книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

136

ТЭГ представляет собсю колонку из секций «разрезных колец». В каждой такой секции-полукольце имеются две ветви п-типа и две

ветви p-типа. Две таких секции образуют кольцо, из 23 колец обра­ зуется колонка с отверстием в центре, через которое можно подво­ дить тепло. На наружных концах ветвей ТЭЭЛ находятся пластин­ ки-радиаторы.

Рис. 6.16. ТЭГ с аккумулятором тепла:

/ — р а д и а т о р ; 2 — т е р м о э л е к т р и ч е с к и е м о д у л и ; 3 — и з о л я ц и я ; 4 — с о л н е ч н а я э н е р г и я ; 5 — а к к у м у л я т о р т е п л а с г и д р и д о м л и - т и я .

Испытания в течение 2500 ч проводились при 1200° С на горя­ чей стороне в вакууме 10-5 мм pm. cm. и при разности температур

горячего и холодного спаев около 460—490° С. При этих испыта­ ниях выяснилось, что происходит отжиг зажимов радиаторов, из­ менения изоляционных материалов и некоторые другие, не повли­ явшие на проведение испытаний изменения.

С о л н е ч н ы й Т Э Г с а к к у м у л я т о р о м т е п л а . В 1962 г. в США была начата разработка, а затем изготовлен об­ разец и проведено испытание солнечного ТЭГ с полезной мощностью 10 вт применительно к искусственному спутнику Земли с периодом обращения 90 мин, получающему тепло от Солнца в течение 55 мин.

Модель этого ТЭГ, показанная на рис. 6.16, отличалась наличием аккумулятора тепла для непрерывной подачи электроэнергии в те­ чение 90 мин [31]. Солнечные лучи, фокусируемые зеркалом диа­ метром 1,5 м, концентрируется в средней полости ТЭГ, образован-

137

ной в контейнере с гидридом лития. Наружная сторона контейнера соприкасается с горячими концами термоэлементов. Холодные кон­ цы термоэлементов примыкают к наружному кожуху, являющемуся охлаждающим радиатором. Основные характеристики этого ТЭГ:

с помощью концентратора солнечных лучей плавится аккумулирую­ щий тепло гидрид лития; одновременно солнечное тепло исполь­ зуется для нагревания горячих спаев ТЭЭЛ. На затененной части

кремний, гидрид лития, окись кальция—окись магния, окись берил­ лия —■окись магния и др.

Гидрид лития был применен как обладающий большой теплотой плавления (648,8 ккал/кг). Он помещен в контейнер из специального

подобранного материала, устойчивого против коррозии, а также снабженный покрытием, предотвращающим утечку водорода. В кон­ тейнере имелись устройства из гофрированного молибдена для ком­ пенсации 30% изменения объема гидрида при нагреве, а также для улучшения передачи тепла через гидрид лития, имеющий низкую теплопроводность. При отработке технологии заполнения гидридом лития контейнера выяснилась необходимость принятия мер по очистке гидрида от кислорода, так как в контейнере образовы­ вались пустоты и обнаруживалось до 8% окиси лития. Применялась изоляционная прокладка между горячими спаями термоэлементов я аккумулятором тепла, которая подбиралась опытным путем. Ра*- диатор для отвода тепла сделан из бериллиевой бронзы.

138

ТЭГ проработал на испытаниях около 1000 ч, было проведено

более 500 термических циклов, после чего температура чрезмерно повысилась и генератор разрушился. К концу этого испытания мощность ТЭГ снизилась на 15% начального уровня. Колебания мощности ТЭГ в течение 90-минутного цикла (включая 35 мин

охлаждения) составили около 7% среднего значения.

По оценке авторов конструкции, для такой системы термоэлект­ рического генератора может быть получена мощность в пределах 5—75 вт на 1 кГ веса ТЭГ при эффективности установки 5%. Подобный солнечный ТЭГ с аккумулятором тепла мощностью 14 вт был запущен на орбиту на спутнике с периодом обращения 90 мин, из которых 55 мин последний находился на освещенной Солнцем

стороне. Аккумулятор тепла изготовлен из гидрида лития, а

ТЭЭЛ—из 0,95 G eT e+0,05 BiTe и РЬТе + 0,1% Bi. Этот ТЭГ на орбите работал с отклонением от средней мощности ± 7% , к. п. д. ТЭЭЛ достигал 3,5% [32].

§ 6.7

ТЭГ с некоторыми другими источниками тепла

Возможность использования других источников тепла как с большим, так и с малым перепадом температуры для получения электроэнергии с помощью ТЭЭЛ (геотермальные воды, тепло чело­ веческого тела, отработанные газы ракетных установок и т. п.) нашла свою реализацию в ряде своеобразных конструкций ТЭГ. Для них наиболее подходящифгермоэлектрические материалы с вы­ сокой добротностью при низких температурах. К таким материалам можно отнести теллурид свинца с добавкой 0,1% натрия, доброт­ ность которого равна 0,8 -10“3 (град)'1 при 200° С и 1,4-10-3 (град)-1

при 0° С.

Большое практическое значение может иметь использование тепла геотермальных вод. Созданы экспериментальные образцы ТЭГ, пригодные для использования тепла природных горячих источников. Недостаточно высокая тепловая экономичность такой термоэлектрической геотермальной электростанции может быть скомпенсирована простотой и надежностью ТЭГ, способностью ра­ ботать без обслуживающего персонала.

Тепло человеческого тела также может быть использовано для создания разности температур между горячим и холодным спаями ТЭЭЛ. Такие ТЭГ из хороших ТЭМ способны обеспечить получение мощности 0,01 вт и более, если перепад температуры порядка

40—50° С. В частности, к таким устройствам относится ТЭГ, запа­ тентованный в ЧССР. Несколько десятков миниатюрных ТЭЭЛ образуют гибкий браслет, надеваемый на запястье руки. Такой ТЭГ может обеспечить питание транзисторного приемника и пере­ датчика, в особенности в районах с холодным климатом.

139

Другой пример устройств этого типа — японский полупровод­ никовый радиоприемник, не нуждающийся в гальванических бата­ реях или аккумуляторах. Здесь имеется термоэлектрическое уст­ ройство, которое дает необходимый электрический ток, если термо­ пластинку надеть на руку.

Для армии в США разработаны конструкции ТЭГ, основанные на нагреве горячего спая отработанными газами ракетных двига­ телей, а также на нагреве при повторном входе аппарата в атмо­ сферу [33, 34]. Вариант такого ТЭГ описан ниже.

На одну из поверхностей алундовой пластинки (96% А120 3) размером 100—130 мм нанесен слой платины, несколько перекры-

1

Рис. 6.17. Тонкопленочная батарея из пяти ТЭЭЛ:

/ — г о р я ч и е с п а и ; 2 — х о л о д н ы е с п а и ; 3 — н а п ы л е н н а я п л е н к а п- и л и р - т и п а ; 4 — п р и п а я н н ы й п р о в о д н и к ; 5 — с т е к л я н н а я п о д л о ж к а .

вающий вторую поверхность, покрытую слоем легированной окиси никеля (с добавкой лития) толщиной 0,38 мм. Слои платины и

окиси никеля на пластинке надрезали алмазной пилой (толщина пилы 0,15 мм) таким образом, чтобы получилось 100 спаев ТЭЭЛ

из окиси никеля с платиной, соединенных последовательно. Весь ТЭГ состоял из 14 указанных пластинок, соединенных керамиче­ скими болтами. Объем батареи был около 330 см3. ТЭДС этого ТЭГ составляла 100 в. Такие оксидные ТЭЭЛ пригодны лишь в случаях,

когда надо получить высокую ТЭДС и важна стойкость ТЭЭЛ в окислительной атмосфере.

При измерении больших токов в качестве датчиков повышения температуры, когда требуется очень небольшая мощность генератора электрического тока (порядка 10_3— 10-6 вт), можно применять

пленочные термоэлектрические генераторы, для изготовления ко­ торых используется вакуумное испарение и осаждение пленки на подложку.

На рис. 6.17 показана схема такого ТЭГ с пятью термоэлемента­ ми общей мощностью около Ы 0 _6 вт [35].

Генераторы действовали по 100 ч без заметного изменения ха­

рактеристик. Материалом ветвей были сплавы теллура с сурьмой и висмутом, висмута с селеном и легирующими примесями при

140.

Г Л А В А 7

РАДИОИЗОТОПНЫЕ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

§ 7.1

Радиоизотопная энергетика

Попытки использовать энергию радиоактивного распада сво­ дились к созданию ядерных батарей, принцип действия которых основан на разделении и сборе зарядов без использования тепловой энергии. За последние годы разработано три основных типа ядер­ ных батарей.

Первый из них основан на генерации электрической энергии

в результате работы, совершаемой продуктами радиоактивного рас­ пада (заряженными частицами) против сил электрического поля. Электрическая энергия в таком устройстве получается непосредст­ венно, без преобразования других видов энергии. По конструкции эти батареи представляют собой две концентрические или парал­ лельные поверхности, разделенные зазором, который может быть или отвакуумирован, или заполнен диэлектриком. Одна из поверхно­ стей, на которую наносится радиоактивный изотоп, служит излу­ чателем, а другая — коллектором. Электроны, испускаемые излу­ чателем, собираются на коллекторе и заряжают его отрицательно по отношению к излучателю. Максимальная разность потенциалов на электродах ограничивается энергией заряженных частиц и обыч­ но достигает нескольких киловольт. Сила тока батареи зависит от интенсивности радиоактивного источника.

Второй тип ядерных батарей основан на способности заряжен­

ных частиц и у-квантов, испускаемых радиоактивными изотопами, создавать вторичные эффекты в веществе. Некоторые из этих эф­

фектов можно использовать для получения электрического поля. Например, при облучении полупроводниковых материалов в них образуются отрицательные (электроны) и положительные (дырки)

носители тока. Кинетическая энергия частиц в этом случае преоб­ разуется в потенциальную энергию разделенных электронно-ды­ рочных пар. По принципу действия такие устройства аналогичны солнечным элементам, только в этом случае роль солнечного излу­ чения играют р-частицы или у-кванты.

Инаконец, разрабатываются ядерные батареи третьего типа,

вкоторых вторичные эффекты используются для генерации других вторичных эффектов, а эти последние, в свою очередь, дают элект­

рическую энергию. Потенциальные возможности батарей такого типа очень высоки, поскольку существует много комбинаций физи-

142

ческих процессов преобразования с получением электроэнергии. Однако реальные возможности этих батарей мало исследованы. Практические результаты получены только при использовании од­ ного варианта, при котором в результате поглощения заряженных частиц в сцинтилляторе их кинетическая энергия переходит в све­ товую, а последняя в солнечных элементах преобразуется в элект­ ричество.

Современные ядерные батареи характеризуются очень низкими уровнями мощности (микро- и милливатты), поэтому область их использования ограничена. Эти устройства применяются для пи­ тания схем на транзисторах и компенсации утечек в зарядных схе­ мах, для подачи постоянного напряжения на цепи смещения, в ка­ честве эталонных источников тока, источников электроэнергии для часов, для зарядки дозиметров и др.

В начале пятидесятых годов в результате эксплуатации про­ мышленных ядерных реакторов появилось значительное количест­ во продуктов деления и мощность радиоактивных изотопов, пригод­ ных для технических целей, возросла. В это время радиоизотопы начали изучаться не только как излучатели заряженных частиц и у-квантов, но и как источники тепловой энергии.

Радиоактивный распад ядра сопровождается испусканием энер­ гии. Основная доля этой энергии проявляется в виде кинетической энергии заряженных частиц и у-квантов. В результате поглощения излучения окружающей средой кинетическая энергия излучения превращается в тепловую и среда нагревается. Тепло, генерируемое радиоактивным изотопом, с помощью термоэлектрического или других способов может быть преобразовано в электроэнергию. Принцип действия такого генератора аналогичен принципу действия обычной тепловой машины, состоящей из нагревателя, системы пре­ образования энергии и холодильника.

В указанный период возникла необходимость в компактных ис­ точниках энергии с достаточно длительным сроком службы как космического, так и наземного назначений. Тогда же начали раз­ виваться работы по изучению возможности использования для этих целей полупроводниковых материалов и созданию термоэлектри­ ческих устройств.

Разработка первых радиоизотопных термогенераторов («Бета», СНАП-3 и др.) показала, что эти установки настолько надежны в эксплуатации и имеют такие большие возможности улучшения

электрической мощностью от 5 до 100 вт, к. п. д. 3—5% и сроком

службы без замены топлива от трех месяцев до десяти лет. Область применения этих установок непрерывно расширяется: их можно использовать как источники питания для космических и наземных установок, в том числе для автономных средств сигнализации, телеметрической системы передачи метеорологических данных, ли­

143

ний радиосвязи, катодной защиты трубопроводов, источников ре­ зервного и аварийного питания, автоматических морских буев и т. д. Эксплуатация установок типа «Бета» на метеорологических станциях, расположенных в районах Крайнего Севера и Сибири, показала, что в этих районах изотопные генераторы в настоящее время находятся вне конкуренции [1].

Радиоизотопный термогенератор очень удобен для использования в космических аппаратах прежде всего из-за чрезвычайной просто­ ты, надежности и стабильности его работы. На характеристики этой системы не влияют такие факторы, как глубокий вакуум, невесомость, столкновения с микрометеоритами, радиационные поя­ са, солнечные вспышки, перегрузки, характерные для ракетных систем, вращение и потеря устойчивости космического аппарата. Поскольку изотопный термогенератор может работать при высо­ ких значениях теплового потока и температуры, он почти нечувст­ вителен к поглощению и отражению солнечных лучей, к изменениям температуры в соответствии с временем суток на орбите, а также

клокальным изменениям температуры космического аппарата. Солнечные фотоэлементы, конкурирующие с изотопным генера­

тором, весьма чувствительны к космическим условиям и режиму эксплуатации. Химические батареи значительно уступают изотоп­ ным генераторам как по сроку службы (1—2 недели), так и по энер­ гоемкости. По американским данным, изотопный термогенератор СНАП-3 мощностью 2,7 вт, весом 2 кГ в течение пятилетнего срока

службы выработал количество электроэнергии, для получения кото­ рого потребовались бы химические батареи весом 3,2 Т (см. далее).

За последнее время началась разработка конструкций изотоп­ ных термогенераторов, предназначенных для питания аппаратуры гидроакустических маяков; устройств для противолодочной оборо­ ны; подводных океанографических установок, оборудованных сей­ смографами, датчиками температуры и солености воды и т. п. Дальнейшие исследования подводного мира могут открыть новые области применения изотопных термогенераторов, где они окажут­ ся единственно возможными источниками энергии.

Кроме того, интерес к изотопным термогенераторам начинают проявлять нефтяная и газовая промышленность, медицина и другие области науки и техники.

Проведены эксперименты, цель которых создать источник энер­ гии для искусственного сердца (насоса), которое сможет выполнять ту же работу, что и данное нам от рождения. В США была сделана уникальная операция собаке: в ее аорту установили изотопный

тока. Плутоний-238 был заключен в металлическую ампулу, соеди­ ненную с горячими спаями термоэлементов, холодные спаи постоянно омываются кровью, при этом температура тела собаки практически не повышалась. Такой генератор мощностью 25 вт на плутонии-238

может работать несколько лет.

144

В настоящее время разрабатываются датчики на радиоизотопах для стимулирования деятельности сердечной мышцы. Такой дат­ чик с термоэлектрогенератором на плутонии-238 мощностью 160— 200 мквт может работать без замены десятки лет. Полагают, что

потребность в подобных источниках составит десятки тысяч штук в год.

Развитие радиоизотопных генераторов идет по пути повышения их мощности и к. п. д. В настоящее время разрабатываются проекты установок на радиоизотопах мощностью до 10 кет.

Новые термоэлектрические материалы позволяют создавать ге­ нераторы с к. п. д. 7— 10% и более. Постоянно растущее производ­ ство радиоактивных изотопов обеспечивает надежную поддержку развитию изотопной энергетики, которое пошло по линии создания тепловых машин, и это направление остается основным.

производится в первую очередь с учетом их физических свойств, таких, как период полураспада, удельная мощность, уровень кине­ тической энергии и тип проникающего излучения. Чрезмерная токсичность и наличие жесткого у-излучения особенно нежелатель­ ны для радиоизотопных источников тепла.

Период полураспада изотопа должен быть не меньше нескольких месяцев (порядка 100 дней). Это определяется сроками изготовле­ ния изотопного топлива, временем его хранения и необходимостью регулирования мощности теплового источника. Верхний предел полураспада в некоторой степени произволен. Его можно принять равным 100 годам, поскольку радиоактивные изотопы с периодом полураспада свыше 100 лет характеризуются очень низкой плот­ ностью тепловыделения и поэтому как источники тепла практи­ чески не используются.

Важный параметр для любого радиоизотопного генератора — удельная мощность. Удельная мощность может быть определена из следующего выражения:

14Б