Теплоэнергетические генераторы и радиоизотопные источники энергии

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: социальная работа реферат, конспект
| Добавил(а) на сайт: Ahvlediani.

Эффект Пельтье. В пограничной плоскости - спае разнородных полупроводников (или металлов) - при протекании тока I поглощается тепло
Qп, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая). Если же направления тока I и этого потока противоположны, Qп происходит от внешнего источника тепла (из нагревателя потребляется дополнительная энергия) либо из внутренних запасов энергии, если внешний источник отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение спая). В замкнутой на сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла Qп извне. На холодных спаях тепло Пельтье выделяется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп необходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устройства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повышении средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае. Тепло Пельтье пропорционально переносимому заряду: [pic] где =(Т) - коэффициент Пельтье [pic]

Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )

[pic] а тепловая мощность

[pic]
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.

Эффект Томсона (Кельвина) . Эффект Томсона относится к объемным
(линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х1,х2) с перепадом Т1-Т20 в случае совпадения направлений тока и градиента [pic] выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных направлениях I и Т тепло Qт поглощается (охлаждение отрезка). Эффект объясняется изменением энергии движущихся электронов при перемещении в область с иным температурным уровнем. При реверсе направления I наблюдается обратимость эффекта Томсона, т.е. перемена экзо- или эндотермического характера теплового действия. Теп ловя энергия пропорциональна току I и перепаду Т т.е. [pic] причем dT=|T|dx. Следовательно (для [pic] на р- и п-участках),

[pic]
Здесь [pic] - среднее значение коэффициента Томсона для данного материала.
В одномерном случае |T|=dT/dx. Тепловая мощность [pic]
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

[pic] причем среднее значение коэффициента Зебека

[pic]
Эффект обратим: если соотношение [pic] заменить на [pic], то направление действия Е меняется, т.е. происходит реверс полярности ТЭЭ. Обратимость эффекта Зебека сопровождается обратимостью эффекта Пельтье.
Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце цепи с [pic] выше, чем на "холодных" концах с Т=Т2 , следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. концентрация электронов в р- и п-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов Е=Z(T1-T2) обуславливает ток I ( при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность [pic] Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.

1.3 Батареи термоэлектрических элементов

Для получения в ТЭГ характерного напряжения U30 В при ЭДС одного ТЭЭ
Е0,10,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N102 ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее определяется плотностью тока J=I/s10 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 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

2. 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.
|[|[pic] |
|p|Радиоизотопные термоэлектрические генераторы |
|i|(ритэги) |
|c| |
|]| |
| | |
| | |
| | |
| | |
| | |
| | |

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.