Термоэлектрические устройства {рис. 9.11)

9.4. Полупроводниковые элементы и батареи

Примечания: I. Расход горючего дан за час работы. 2. Устройства УГМ-1. УГМ-Ю, ТГГ-35 и УГМ-200Т выполнены в виде шкафов.

тивного горючего изотопы строн-ций-90 и иттрий-90, помещенные в герметичной капсуле в вольфрамовом стакане. Пингвин предназначен для автоматической антарктической магнитной вариационной станции, имеет энергоемкость 2,1-10Вт-ч. Бета-С используется для питания автоматической метеостанции, имеет энергоемкость 7-10 Вт-ч, снабжена блоком накопления электрической энергии, позволяющим развивать мощность в импульсном режиме 1 ... 2 кВт, работоспособна в диапазоне температур 213 ...303 К (-60 ... ... -Н30° С), при относительной влажности до 98% и атмосферном давлении не менее 0,023 МПа (170 мм рт. ст.), Эфир-М питает автоматический навигационный радиомаяк АНМР-1, имеет энергоемкость 2,4-10 А-ч, работоспособен в диапазоне температур 233 ... 303 К (-40 ...-Н30° С), при относительной влажности до 98 % и атмосферном давлении не менее 0,05 МПа (300 мм. рт. ст.). Все генераторы этой серии имеют ресурс работы 10 лет при непрерывном режиме работы.

Американские ТЭ устройства SNAP-9A и SNAP-27, предназначенные для работы на космических объектах, не имеют надежной радиационной защиты и поэтому легче устройств типа Пингвин и др Их можно использовать только на беспилотных космических объектах. Значительная доля массы ТЭ ИП радиоизотопного типа приходится на контейнер. Так, например масса ТЭ устройства Бета-С без контейнера всего около 51 кг.

Термоэмиссионные элементы и батареи

Основой работы термоэмиссионных (ТЭМ) ИП является преобразование тепловой энергии в электрическую вследствие эффекта термоэлектронной эмиссии. Сам ТЭМ преобразователь представляет собой, по сути дела, вакуумный или газонаполненный, диод, который преобразует тепловую энергию нагрева катода в электрическую энергию потока электронов (электронного газа). Характеристики этих преобразователей в отличие

от обычных диодов выбраны так, чтобы получить удовлетворительные энергетические показатели. Хотя мощности термоэмиссионных ИП меньше, чем термоэлектрических, они имеют ряд преимуществ по работе при высоких температурах, а также с радиоизотопными нагревателями, что позволяет весьма эффективно использовать их на космических объектах и в других тяжелых условиях работы.

ТЭМ преобразователь конструктивно состоит из трех частей; собственно ТЭМ генератора, устройства подогрева (обычно ядерного или солнечного типа) и системы охлаждения. ТЭМ устройство включает в себя катод (термоэлектронный эмиттер), анод (коллектор) и рабочее вещество в межэлектроднон пространстве. В вакуумном ТЭМ генераторе рабочее вещество - электронный газ , в плазменном или термоионном - смесь атомов, электронов и положительных ионов.

Основные параметры, определяющие работу ТЭМ устройства; температура катода (температура анода должна быть ниже температуры катода, в противном случае согласно второму закону термодинамики не удастся получить на выходе полезную мощность), величина зазора катод-анод, поток выходной энергии. Чем больше разность температур, меньше зазор и выше Pj, тем лучше энергетические показатели ТЭМ ИП. Вакуумные устрой-

Параметры тер.чоэмиссионных устройств

ства работают при d =800 ...1300 К, зазорах 10 мкм и Pg = 1 Вт/см , Т1 = 0,05 ...0,08. Лучшие характеристики у газонаполненных устройств (в-к = 1700 ...2300 К, зазор до 1 мм, Ps = 10 Вт/см-, Т1 ж 0,1). Наиболее перспективны ТЭМ преобразователи высокого давления (д = 2200 К, зазор 100 мкм, Р = = 40 Вт/см2 и т = 0,2). Один термоэлемент развивает напряжение Lbhx 0.7 ...0,8 В и поэтому для повышения напряжения используется последовательное соединение нескольких ТЭМ преобразователей.

Чаще всего используют реакторные, солнечные и газопламенные (аналогичные термоэлектрическим) ТЭМ устройства. При этом наилучшие результаты по энергоемкости получаются во встроенном варианте реакторных ТЭМ (массовая мощность 4,5 кг/кВт), который технологически и компоновочно наиболее сложен, наихудшие - при расположении ТЭМ преобразователей на поверхности активной зоны

(18...26 кг/кВт) и удовлетворительные - при выносном варианте (6 ...16 кг/кВт).

При стабильных потоках солнечной радиации (околоэкваториальные области, космос) и возможности ориентации системы целесообразно использование солнечных ТЭМ устройств, так как отпадает необходимость в громоздких источниках тепла. Одной из проблем создания газопламенных ТЭМ устрой-

Та блица 9.22

Примечания: I. В терноэмиссионном устройстве мощностью 20 Вт масса собственно преобразователя (рис. 9.7) равна 1 кг, масса зеркала и привода 4 кг. 2. Устройство мощностью 360 Вт предназначено для непилотируемых космических объектов и не имеет радиационной защиты. 3. ТЭМ преобразователь мощностью 160 Вт используется в наземной аппаратуре и имеет надежную радиационную защиту. 4. ТЭМ преобразователь мощностью 100 Вт предназначен для работы в подводных условиях и имеет надежную радиационную защиту. 5. СТЭМ ИП на 20 Вт используется в наземных условиях с зеркалом диаметром 500...800 мм. 6. Габариты даны без учета размеров средств защиты.

9.5. ОЦЕНКА И ВЫБОР ИП

Принципы технико-экономической оценки ИП

Все виды ИП - преобразователи энергии. Поэтому их определяющими параметрами являются энергия W или ее поток Р (dW/dl). Задаваясь обобщенными координатами (пространством определяющих параметров) в виде массы т, объема V, поверхности S, заряда q и стоимости С, получаем 10 определяющих обобщенных сил, а именно: массовую Xjji = Wm = dW/дт, объемную Ко = Wo = dW/dV и поверхностную плотности энергии Xs = = Ws = dW/dS, разность потенциалов Е = dWidq, удельную энергию на единицу стоимости = = dW/dC. Аналогично записываются обобщенные силы для мощности; Рт = дР/дт, Р = dP/dV, Ps = дР/dS, напряжения U = = дР/д1, Рст = дР/дС или обратные им соотношения вида Wm = = dm/dW, Wv = dV/dW и т. п.

Для оценки статических характеристик ИП наибольшее распространение получили: энергоемкости W, Wm. Wy; разрядная емкость Qp; динамическая мощность Р; удельные масса и объем, удельные разрядные емкости Q, Q , удельная стоимость Ср = дС/дР, руб/Вт и их производные.

Так как основой ИП чаще всего являются термочувствительные структуры, то в число определяющих параметров приходится вводить температуру, влияние которой показано на рис. 9.5. Из анализа зависимостей (рис. 9.6) видно, сколь нецелесообразно использовать гальванические ИП при больших разрядных токах. На основе этих же зависимостей можно проанализировать технико-экономическую целесообразность использования тех или иных ИП при заданном объеме или массе. Определив объем или массу и мощность ИП по графику рис. 9.2, а и б, можно найти ориентировочную энергоемкость, а по ней и систему ИП. Если ИП работает при низкой температуре, когда отдача падает, то реальные характеристики ИП оценивают по графику рис. 9.5.

Большинство аккумуляторов при разрядных токах в 5...10 раз выше номинального теряют 10 ... ...25% Qp, ГЭ в этих же условиях теряют до 50% Qp. Поэтому для оценки использования химических ИП при больших токах разряда (для ГЭ примерно O.OlQp, для А O.lQp) следует по графику рис. 9.12 оценить снижение реальной отдачи при разряде токами, превышающими в п раз номинальный. При особых требованиях к стабильности напряжения в процессе разряда следует оценивать относительное значение Up = f (Q) по графику рис. 9.12, б.

Одной из важнейших технико-экономических характеристик ИП является отдача ими энергии (по

1 г 3 и 5 5 7 8 9 70 77 П 73 74 п-/р Up, % а

730 720 770 100 90 80

О 70 20 30 40 50 50 70 80 90 р,%

П7р, нг <д/7/

tp,4 С,0/РН

100; 50 80; 40

50; 30

40; 20

го; 10 о

70 72 74 75 78 80годь/ 10- 70 10 10 10 Р,д/п а б

Рис. 9.12. Падение разрядной емкости ИП прн разряде токами в п раз больше номинального (а) и характер разрядных кривых при относительном разряде (б)

Рис. 9.13. Относительная стоимость С, удельные массы Шр и объем up и ресурс работы tp электрохимических генераторов космического назначения (а), допускаемые значения относительной стоимости С и мощности Р для ИП различного назиаче ния (6):

/ - космического, 2 - военного. 3 - для отдельных районов прн допущении повышенной стоимости. 4 - для электрического транспорта (кроме автобусов), 5 - местные энергосистемы. 6 - центральные энергосистемы. 7 - коммерческие автобусы

ств является защита тугоплавкого катода от окисляющего действия продуктов сгорания и среды. Существующие образцы таких устройств при Pg 50 Вт/см обеспечивают мощность 30 ...300 Вт. Данные некоторых характеристик зарубежных ТЭМ ИП приведены в табл. 9.22, а габаритный чертеж солнечного ТЭМ ИП без солнечного концентратора - на рис. 9.11. Целесообразные области использования реакторных ТЭМ ИП - космос (при малой защите от радиации), специальные устройства наземной и подводной РЭА; солнечные ТЭ.М ИП - автономная маломощная РЭА в космосе и наземных условиях (радиобуи, навигационные и связные радиоустройства).

Таблица 9.23

Электродвижущая сила и напряжение некоторых видов источников питания

Удельные разрядные и энергетические характеристики гальванических элементов, аккумуляторов и батарей

Таблица 9.24

Примечание. Напря-жеиия зависят от режима разряда и могут отличаться от указанных в таблице.

сятилетие их относительная стоимость уменьшилась на 40%, а удельная масса Шр и объем сократились с 28 до 7 кг/кВт и с 25 до 4,5 дм/кВт при почти трехкратном (с 3500 до 10 ООО ч) увеличении времени работы ip.

Определяющим фактором экономичности ИП является стоимость их электродов. По зарубежным данным, в зависимости от условий эксплуатации допускается

(рис. 9.13, б) относительное изменение стоимости (С) в пределах 1,5 ...5000. Расчеты показывают, что во многих случаях стоимость передачи энергии в химической форме (в наземных энергетических системах) значительно ниже, чем в электрической. Это является основой разработки водородных энергетических систем с использованием различных типов топливных элементов.

Поиски новых видов ИП объясняются специфическими требованиями к массе, объему и надежности, новыми областями применения (космос, океан), загрязнением окружающей среды, необходимостью повышения удельных характеристик автономных ИП, а также ограничениями по использованию природных видов топлива. Разработаны ГЭ с твердым электролитом и литиевым анодом, они практически не имеют саморазряда, срок службы их 10 ...20 лет. ИП с твердым электролитом целесообразно использовать при малых разрядных токах, например, в биостимуляторах сердца. Такой ГЭ с размерами 17 X 30 мм имеет и = 1,9, i/na = 1,5 В при Qp = 0,75 А-ч. Для использования в ГЭ щелочных металлов, имеющих высокую энергоемкость, разработаны элементы с органическими электролитами. Они имеют э. д. с.

сути дела, к. п. д.). Для ГЭ она равна отношению отданной во внешнюю цепь емкости при разряде к емкости, запасенной активными массами электродов; для А - отношением емкости разряда к емкости заряда; для полупроводниковых ИП - отношением емкости выходной (электрической природы) к затраченной. К. п. д. термоэлементов 0,08 ... 0,1, фотоэлементов - 0,001... ...0,11. атомных батарей-0,001... ...0,25.

Для А целесообразно рассматривать различные виды отдачи : по энергии йр/йз = /рС/рУ/ав4; по емкости Qp/Qs = lthh, по напряжению UU.

Для повышения эксплуатационных характеристик аккумуляторов необходим контроль минимального напряжения (i/ < 1 В губительно для большинства аккумуляторов), использование датчиков давления, визуальных или автоматических сигнализаторов уровня, водородных визуальных (XII, Х13, X15) или автоматических

(Х602) счетчиков количества электричества. Их использование особо необходимо в автоматизированных системах электропитания для необслуживаемой РЭА.

Сводные данные, необходимые при технико-экономическом анализе ИП, даны в табл. 9.23, 9.24. Зависимость Up = f(Q) (рис. 9.12) позволяет оценить относительную стабильность напряжения как в течение всего времени разряда, так и в области 10 ...90% Qp. Для примерной оценки эксплуатационных расходов можно воспользоваться данными табл. 9.25 и 9.26 и примерами выбора ИП (с. 297).

Перспективные ИП

По мере освоения перспективных ИП с улучшенными параметрами происходит их быстрое внедрение в практику. Так например, аппроксимированные характеристики электрохимических генераторов космического назначения (рис. 9.13, а) показывают, что за последнее де-