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

1. Термоэлектрические генераторы

1.1. Об¬щие све¬де¬ния о тер¬мо¬элек¬три¬че¬ских ге¬не¬ра¬то¬рах

1.2. Фи¬зи¬че¬ские ос¬но¬вы ра¬бо¬ты тер¬мо¬элек¬три¬че¬ских ге¬не¬ра¬то¬ров

1.3. Ба¬та¬реи тер¬мо¬элек¬три¬че¬ских эле¬мен¬тов

2 Радиоизотопные источники энергии

2.1 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

При ра¬бочих тем¬пе¬ра¬ту¬рах Т * 900 * 100 К це¬ле¬со¬об¬раз¬ны спла¬вы 20-30% Ge-Si, а при Т * 600 * 800 К - ма¬те¬риа¬лы на ос¬но¬ве тел¬лу¬ри¬дов и се¬ле¬ни¬дов свин¬ца, вис¬му¬та и сурь¬мы. Схе¬ма крем¬ние¬во¬го ТЭЭ по¬ка¬за¬на на рис. 1. Те¬п¬ло Q1 под¬во¬дит¬ся к ТЭЭ (ТЭГ) че¬рез стен¬ку на¬гре¬ва¬те¬ля 1 с по¬мо¬щью те¬п¬ло¬но¬си¬те¬ля ( на¬при¬мер жид¬ко¬ме¬тал¬личес¬ко¬го), те¬п¬ло¬вой тру¬бы или при не¬по¬сред¬ст¬вен¬ном кон¬так¬те с зо¬ной те¬п¬ло¬вы¬де¬ле¬ния ре¬ак¬то¬ра. Че¬рез стен¬ку 7 хо¬ло¬диль¬ни¬ка те¬п¬ло Q2 от¬во¬дит¬ся от ТЭГ (из¬лучени¬ем, те¬п¬ло¬но¬си¬те¬лем или те¬п¬ло¬вой тру¬бой). Спаи по¬лу¬про¬вод¬ни¬ко¬вых кри¬стал¬личес¬ких тер¬мо¬стол¬би¬ков 4 и 9 об¬ра¬зо¬ва¬ны ме¬тал¬личес¬ки¬ми ши¬на¬ми 3 и 5, 8, ко¬то¬рые элек¬тричес¬ки изо¬ли¬ро¬ва¬ны от сте¬нок 1 и 7 слоя¬ми ди¬элек¬три¬ка 2, 6 на ос¬но¬ве ок¬си¬дов тем¬пе¬ра¬тур *Т = Т1-Т2.

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-Т2*0 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,