. Автору статьи неизвестно о наличии сохранившихся до наших дней образцов ТГ-1, представленных в экспозициях музеев, посвященных связи или истории Великой Отечественной войны.
В наше время, когда в Интернете можно найти какую угодно информацию, такая ситуация может вызвать определенные вопросы. Спешу развеять сомнения читателей — при подготовке данной статьи были использованы сведения, опубликованные на официальном сайте Российской Академии наук, а также книги по истории науки, изданные еще во времена СССР. Несмотря на то, что образцы генераторов ТГ-1 и их фотографии, возможно, не сохранились, существование такого проекта документально подтверждено.
Послевоенные годы
После Великой Отечественной войны котелок ТГ-1 был модернизирован. Новый вариант получил название ГТУ-12-12. Он давал напряжение 12 В, мощность — 12 Вт. Этот котелок использовался главным образом геологами. Производился он до 2003 г.
В 50-х годах на основе термопар массово выпускался термоэлектрический генератор ТГК-3. В нем источником тепла была керосиновая лампа, нагревавшая одну сторону термоэлемента, а другую сторону охлаждал алюминиевый радиатор. Здесь тоже было совмещение функций: освещения и выработки электроэнергии. Только вот выходная мощность составляла всего 3 Вт, во многом из-за используемого способа охлаждения. Впрочем, этого было достаточно для питания лампового радиоприемника. ТГК-3 использовались в тех деревнях, где не было электричества.
Тогда же была разработана линейка более мощных генераторов на основе керосиновых ламп с мощностью до 36 Вт, света они не давали, только вырабатывали электричество. В них также применялись для охлаждения алюминиевые радиаторы. Из-за громоздкости и сложности в использовании такие генераторы не получили широкого распространения.
В 60-х годах производство ТГК-3 было прекращено за ненадобностью. Радиоприемники стали делать на транзисторах, для них можно использовать более компактные и дешевые батареи, чем для ламповых, да и работают они от одного комплекта батарей намного дольше. Акцент в применении эффекта Зеебека был смещен в сторону питания аппаратуры, работающей в космосе. Там с охлаждением все в порядке — в тени в открытом космосе температура составляет -270 °C.
Современные термоэлектрические генераторы
В наше время термоэлектрические генераторы с радиаторами, помимо космоса, применяются для питания оборудования на газотранспортных объектах. Тепло для них вырабатывается посредством сжигания газа. Мощность вырабатываемой электроэнергии достигает 500 Вт. Главные преимущества, из-за которых такие генераторы применяют для питания оборудования на газопроводах — отсутствие необходимости в обслуживании на протяжении длительного времени, а также возможность дистанционного управления.
Компания «Экоген Технолоджи» (Санкт-Петербург) создала термоэлектрический генератор, который получил название Энергоковш «Вулкан-15». Принцип работы точно такой же, как и у ТГ-1 — готовим еду и одновременно вырабатываем электричество. На фото видно наличие у ковша толстого дна, где размещаются термоэлементы. Пока устройство производится только под заказ.
Генератор получил форму ковша, поскольку сейчас туристы все чаще берут с собой переносную газовую плиту, а не разводят костер. Такая форма удобна именно для газовой плиты. В духе времени и электрические параметры — выходное напряжение 5 В, в торце ручки вмонтированы два USB-разъема. Максимальная вырабатываемая мощность — 15 Вт. Но при этом номинальная мощность (которую генератор может давать длительный промежуток времени) — только 10 Вт. Разница с ТГ-1 (6 Вт) не так уж и велика, особенно если учесть, что на достижение такого прироста ушло примерно 80 лет. При том, что за дело взялась крупная российская компания, имеющая большой опыт в создании термоэлектрических генераторов. И они сделали все возможное, чтобы КПД был настолько большим, насколько позволяет современный технологический уровень.
В Китае для туристов производятся переносные печки массой 1 — 2 кг, работающие на древесной щепе. Основное их предназначение — немного согреться и подзарядить мобильные устройства. Такие печки имеют встроенные аккумуляторы емкостью от 2600 до 5000 мАч, поэтому зарядку мобильных устройств можно производить в любое удобное время, а не только когда горит топливо. В качестве радиатора выступает корпус электронной части устройства, отделенный от топки воздушным промежутком. Мощность самого термоэлектрического генератора без учета накопления энергии в аккумуляторе — 3 Вт, как у советского ТГК-3.
За 83 года, прошедшие с момента создания ТГ-1, не произошло значительного повышения КПД термоэлектрических генераторов. С одной стороны, становится понятно, почему прямое преобразование тепла в электричество не смогло заменить динамо-машины. С другой стороны, это вызывает восхищение подвигом советских ученых, которые в трудные военные годы смогли создать термоэлектрический генератор, параметры которого до сих пор актуальны.