Теплоэнергетические генераторы и радиоизотопные источники энергии
Министерство высшего образовани Россиской Федерации
КГТУ
Кафедра: ЭС и С
РЕФЕРАТ
Тема: теплоэнергитические генераторы и радиоизотопные источники энергии
Разработал: ст-т гр. ЭМ13-2 Семенюка А. В
Проверил: преподаватель Таюрский В. М.
г. Красноярск, 2003 г.
План
Термоэлектрические генераторы
1.1. Об щие све де ния о тер мо элек три че ских ге не ра то рах
Фи зи че ские ос но вы ра бо ты тер мо элек три че ских ге не ра то ров
Ба та реи тер мо элек три че ских эле мен тов
2 Радиоизотопные источники энергии
Об щие све де ния
2.2 Облости применения
2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)
1. Термоэлектрические генераторы
1.1 Об щие све де ния о тер мо элек три че ских ге не ра то рах
Тер мо элек три че ские ге не ра то ры (ТЭГ) пред став ля ют со бой по лу про вод ни ко вые тер мо па ры и пред на зна че ны для пря мо го пре об ра зо ва ния те п ло вой энер гии в элек тро энер гию. они ис поль зу ют ся в пе ре движ ных АЭУ , пи таю щих труд но дос туп ные объ ек ты, ко то рые мон ти ру ют ся в от да лен ных рай онах Зем ли (ав то ма ти че ские ме тео стан ции, мор ские мая ки и т.п.). В пер спек ти ве та кие объ ек ты мо гут мон ти ро вать ся на Лу не или на дру гих пла не тах. В ка че ст ве ис точ ни ков те п ла для под во да к го ря чим спа ям ТЭГ : ра дио ак тив ные изо то пы (РИ ТЭГ), ядер ные ре ак то ры (ЯР ТЭГ), сол неч ные кон цен тра то ры раз лич но го ис пол не ния (СТЭГ). Ори ен ти ро вочно при ни ма ют, что при элек тричес ких мощ но стях от 1 до 10 кВт на КЛА це ле со об раз ны РИ ТЭГ и СТЭГ, а при по вы шен ных уров нях мощ но сти - ЯР ТЭГ. По след ние наи бо лее пер спек тив ны для АЭУ КЛА.
Дос то ин ст ва ТЭГ: боль шой срок служ бы, вы со кая на деж ность, ста биль ность па ра мет ров, виб ро стой кость. Не дос тат ки ТЭГ: не вы со кие от но си тель ные энер ге тичес кие по ка за те ли: удель ная мас са 10-15 кг/кВт, по верх но ст ная плот ность мощ но сти 10 кВт/м (на еди ни цу по пе речно го се че ния эле мен та ), объ ем ная плот ность мощ но сти 200-400 кВт/м3 и срав ни тель но низ кий КПД пре об ра зо ва ния энер гии (5-8%). При ме ни тель но к ЛА ТЭГ пред став ля ют со бой ба та реи крем не-гер ма ние вых тер мо элек тричес ких эле мен тов (ТЭЭ), ко то рые по мат рично му прин ци пу со еди не ны в вет вях по сле до ва тель но, а вет ви мо гут иметь ме ж ду со бой па рал лель ные со еди не ния. Ба та реи ТЭЭ за ключены с гер ме тичные кон тей не ры, за пол нен ные инерт ным га зом во из бе жа ние окис ле ния и ста ре ния по лу про вод ни ков. Пло ские или ци лин д ричес кие кон ст рук ции ТЭГ снаб жа ют ся уст рой ст ва ми для под во да те п ла на го рячих спа ях и для его от во да на "хо лод ных" спа ях по лу про вод ни ко вых тер мо стол би ков. Кон ст рук ция си ло вых элек тро вы во дов ТЭГ долж на обес печивать од но вре мен но тер мо плот ность и элек тричес кую изо ля цию от кор пу са (кон тей не ра), что пред став ля ет дос та точно слож ную тех ничес кую за дачу.
1.2 Фи зи че ские ос но вы ра бо ты тер мо элек три че ских ге не ра то ров
В ос но ве дей ст вия лю бо го ТЭЭ ле жат об ра ти мые тер мо элек тричес кие эф фек ты Пель тье, Том со на (Кель ви на) и Зебе ка. Оп ре де ляю щая роль в ТЭГ при над ле жит эф фек ту тер мо-ЭДС (Зе бе ка). Пре об ра зо ва ние энер гии со про во ж да ет ся не об ра ти мы ми (дис си па тив ны ми) эф фек та ми: пе ре дачей те п ла за счет те п ло про вод но сти ма те риа ла ТЭЭ и про те ка нии то ка. Ма те риа лы ТЭЭ с при ме ст ной элек трон ной и ды рочной про во ди мо стью по лучают вве де ни ем ле ги рую щих до ба вок в кри стал лы ос нов но го по лу про вод ни ка.
Рис. 1. Прин ци пи аль ная схе ма эле мен тар но го по лу про вод ни ко во го ТЭГ 
Эф фек тив ность ТЭГ обес печива ет ся су ще ст вен ной раз но род но стью струк ту ры вет вей 4 и 9. Ветвь р-ти па с ды рочной про во ди мо стью по лучает ся вве де ни ем в сплав Si-Ge ак цеп тор ных при ме сей ато мар но го бо ра В. Ветвь п-ти па с элек трон ной про во ди мо стью об ра зу ет ся при ле ги ро ва нии Si-Ge до нор ны ми ато ма ми фос фо ра Р. Из-за по вы шен ной хи мичес кой ак тив но сти и ма лой ме ха ничес кой прочнос ти по лу про вод ни ко вых ма те риа лов со еди не ние их с ши на ми 3, 5, 8 вы пол ня ет ся про слой ка ми из спла ва крем ний-бор. Для дос ти же ния ста биль ной ра бо ты ба та рея ТЭЭ гер ме ти зи ро ва на ме тал личес кой кас се той, за пол нен ной ар го ном.
Эф фект Пель тье. В по гра ничной плос ко сти - спае раз но род ных по лу про вод ни ков (или ме тал лов) - при про те ка нии то ка I по гло ща ет ся те п ло Qп, ес ли на прав ле ние то ка I сов па да ют с на прав ле ни ем ре зуль ти рую ще го те п ло во го по то ка ( ко то рый воз ник бы при по дог ре ве спая). Ес ли же на прав ле ния то ка I и это го по то ка про ти во по лож ны, Qп про ис хо дит от внеш не го ис точ ни ка те п ла (из на гре ва те ля по треб ля ет ся до пол ни тель ная энер гия) ли бо из внут рен них за па сов энер гии, ес ли внеш ний ис точ ник от сут ст ву ет ( в этом слу чае на блю да ет ся ох ла ж де ние спая). В замк ну той на со про тив ле нии Rп тер мо элек три че ской це пи ТЭГ на го ря чих спа ях стол би ков ТЭ те п ло Qп по гло ща ет ся (эн до тер ми че ский эф фект). Это ох ла ж де ние Пель тье на до ком пен си ро вать до пол ни тель ным под во дом те п ла Qп из вне. На хо лод ных спа ях те п ло Пель тье вы де ля ет ся (эк зо тер ми че ский эф фект). Вы де лив шее ся те п ло Qп не об хо ди мо от во дить с по мо щью внеш не го ох ла ж даю ще го уст рой ст ва. Ука зан ные яв ле ния обу слав ли ва ют ся пе ре рас пре де ле ни ем но си те лей за ря дов (элек тро нов) по уров ням энер гии: при по вы ше нии сред ней энер гии элек тро нов ее из бы ток вы де ля ет ся в спае. Те п ло Пель тье про пор цио наль но пе ре но си мо му за ря ду: 
где =(Т) - ко эф фи ци ент Пель тье 
Элек три че ский ток I=dq/dt, сле до ва тель но, энер гия (за вре мя t )
а те п ло вая мощ ность
Об ра ти мость эф фек та Пель тье со сто ит в том, что при пи та нии це пи то ком I от внеш не го ис точ ни ка ха рак тер те п ло во го дей ст вия I на спай мож но из ме нять ре вер си ро ва ни ем на прав ле ния то ка . На этом ос но ва но соз да ние тер мо элек три че ских на гре ва те лей и хо ло диль ни ков. По след ние име ют боль ше прак ти че ское зна че ние.
Эф фект Том со на (Кель ви на) . Эф фект Том со на от но сит ся к объ ем ным (ли ней ным) эф фек там в от ли чие от пло ско ст но го (то чеч но го) эф фек та Пель тье. при про те ка нии то ка I по тер ми че ски не од но род но му по лу про вод ни ку (или про вод ни ку) на его от рез ке (х1,х2) с пе ре па дом Т1-Т20 в слу чае сов па де ния на прав ле ний то ка и гра ди ен та 
вы де ля ет ся те п ло Том со на Qт (на грев от рез ка). При встреч ных на прав ле ни ях I и Т те п ло Qт по гло ща ет ся (ох ла ж де ние от рез ка). Эф фект объ яс ня ет ся из ме не ни ем энер гии дви жу щих ся элек тро нов при пе ре ме ще нии в об ласть с иным тем пе ра тур ным уров нем. При ре вер се на прав ле ния I на блю да ет ся об ра ти мость эф фек та Том со на, т.е. пе ре ме на эк зо- или эн до тер ми че ско го ха рак те ра те п ло во го дей ст вия. Теп ло вя энер гия про пор цио наль на то ку I и пе ре па ду Т т.е. 
при чем dT=|T|dx. Сле до ва тель но (для 
на р- и п-уча ст ках),
Здесь 
- сред нее зна че ние ко эф фи ци ен та Том со на для дан но го ма те риа ла. В од но мер ном слу чае |T|=dT/dx. Те п ло вая мощ ность 
Ко ли че ст вен ное зна че ние эф фек та Том со на вто ро сте пен но.
Эф фект Зе бе ка. В це пи двух раз но род ных про вод ни ков или по лу про вод ни ков, спай и кон цы ко то рых име ют пе ре пад тем пе ра тур, воз ни ка ет эле мен тар ная тер мо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС
при чем сред нее зна че ние ко эф фи ци ен та Зе бе ка
Эф фект об ра тим: ес ли со от но ше ние 
за ме нить на 
, то на прав ле ние дей ст вия Е ме ня ет ся, т.е. про ис хо дит ре верс по ляр но сти ТЭЭ. Об ра ти мость эф фек та Зе бе ка со про во ж да ет ся об ра ти мо стью эф фек та Пель тье.
Прин цип ра бо ты ТЭЭ. (рис. 1). Ки не ти че ская энер гия элек тро нов на кон це це пи с вы ше, чем на "хо лод ных" кон цах с Т=Т2 , сле до ва тель но, пре об ла да ет диф фу зия элек тро нов от го ря че го спая к хо лод ным кон цам. кон цен тра ция элек тро нов в р- и п-вет вях раз лич на, по это му бо лее от ри ца тель ный по тен ци ал по лу ча ет ко нец тер мо стол би ка п-ти па, по от но ше ния к ко то ро му ко нец стол би ка р-ти па име ет по ло жи тель ный по тен ци ал. Раз ность по тен циа лов Е=Z(T1-T2) обу слав ли ва ет ток I ( при за мы ка нии це пи на со про тив ле ние Rн на груз ки) и по лез ную элек три че скую мощ ность 
Ра бо те ТЭГ со пут ст ву ют об ра ти мые эф фек ты.
1.3 Ба та реи тер мо элек три че ских эле мен тов
Для по лу че ния в ТЭГ ха рак тер но го на пря же ния U30 В при ЭДС од но го ТЭЭ Е0,10,3 В тре бу ет ся по сле до ва тель но со еди нить в ба та рею при мер но N102 ТЭЭ. при за дан ных раз ме рах се че ния тер мо стол би ка и уров нях то ка I на груз ки не об хо ди мое чис ло па рал лель ных вет вей в ба та рее оп ре де ля ет ся плот но стью то ка J=I/s10 A/см2. Для КЛА вы пол ня ют ся ба та реи ТЭГ мощ но стью от еди ниц до со тен ватт. В СССР для ста цио нар ных и пе ре движ ных АЭУ соз да ны РИ ТЭГ се рии "Бе та" мощ но стью до 10 Вт на ра дио ак тив ном изо то пе це рия 144Се. Пло ские и ци лин д ри че ские ва ри ан ты ТЭГ оп ре де ля ют ся их ком по нов кой в бло ке. Кас кад ное со еди не ние ТЭГ по зво ля ет по вы сить КПД пре об ра зо ва ния энер гии до 0,13. В це лях умень ше ния удель ной мас сы ТЭГ раз ра бо та ны мно го слой ные пле ноч ные ТЭЭ. пред став ля ет ин те рес соз да ние в пер спек ти ве ТЭГ в ви де экс пе ри мен таль ных ре ак то ров-ге не ра то ров на ба зе ин те граль но го ис пол не ния ТЭЭ и те п ло вы де ляю щих эле мен тов (ТВЭЛ) из де ля щих ся со еди не ний ти па суль фи дов ура на или то рия, ко то рые об ла да ют по лу про вод ни ко вы ми свой ст ва ми.
2. Радиоизотопные источники энергии
Об щие све де ния
Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделением кинетической энергии частичек и квантов. Эта энергия поглощается средой, которая окружает радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Устройства, которые превращают энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами.
2.2 Облости применения
Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД 3-5% и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих генераторов в будущем могут быть значительно улучшены. Ныне создаются проекты генераторов мощностью до 10 квт.
В радиоизотопных генераторах заинтересованны разные области науки и техники, их собираются использовать в виде источника энергии искусственного сердца человека, а также для стимулирования работы разных органов в живых организмах. Радиоизотопные термогенераторы надежны в работе, имеют большой срок службы, компактные и успешно используются как автономные источники энергии для разных устройств космического и наземного назначения. В особенности удобными оказались радиоизотопные термогенераторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, которые способны долго и надежно работать при неблагоприятных условиях влияния ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.
2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)
В России находится около 1000 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов), большая часть которых используется как элемент питания световых маяков.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)
Ритэги являются источниками автономного электропитания с постоянным напряжением от 7 до 30В для различной автономной аппаратуры мощностью от нескольких ватт до 80 Вт. Совместно с ритэгами используются различные электротехнические устройства, обеспечивающие накопление и преобразование электрической энергии, вырабатываемой генератором. Наиболее широко ритэги используются в качестве источников электропитания навигационных маяков и световых знаков.
В ритэгах используются источники тепла на основе радионуклида стронций-90 (РИТ-90). РИТ-90 представляет собой закрытый источник излучения, в котором топливная композиция в форме керамического титаната стронция-90 дважды герметизирована аргоно-дуговой сваркой в капсуле. Капсула защищена от внешних воздействий толстой оболочкой ритэга, сделанной из нержавеющей стали, алюминия и свинца. Биологическая защита изготовлена таким образом, чтобы на поверхности устройств доза радиации не превышала 200 мР/ч, а на расстоянии метра — 10 мР/ч3.
Период радиоактивного полураспада стронция-90 (90Sr) — 29 лет. На момент изготовления РИТ-90 содержат от 30 до 180 кKи 90Sr. Мощность дозы гамма-излучения РИТ-90 самого по себе, без металлической защиты достигает 400-800 Р/ч на расстоянии 0,5 м и 100-200 Р/ч — 1 м от РИТ-90.
Литература
1. Алиевский Б. Л.
Специальные электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1994г.-206 с.
2. Караваев В.Т. Специальные электрические машины с частичным совмещением (элементы теории, схемы и конструкции).- Киров: РИО, 1999.- 538 с.
3. М.И.Рылов, М.Н.Тихонов. Проблемы радиационной безопасности при обращении с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. //«Атомная стратегия», Санкт-Петербург, N1(6) июнь 2003. Стр. 32.
Нравится материал? Поддержи автора!
Ещё документы из категории физика:
Чтобы скачать документ, порекомендуйте, пожалуйста, его своим друзьям в любой соц. сети.
После чего кнопка «СКАЧАТЬ» станет доступной!
Кнопочки находятся чуть ниже. Спасибо!
Кнопки:
Скачать документ