ИЗОТОПНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ

Изотопные ТЭГ являются в настоящее время наиболее разработанными и широко используемыми установками прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В связи с этим более детально изучены основы их конструирования и они более широко применяются. Изотопные ТЭГ отличаются простотой конструкции, высокой надежностью и значительным сроком службы. Их энергоемкость достигает уже десятков киловатт-часов на 1 кГ веса по сравнению с 200—300 ет-ч/кГ у аккумуляторов и 150—200 ет-ч/кГ у электрохимических генераторов. При этом срок службы двух последних много меньше, чем у изотопных ТЭГ.

При выборе конструкции этих установок необходимо исходить из радиационно-физических свойств изотопа и условий эксплуатации, затем определить наиболее эффективную тепловую схему генератора и рассчитать тепловые потоки, термобатарею и защиту. Определяющими факторами для выбора изотопа являются достаточно большие удельная активность, период полураспада, минимальное содержание примесных радиоактивных изотопов, минимальный выход нейтронного и у-излучений, возможность экономичного получения изотопа в нужных количествах.

Преимущество изотопных источников состоит в их высокой компактности и независимости теплового потока от внешних условий. Основными недостатками следует считать невысокие удельные тепловые потоки и биологическую вредность. Первый недостаток вызывает необходимость изготовления термоэлементов большой высоты для создания требуемого градиента температур. При этом для уменьшения тепловых потерь желательно размещать термобатарею на возможно большой площади источника тепла. С другой стороны, для увеличения плотности теплового потока, что, в свою очередь, приводит к уменьшению высоты термоэлементов и увеличению их удельной полезной мощности, желательно организовать процесс теплопередачи так, чтобы все тепло проходило через возможно меньшую площадь термобатареи. Для этого свободную площадь нагрева необхо­димо окружить надежной тепловой изоляцией. Поскольку тепловые потери все же имеют место, то при выборе конструктивной схемы необходимо искать оптимум между тепловым потоком и тепловыми потерями.

Второй недостаток преодолевается помещением изотопа в оболочки из механически прочных и коррозионностойких материалов, способных сохранять герметичность десятки и сотни лет, окружением всего устройства биологической защитой (что приводит к значительному увеличению веса установки) и выбором изотопа с определенными свойствами. К этим свойствам следует отнести максимальное весовое содержание изотопа в данном химическом соединении, высокую его плотность, высокие температуру плавления, теплопроводность и механическую прочность, слабую растворимость в воде и совместимость с герметизирующей оболочкой.

Успешное решение всех названных проблем позволяет создать изотопные ТЭГ с приемлемыми технико-экономическими показателями, которые могут найти применение для питания различных устройств в море и труднодоступных, отдаленных районах Земли, а также в космических аппаратах.

В Советском Союзе два первых изотопных ТЭГ были созданы с использованием 210Ро и 144Се. В ТЭГ с 210Ро плоская ампула с изотопом помещается между горячими сторонами двух термобатарей, холодные концы которой упираются в корпус- излучатель. Ампула изготовлена в виде прямоугольного параллелепипеда размером 60х60х13 мм. Для обеспечения прочности ампулы в условиях высокого давления (200 ат), создаваемого гелием, образующимся при радиоактивном распаде, температура ее поверхности должна быть не выше 850° С. Температура корпуса-излучателя ограничивается термостойкостью вакуумного уплотнения резиной и не превышает 250° С.

Длина полупроводников 3 см выбрана из учета минимальных электрических потерь в коммутации и тепловых потерь в электроизоляции. Примененный сплав Ge—Si имеет в интервале температур 300—800°С z=0,4-10~3 град. Основные параметры ТЭГ установки: начальная тепловая мощность ампулы — 320 вт; тепловой поток через изоляцию — 49 вт, поверхность излучателя— 900 см2, число термоэлементов при напряжении на внешней нагрузке 1,86 в—18 шт.; к. п. д, ТЭГ 3,5—3,9%, а всей, установки 3—3,3%.

Выбор сплава Ge—Si обусловлен его высокой рабочей температурой (выше 1000°С), низкой упругостью паров, хорошими прочностными свойствами, устойчивостью термоэлектрических, свойств к радиоактивному излучению, малым удельным весом. Каждая термобатарея состоит из 8 последовательно соединенных термоэлементов, укрепленных винтами между двумя металлическими плитами. Горячая плита выполнена из углеродистой стали, а холодная — из меди. Термоэлементы соединяются между собой контактной сваркой молибденовых выводов через никелевую фольгу. Корпус-излучатель одного из вариантов установки выполнен из дюралюминия в виде цилиндра с днищем, снабженным фланцем для вакуумно-плотного соединения с медной крышкой корпуса. Корпус других двух вариантов выполнен- целиком из дюралюминия, что увеличило их жесткость и позволило усилить прижим термобатареи к ампуле тарельчатыми, стальными пружинами. Корпуса установок снабжены отверстиями для заполнения внутреннего объема термоизоляционной засыпкой и для удаления воздуха.

Предварительные испытания с электрическим имитатором показали стабильность характеристик в течение 1000 ч, после чего, установка была заряжена изотопным источником. ТЭГ с 210Ро собирался в течение 50 мин и затем испытывался с измерением напряжения на нагрузке 0,34 ом, температуры горячих сторон термобатареи, температуры корпуса-излучателя и у-фона на расстоянии 0,3 м от источника. Установка значительно снизила свои характеристики, что отчасти произошло вследствие снижения тепловой мощности ампулы.

Дата публикации: 26.04.2012

Похожие записи:

• Тепловое оборудование
• Внедрение технологии термической подготовки на тэс — реальный способ комплексного решения проблем современной теплоэнергетики
• Энергоэффективные системы солнечного горячего водоснабжения
• Информационно-аналитическое обеспечение теплоэнергетических систем
• Технико-экономические и экологические обоснованные методы повышения тепловой мощности систем теплоснабжения
• Разработка методики оценки остаточного ресурса теплоэнергетического оборудования