Реферат: 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. Обнщие свенденния о тернмонэлекнтринченских генненрантонрах
1.2. Финзинченские осннонвы ранбонты тернмонэлекнтринченских
генненрантонров
1.3. Бантанреи тернмонэлекнтринченских эленменнтов
2 Радиоизотопные источники энергии
2.1 Обнщие свенденния
2.2 Облости применения
2.3 Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)
1. Термоэлектрические генераторы
1.1 Обнщие свенденния о тернмонэлекнтринченских генненрантонрах
Тернмонэлекнтринченские генненрантонры (ТЭГ) преднставнлянют сонбой
понлунпронводннинконвые тернмонпанры и предннанзнанченны для прянмонго
пренобнранзонванния тенпнлонвой энернгии в элекнтронэнернгию. они
иснпольнзунютнся в пенрендвижнных АЭУ , пинтаюнщих трудннондоснтупнные
обънекнты, контонрые моннтинрунютнся в отнданленнных райнонах Земнли
(авнтонмантинченские ментеонстаннции, морнские маянки и т.п.). В
пернспекнтинве танкие обънекнты монгут моннтинронватьнся на Лунне или на
друнгих планнентах. В канченстнве иснточннинков тенпнла для поднвонда к
гонрянчим спаням ТЭГ : рандионакнтивнные изонтонпы (РИнТЭГ), ядернные
ренакнтонры (ЯРнТЭГ), солннечнные коннценнтрантонры разнличннонго
иснполнненния (СТЭГ). Ориненнтинронвочно приннинманют, что при
элекнтричеснких мощннонстях от 1 до 10 кВт на КЛА ценленсонобнразнны РИнТЭГ и
СТЭГ, а при понвыншеннных уровннях мощннонсти - ЯРнТЭГ. Понследнние
наинбонлее пернспекнтивнны для АЭУ КЛА.
Доснтониннстнва ТЭГ: больншой срок служнбы, вынсонкая нандежнность,
станбильнность панранметнров, вибнронстойнкость. Нендоснтатнки ТЭГ:
ненвынсонкие отннонсинтельнные энернгентичеснкие понканзантенли: удельнная
маснса 10-15 кг/кВт, понверхннонстнная плотнность мощннонсти 10 кВт/м
(на единнинцу понпенречнонго сенченния эленменнта ),
обънемнная плотнность мощннонсти 200-400 кВт/м3 и сравннинтельнно
низнкий КПД пренобнранзонванния энернгии (5-8%). Принменнинтельнно к ЛА ТЭГ
преднставнлянют сонбой бантанреи кремнне-гернманниенвых тернмонэлекнтричеснких
эленменнтов (ТЭЭ), контонрые по матнричнонму приннцинпу сонединненны в ветнвях
понслендонвантельнно, а ветнви монгут иметь менжнду сонбой панралнлельнные
сонединненния. Бантанреи ТЭЭ занключены с гернментичные коннтейнненры,
занполнненнные инертнным ганзом во изнбенжанние окиснленния и станренния
понлунпронводннинков. Плонские или цинлиннднричеснкие коннстнрукнции ТЭГ
снабнжанютнся устнройнстнванми для поднвонда тенпнла на гонрячих спанях и для
его отнвонда на "хонлоднных" спанях понлунпронводннинконвых
тернмонстолнбинков. Коннстнрукнция синлонвых элекнтронвынвондов ТЭГ должнна
обеснпечивать одннонвренменнно тернмонплотнность и элекнтричеснкую изонлянцию
от корнпунса (коннтейнненра), что преднставнлянет доснтанточно сложнную
технничеснкую зандачу.
1.2 Финзинченские осннонвы ранбонты тернмонэлекнтринченских генненрантонров
В осннонве дейнстнвия люнбонго ТЭЭ ленжат обнрантинмые тернмонэлекнтричеснкие
эфнфекнты Пельнтье, Томнсонна (Кельнвинна) и Зебенка. Опнренденляюнщая роль в
ТЭГ приннаднленжит эфнфекнту тернмо-ЭДС (Зенбенка). Пренобнранзонванние
энернгии сонпронвонжнданетнся ненобнрантинмынми (диснсинпантивннынми)
эфнфекнтанми: пенрендачей тенпнла за счет тенпнлонпронводннонсти мантенрианла
ТЭЭ и пронтенканнии тонка. Мантенрианлы ТЭЭ с принменстнной элекнтроннной и
дынрочной пронвондинмонстью понлучают ввенденнинем ленгинруюнщих донбанвок в
кринсталнлы оснновннонго понлунпронводннинка.
Рис. 1. Приннцинпинальнная схенма эленменнтарннонго понлунпронводннинконвонго ТЭГ |
При ранбочих темнпенрантунрах Т 900 100 К ценленсонобнразнны спланвы 20-30%
Ge-Si, а при Т 600 800 К - мантенрианлы на осннонве телнлунриндов и
сенленниндов свиннца, виснмунта и сурьнмы. Схенма кремнниенвонго ТЭЭ
понканзанна на рис. 1. Тенпнло Q1 поднвондитнся к ТЭЭ (ТЭГ) ченрез стеннку
нангренвантенля 1 с понмонщью тенпнлоннонсинтенля ( нанпринмер
жиднконменталнличеснконго), тенпнлонвой трунбы или при ненпонсреднстнвеннном
коннтакнте с зонной тенпнлонвынденленния ренакнтонра. Ченрез стеннку 7
хонлондильннинка тенпнло Q2 отнвондитнся от ТЭГ (изнлученинем,
тенпнлоннонсинтенлем или тенпнлонвой трунбой). Спаи понлунпронводннинконвых
кринсталнличеснких тернмонстолнбинков 4 и 9 обнранзонванны менталнличеснкинми
шиннанми 3 и 5, 8, контонрые элекнтричеснки изонлинронванны от стеннок 1 и 7
слоянми динэлекнтринка 2, 6 на осннонве окнсиндов темнпенрантур Т = Т1-Т2.
Эфнфекнтивнность ТЭГ обеснпечиванетнся сунщенстнвеннной разннонродннонстью
струкнтунры ветнвей 4 и 9. Ветвь р-тинпа с дынрочной пронвондинмонстью
понлучаетнся ввенденнинем в сплав Si-Ge акнцепнторнных принменсей
атонмарннонго бонра В. Ветвь п-тинпа с элекнтроннной пронвондинмонстью
обнранзунетнся при ленгинронваннии Si-Ge доннорннынми атонманми фоснфонра Р.
Из-за понвыншеннной хинмичеснкой акнтивннонсти и манлой менханничеснкой
прочноснти понлунпронводннинконвых мантенрианлов сонединненние их с шиннанми
3, 5, 8 вынполннянетнся пронслойнканми из спланва кремнний-бор. Для
доснтинженния станбильнной ранбонты бантанрея ТЭЭ гернментинзинронванна
менталнличеснкой каснсентой, занполнненнной арнгонном.
Эфнфект Пельнтье. В понгранничной плоснконсти - спае разннонроднных
понлунпронводннинков (или менталнлов) - при пронтенканнии тонка I
понглонщанетнся тенпнло Qп, еснли нанправнленние тонка I совнпанданют с
нанправнленнинем рензульнтинруюнщенго тенпнлонвонго понтонка ( контонрый
вознник бы при пондогнренве спая). Еснли же нанправнленния тонка I и этонго
понтонка пронтинвонпонложнны, Qп прониснхондит от внешнненго иснточннинка
тенпнла (из нангренвантенля понтребнлянетнся донполннинтельнная энернгия) линбо
из внутнреннних занпансов энернгии, еснли внешнний иснточнник отнсутнстнвунет (
в этом слунчае нанблюнданетнся охнланжнденние спая). В замкннунтой на
сонпронтивнленнии Rп тернмонэлекнтринченской ценпи ТЭГ на гонрянчих спанях
столнбинков ТЭ тенпнло Qп понглонщанетнся (энндонтернминченский эфнфект). Это
охнланжнденние Пельнтье нандо комнпеннсинронвать донполннинтельнным поднвондом
тенпнла Qп изнвне. На хонлоднных спанях тенпнло Пельнтье вынденлянетнся
(экнзонтернминченский эфнфект). Вынденливншеенся тенпнло Qп ненобнхондинмо
отнвондить с понмонщью внешнненго охнланжндаюнщенго устнройнстнва. Уканзаннные
явнленния обунславнлинванютнся пенренраснпренденленнинем нонсинтенлей занряндов
(элекнтроннов) по уровнням энернгии: при понвыншеннии среднней энернгии
элекнтроннов ее изнбынток вынденлянетнся в спае. Тенпнло Пельнтье
пронпорнционнальнно пенреннонсинмонму занрянду:
где =(Т) - конэфнфинцинент Пельнтье
Элекнтринченский ток I=dq/dt, слендонвантельнно, энернгия (за вренмя t )
а тенпнлонвая мощнность
Обнрантинмость эфнфекнта Пельнтье сонстонит в том, что при пинтаннии ценпи
тонком I от внешнненго иснточннинка ханракнтер тенпнлонвонго дейнстнвия I на
спай можнно изнменнять ренвернсинронваннинем нанправнленния тонка . На этом
осннонванно сознданние тернмонэлекнтринченских нангренвантенлей и
хонлондильннинков. Понследнние именют больнше пракнтинченское знанченние.
Эфнфект Томнсонна (Кельнвинна) . Эфнфект Томнсонна отннонситнся к обънемнным
(линнейнным) эфнфекнтам в отнлинчие от плонсконстннонго (тончечннонго)
эфнфекнта Пельнтье. при пронтенканнии тонка I по тернминченски
ненодннонродннонму понлунпронводннинку (или пронводннинку) на его отнрезнке
(х1,х2) с пенренпандом Т1-Т20 в слунчае совнпанденния нанправнленний тонка и
грандиненнта
вынденлянетнся тенпнло Томнсонна Qт (нангрев отнрезнка). При встречнных
нанправнленнинях I и Т тенпнло Qт понглонщанетнся (охнланжнденние отнрезнка).
Эфнфект обънясннянетнся изнменненнинем энернгии двинжунщихнся элекнтроннов при
пенренменщеннии в обнласть с иным темнпенрантурнным уровннем. При ренвернсе
нанправнленния I нанблюнданетнся обнрантинмость эфнфекнта Томнсонна, т.е.
пенренменна экнзо- или энндонтернминченсконго ханракнтенра тенпнлонвонго
дейнстнвия. Теп лонвя энернгия пронпорнционнальнна тонку I и пенренпанду Т т.е.
принчем dT=|T|dx. Слендонвантельнно (для
на
р- и
п-учанстнках),
Здесь
- средннее
знанченние конэфнфинциненнта Томнсонна для данннонго мантенрианла. В
одннонмернном слунчае
|T|=dT/dx. Тенпнлонвая
мощнность
Конлинченстнвеннное знанченние эфнфекнта Томнсонна втонронстенпеннно.
Эфнфект Зенбенка. В ценпи двух разннонроднных пронводннинков или
понлунпронводннинков, спай и коннцы контонрых именют пенренпад темнпенрантур,
возннинканет эленменнтарнная тернмо-ЭДС
dE=Z(T)dT или ЭДС
принчем средннее знанченние конэфнфинциненнта Зенбенка
Эфнфект обнрантим: еснли сонотнноншенние
занменнить на , то
нанправнленние дейнстнвия Е меннянетнся, т.е. прониснхондит ренверс
понлярннонсти ТЭЭ. Обнрантинмость эфнфекнта Зенбенка сонпронвонжнданетнся
обнрантинмонстью эфнфекнта Пельнтье.
Приннцип ранбонты ТЭЭ. (рис. 1). Киннентинченская энернгия элекнтроннов на
коннце ценпи с вынше, чем на
"хонлоднных" коннцах с Т=Т2 , слендонвантельнно, пренобнланданет дифнфунзия
элекнтроннов от гонрянченго спая к хонлоднным коннцам. коннценнтранция
элекнтроннов в р- и п-ветнвях разнличнна, понэтонму бонлее отнринцантельнный
понтеннцинал понлунчанет коннец тернмонстолнбинка п-тинпа, по отнноншенния к
контонронму коннец столнбинка р-тинпа именет понлонжинтельнный понтеннцинал.
Разнность понтеннцианлов Е=Z(T1-T2) обунславнлинванет ток I ( при занмынканнии
ценпи на сонпронтивнленние Rн нангрузнки) и понлезнную элекнтринченскую
мощнность Ранбонте ТЭГ
сонпутнстнвунют обнрантинмые эфнфекнты.
1.3 Бантанреи тернмонэлекнтринченских эленменнтов
Для понлунченния в ТЭГ ханракнтерннонго нанпрянженния U30 В при ЭДС одннонго
ТЭЭ Е0,10,3 В тренбунетнся понслендонвантельнно сонединнить в бантанрею
принмернно N102 ТЭЭ. при занданнных разнменрах сенченния тернмонстолнбинка и
уровннях тонка I нангрузнки ненобнхондинмое чиснло панралнлельнных ветнвей в
бантанрее опнренденлянетнся плотннонстью тонка J=I/s10 A/см2. Для КЛА
вынполннянютнся бантанреи ТЭГ мощннонстью от единниц до сонтен ватт. В СССР
для станционнарнных и пенрендвижнных АЭУ сознданны РИнТЭГ сенрии "Бента"
мощннонстью до 10 Вт на рандионакнтивнном изонтонпе ценрия 144Се. Плонские и
цинлиннднринченские ванринаннты ТЭГ опнренденлянютнся их комнпонновнкой в
блонке. Каснкаднное сонединненние ТЭГ понзвонлянет понвынсить КПД
пренобнранзонванния энернгии до 0,13. В ценлях уменьншенния удельнной маснсы
ТЭГ разнранбонтанны мнонгонслойнные пленночнные ТЭЭ. преднставнлянет
иннтенрес сознданние в пернспекнтинве ТЭГ в винде экснпенринменнтальнных
ренакнтонров-генненрантонров на банзе иннтенгральннонго иснполнненния ТЭЭ и
тенпнлонвынденляюнщих эленменнтов (ТВЭЛ) из денлянщихнся сонединненний тинпа
сульнфиндов уранна или тонрия, контонрые обнланданют
понлунпронводннинконвынми свойнстнванми.
2. Радиоизотопные источники энергии
2.2 Обнщие свенденния
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 Ч 10 мР/ч3.
Период радиоактивного полураспада стронция-90 (90Sr) Ч 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 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. //лАтомная стратегия,
Санкт-Петербург, N1(6) июнь 2003. Стр. 32.
