microbik.ru
  1 ... 6 7 8 9 10

Рис.5.6. Схема термоэлектрического элемента из полупроводников n - и р - типа:

1 - холодный спай; 2 - горячий спай
В ТЭГ одновременно используют полупроводники двух типов - n и р. На рис.5.6 показана термопара, образованная из полупроводников n - и р - типа. В обеих ветвях термопары носители зарядов перемещают­ся от горячего спая к холодному. Поскольку за положительное нап­равление электрического тока принимается направление движения по­ложительного заряда, то направления токов в ветвях схемы совпадают (показаны стрелками на рис.5.6). Чтобы получить значительные вели­чины ЭДС, полупроводниковый ТЭГ необходимо выполнить из множества последовательно соединенных термопар, каждая из которых состоит из полупроводников п- и р-типа (рис. 5.7).



Рис.5.7. Схема полупроводниковой термоэлектрической батареи:

1 - горячий конец; 2 - холодные концы
Свойства полупроводников зависят от температуры. Для каждого их вида существуют сравнительно узкие границы оптимальных темпера­тур. В то же время величина термо - ЭДС прямо пропорциональна раз­ности температур. Следовательно, для получения больших ее значений необходимо использовать высокие температуры. Созданы полупроводни­ки для работы при температуре 535°С. Однако для эффективной работы промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести до величины примерно 1100°С.



Рис.5.8. Устройство ТЭГ:

а - на ядерном топливе; б - на делящихся полупроводниковых элемен­тах; 1 – охладитель; 2 - ядерное горючее; 3 – изоляторы
В настоящее время широко ведутся исследования по созданию по­лупроводников, работавших при высоких температурах. Для подогрева горячих спаев может быть использовано тепло, получаемое в реакто­рах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае тре­буется решение ряда проблем, в частности выявление эффекта сильно­го радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с ними (рис.5.8,а). Термоэлектрическая батарея может быть создана из делящихся тепловыделяющих термоэлементов, обладающих свойствами полупроводников (рис.5.8,б), например, из таких, как сульфиды ура­на и тория. В типичном энергетическом ядерном реакторе находится 40-50 тыс. ТВЭЛ. Если в каждый встроить термобатарею, вырабатываю­щую ток с напряжением 1 В, то можно, последовательно соединяя эти батареи, получить напряжение, измеряемое многими тысячами вольт.
5.4. Радиоизотопные источники энергии
Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделе­нием кинетической энергии частиц и  - квантов. Эта энергия погло­щается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превращается в тепло, которое можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энер­гию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами. Радиоизотопные термогенераторы достаточно надежны в работе, обладают большим сроком службы, компактны и могут успешно использоваться в качестве автономных источников энергии для раз­личных установок космического и наземного базирования. 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. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт. В перспективе радиоизотопные термогенераторы предполагается широко использовать в медицине для создания искусственного сердца, а также для стиму­лирования работы различных органов в живых организмах.

Специфическая особенность радиоизотопных генераторов состоит в необходимости предусматривать надежную радиационную защиту от непрерывных  -,  - и  - излучений, под которой понимается не только защита персонала, но и учет возможных аварийных ситуаций в различных условиях работы.

Уменьшение интенсивности излучения со временем нежелательно. Поэтому в качестве радиоизотопного топлива используют изотопы с периодом полураспада намного большим, чем продолжительность работы генератора (например, плутоний 239Р и стронций 90Sr). Тепло, выде­ляемое при распаде топлива, должно непрерывно отводиться, что обусловлено непрерывностью процесса распада. Радиоизотопные гене­раторы, применяемые на космических аппаратах, обычно работают по принципу использования энергии излучения для нагрева горячих спаев термопар, в которых происходит превращение тепловой энергии в электрическую.
5.5. Электрохимические методы преобразования энергии
В электрохимических генераторах (электрических батареях) про­исходит прямое преобразование химической энергии в электрическую.



Рис.5.9. Электрохимический элемент:

1 - анод; 2 – катод; 3 - пористая мембрана; 4 – электролит; 5 – нагрузка
В электрохимическом элементе (рис.5.9) на одном из электродов 1 (аноде) вещество, служащее топливом, отдает электроны, а на вто­ром электроде 2 (катоде) происходит восстановление (поглощение) электронов веществом - окислителем. Между электродами находится электролит 4, обеспечивающий перемещение ионов от одного электрода к другому; перенос электронов между электродами осуществляется по внешней цепи.

Электрической батареей называется комбинация включенных параллельно или последовательно двух или более электрохимических элементов. Батареи являются удобными накопителями энергии, которые в течение короткого периода времени могут поддерживать довольно большой ток при сравнительно стабильном напряжении. Они отличаются компактностью, просты в эксплуатации и практически не загрязняют окружающую среду. Тип батареи для конкретных условий работы выби­рается по следующим показателям: количеству запасаемой энергии на единицу массы, мощности на единицу массы, номинальному напряжению, дефицитности используемых материалов.

Рассмотрим принцип работы электрической батареи. Еще в XIX в. Фарадеем было показано, что при прохождении электрического заряда, равного F = 9.6485104 Кл, через электрохимический элемент на аноде выделяется 1 грамм - молекула вещества (величина

F называется числом Фарадея). Это можно записать следующим образом:

(5.1)

где А - выделившееся количество вещества, г ; I - ток А; t - время работы, с; W - молекулярная масса вещества; n - валентность.

ЭДС, создаваемая парой электродов при разомкнутой внешней це­пи, равна алгебраической разности ЭДС материалов анода и катода, измеренной по отношению к водородному электроду:
(5.2)

Водородный электрод представляет собой пластину из платиновой черни, у поверхности которой барботирует водород при атмосферном давлении.

ЭДС в элементе при нагрузке отличается от ЭДС разомкнутой це­пи в основном из-за наличия у элемента внутреннего сопротивления. К снижению рабочего напряжения электрохимического элемента приво­дит поляризация. Оба эти явления увеличивают и потери энергии в элементе. В табл.5.1 приведены характеристики невосстанавливаемых электрохимических источников тока (электрических батарей), а в табл.5.2 - восстанавливаемых электрохимических источников тока (аккумуляторов).

Наиболее распространенным типом восстанавливаемых электрохи­мических элементов является свинцовый (кислотный) аккумулятор, ко­торый широко используется в автомобилях. Анодом в этом аккумулято­ре является пористый свинец, а катодом - набор сеток, заполненных

перекисью свинца (PbO2). Электролитом служит слабо концентрирован­ная серная кислота. При разряде аккумулятора протекают реакции:

на аноде:

Pb + H2SO4  PbSO4 + 2e- + 2H+ (5.3)

на катоде:

2PbO2 + 2H2SO4 + 2e-  2PbSO4 + 2H20 + O22- (5.4)

Таблица 5.1


Элемент

Напряжение х.х., В

Среднее рабочее напряжение, В

Удельный энергозапас

(при малых токах)

Срок хранения,

лет

Рабочий интервал температур

°C

Вт*ч/кг

Вт*ч/м3

Воздушный

1,5

1,25

315

8,54

5

4,4-60

Щелочной

1,52

1,25

213

14,63

2

-40-60

Идиевый

1,37

1,15

112

7,93

1-3

-29-88

Элемент Лекланше

1,5-1,65

1,25

210

13,41

1

-18-49

Хлоридсеребряно-

магниевый

1,6

1,3

194

11,59

-

-2,2-29

Серебряно-цинковый

1,86

1,5

315

17,68

3

-29-71

С твердым электротитом

0,69

-

7,3

-

20

-54-77

Таблица 5.2

Тип

Напряжение х.х., В

Среднее рабочее напряжение, В

Удельный энергозапас

(при малых токах)

Число циклов зарядки

Потеря заряда,

% /мес.

Вт*ч/кг

Вт*ч/м3

Железо-никелевый

1,34

1,2

24

0,06

2000

30

Свинцовый (кислотный)

2,14

2,0

33

0,08

300

25

Никель-кадмиевый

1,34

1,2

26

0,06

2000

2

Серебряно-кадмиевый

1,34

1,1

53

0,15

2000

3

Серебряно-цинковый (герметичный)

1,86

1,45

44-100

0,08-0,2

100

3


Аккумулятор может работать до тех пор, пока оба электрода не покроются сульфатом цинка. Восстановление аккумулятора осуществля­ется его зарядкой, при которой направления рассмотренных реакций меняют знак. Источник электронов при зарядке - внешняя сеть. К со­жалению, регенерируемые при зарядке свинец и перекись свинца не распределяются в первоначальном виде, и это приводит к нарушению конструкции аккумулятора после серии циклов зарядки и разряда. При разряде часть ионов Н+ и 0- рекомбинирует на соответствующих электродах с образованием H2 и О2, поэтому воду приходится перио­дически заменять. Недавно было обнаружено, что небольшие добавки кальция в свинце позволяют эффективно бороться с этим явлением и исключить необходимость смены воды или продувки. Это, в свою оче­редь, позволило перейти к промышленному изготовлению и использова­нию герметичных аккумуляторных батарей.

Свинцовые аккумуляторы тяжелы и громоздки, имеют низкую мощ­ность на единицу массы и малое количество запасаемой энергии на единицу массы (удельную энергию). По сути, они обладают только од­ним преимуществом - низкой себестоимостью.

Таблица 5.3

Система

Температура, °C

Na – S

300

Li – S

400

Li – Cl2

650


Новые разработки направлены на создание батарей с большими удельными запасами энергии, большей удельной мощностью и более ма­логабаритных либо более дешевых. В последние годы исследования концентрировались вокруг электрохимических источников, электродами в которых являются щелочные металлы и галогены (табл.5.3).

Удельный расход вещества у таких аккумуляторов значительно ниже, чем у обычных, следовательно, электрический ток в расчете на 1 кг должен быть значительно большим.

Для эффективного использования новых электрохимических источ­ников потребуется решить ряд проблем. Прежде всего - выбор элект­ролита. Он должен обеспечивать ионообмен между электродами и не оказывать иных воздействий на работу элемента. Электролиты на ос­нове водных растворов, используемые в большинстве невосстанавлива­ющихся электрохимических элементов, бурно реагируют со щелочными металлами, но слабо растворяют галогены. Поэтому необходимо подоб­рать не содержащее воду вещество, обладающее малым сопротивлением при перемещении ионов материала электродов и высоким - при пе­ремещении электронов. Имеются две такие возможности.

1. В качестве электролита применять соль, получаемую комбина­цией ионов электродов. Для увеличения ионной проводимости ее необ­ходимо использовать в расплавленном состоянии при высокой темпера­туре. Для хлорлитиевого электрохимического элемента протекают сле­дующие реакции:

на аноде

(5.5)
на катоде

(5.6)

Для обеспечения достаточно высокой подвижности ионов в элект­ролите рабочие температуры должны быть выше 650°С.

2. Использовать твердые электролиты. Некоторые окислы из-за особенностей их кристаллической структуры при высоких температурах обладают очень хорошей анионной проводимостью. Примером таких окислов является бета-глинозем. Было установлено, что кристалли­ческая структура бета-глинозема представляет собой отдельные крис­таллические площадки, слабо связанные друг с другом, как в графи­те. Зазоры между кристаллическими площадками, по-видимому, обеспечивают свободное перемещение ионов щелочного металла внутри кристалла. Проводимость возрастает, если в глиноземе. Имеется при­месь щелочного металла, например натрия.





<< предыдущая страница   следующая страница >>