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. Общие сведения о термоэлектрических генераторах
Физические основы работы термоэлектрических генераторов
Батареи термоэлектрических элементов
2 Радиоизотопные источники энергии
Общие сведения
2.2 Облости применения
2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)
1. Термоэлектрические генераторы
1.1 Общие сведения о термоэлектрических генераторах
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые
термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в
электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ , питающих
труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли
(автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие
объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве
источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ : радиоактивные изотопы
(РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного
исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических
мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при
повышенных уровнях мощности – ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для
АЭУ КЛА.
Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность
параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные
энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная
плотность мощности 10 кВт/м?? (на единицу поперечного сечения элемента
), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД
преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют
собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ),
которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а
ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ
заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во
избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или
цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла
на горячих спаях и для его отвода на “холодных” спаях полупроводниковых
термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна
обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от
корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую
задачу.
1.2 Физические основы работы термоэлектрических генераторов
В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты
Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Определяющая роль в ТЭГ
принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии
сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла
за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ
с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением
легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ
При рабочих температурах Т SYMBOL 179 \f “Symbol” 900 SYMBOL 184 \f
“Symbol” 100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т SYMBOL 163
\f “Symbol” 600 SYMBOL 184 \f “Symbol” 800 К – материалы на основе
теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ
показана на рис. 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку
нагревателя 1 с помощью теплоносителя ( например жидкометаллического),
тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения
реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ
(излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых
кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3
и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями
диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур SYMBOL 68 \f “Symbol” Т =
Т1-Т2.
Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры
ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением
в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п-типа с
электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными
атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой
механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с
шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для
достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической
кассетой, заполненной аргоном.
Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )
а тепловая мощность
Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током I
от внешнего источника характер теплового действия I на спай можно
изменять реверсированием направления тока . На этом основано создание
термоэлектрических нагревателей и холодильников. Последние имеют больше
практическое значение.
на р- и п-участках),
Количественное значение эффекта Томсона второстепенно.
Эффект Зебека. В цепи двух разнородных проводников или полупроводников,
спай и концы которых имеют перепад температур, возникает элементарная
термо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС
причем среднее значение коэффициента Зебека
, то направление действия Е меняется, т.е. происходит реверс полярности
ТЭЭ. Обратимость эффекта Зебека сопровождается обратимостью эффекта
Пельтье.
Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.
1.3 Батареи термоэлектрических элементов
Для получения в ТЭГ характерного напряжения U SYMBOL 187 \f “Symbol” 30
В при ЭДС одного ТЭЭ Е SYMBOL 187 \f “Symbol” 0,1 SYMBOL 184 \f “Symbol”
0,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N SYMBOL
187 \f “Symbol” 102 ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и
уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее
определяется плотностью тока J=I/s SYMBOL 187 \f “Symbol” 10 A/см2. Для
КЛА выполняются батареи ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. В СССР
для стационарных и передвижных АЭУ созданы РИТЭГ серии “Бета” мощностью
до 10 Вт на радиоактивном изотопе церия 144Се. Плоские и цилиндрические
варианты ТЭГ определяются их компоновкой в блоке. Каскадное соединение
ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до SYMBOL 104 \f
“Symbol” SYMBOL 187 \f “Symbol” 0,13. В целях уменьшения удельной массы
ТЭГ разработаны многослойные пленочные ТЭЭ. представляет интерес
создание в перспективе ТЭГ в виде экспериментальных
реакторов-генераторов на базе интегрального исполнения ТЭЭ и
тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) из делящихся соединений типа сульфидов
урана или тория, которые обладают полупроводниковыми свойствами.
2. Радиоизотопные источники энергии
Общие сведения
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.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
