同位素温差发电机

发电机

放射性同位素温差发电器是将放射性同位素的衰变热利用塞贝克效应直接转换成电能的一种高生存力的致密能源，是月球表面和深太空探测以及偏远地带用电可供选择的最佳电源。塞贝克效应是一种热电效应，在一定温度下，材料本身会产生电势差。

工作原理

“放射性同位素温差发电器”也被叫做“核电池”或“原子能电池”。这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。

一块掺杂过的半导体材料存在温度梯度时，温度高的地方的载流子（电子或空穴）的能量更高，且运动速度更快。高温区与相对低温区内载流子运动速度的差异会导致载流子从温度高的区域扩散到温度低的区域。因为载流子是带电的，所以当一定数量的载流子扩散之后，半导体温度梯度存在区域会形成由载流子扩散产生的电场。并且该电场会阻止载流子进一步的扩散，因此当温度梯度一定时，经过一段时间（与载流子扩散速度有关）后，该电场也将稳定存在。宏观来看，当掺杂过的半导体热的一面与冷的一面存在温度差时，这两面也会产生正比于温度差的电势－差温差电动势。

放射性同位素温差发电器的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量有两个令人喜爱的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，放射性同位素温差发电器以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了核电池可长期使用。放射性同位素温差发电器采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

放射性同位素温差发电器的核心是换能器。常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小，只是效率颇低，热利用率只有10%～20%，大部分热能被浪费掉。

1.远距离通讯、导航和设备保护

温差电技术性能稳定、无需维护的特点使其在发电和输送电困难的偏远地区发挥着重要的作用, 已用于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站电源、远地自动无线电接收装置和自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等. 世界最大的温差发电机生产商——美国Global Thermoelectric Inc制造的用于管道监控、数据采集、通讯和腐蚀防护的温差发电设备, 输出功率可达5000W. 前苏联从1960年代末开始先后制造了1000多个放射性同位素温差电机, 广泛用于灯塔和导航标志, 平均使用寿命长于10年. 该类型发电机以Sr90为热源, 可稳定提供7~30V, 80W的输出

2.低品位和废热发电

长久以来, 因为受到生产成本和转换效率的限制, 温差电技术的应用一直局限于高科技和军事、航天领域. 最近, 由于化石能源数量的日益减少和化石能源燃烧所引起的环境恶化问题的逼近, 人们意识到利用低品位和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性. 另外, 可供使用的热源的广泛性和廉价性大大增强了温差发电方式的商业竞争性. 我们知道, 发电成本主要由运行成本和设备成本组成. 运行成本取决于转换效率和原料, 设备成本决定于产生额定输出电力的装置. 虽然热电转换模块的成本很高, 但由于利用低品位和废热发电的原料费用极少, 几近为零, 运行成本很低, 因此发电总费用降低, 使得温差发电可与现存发电方式进行商业竞争. 日本开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划, 研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术, 将透平发电机和温差发电机结合起来, 实现不同规模垃圾焚烧热的最大利用, 使垃圾真正成为可供利用的资源. 继日本之后, 2003年11月美国能源部宣布资助太平洋西北国家实验室、密西根技术大学、匹兹堡PPG 工艺有限公司等单位, 重点支持他们在高性能热电转换材料和应用技术方面的开发, 其主要应用对象是工业生产中的尾气热和其他构件中的废热和余热利用.

3.医学应用

在医学上，放射性同位素电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠，以便能放入患者胸腔内长期使用。以前在无法解决能源问题时，人们只能把能源放在体外，但连结体外到体内的管线却成了重要的感染渠道，很是使人头疼。眼下植入人体内的微型核电池以钽铂合金作外壳，内装150毫克钚238的氧化物，整个电池只有 160毫克重，体积仅 18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

发展现状

我国第一个钚－238同位素电池已在中国原子能科学研究院诞生了，同位素电池的研制成功填补了我国长期以来在该研究领域的空白，标志着我国在核电源系统研究上迈出了重要的一步。

同位素电池是利用放射性同位素衰变过程释放的热能，通过热电偶转换成电能，具有尺寸小、重量轻、性能稳定可靠、工作寿命长、环境耐受性好等特点，能为空间及各种特殊、恶劣环境条件下的高空、地面、海上和海底的自动观察站或信号站等提供能源。同位素电池在美、俄等国已实际应用，用于航天器的能源供应。

随着我国空间探测的进一步发展以及未来深空探测的需求，为我国航天器提供稳定、持久的能源已提到议事日程上来，作为迄今为止航天器仪器、设备最理想供电来源的同位素电池成为航天技术进步的重要标志，掌握同位素电池制备的一系列关键技术并具备自主研制生产能力显得尤为重要。2004年，原子能院同位素所承担了“百毫瓦级钚－238同位素电池研制”任务，在两年时间里要完成总体设计和一系列相关工艺研究，研制出样品。

同位素所和协作单位并按制定的研究方案开展了大量的模拟实验、示踪实验、热实验等工作。最终检测表明电池性能完全达到了技术指标要求，辐射防护检测的各项指标均符合国家安全要求。中国第一个钚－238同位素电池诞生了。

我国第一个钚－238同位素电池的研制成功是我国在核电源系统研究领域的重大突破，为继续探索、开发空间能源打下了坚实的基础。

发电机术语

发电机

能把其他能量转变为电能的设备的总称。所产生的电能可以是直流电（DC）也可以是交流电（AC）。

接地

是指电路与大地之间或与某些和大地相通的导电物体之间（有意或意外）的连接。

怠速控制

一种可直接根据电气负载对发动机的怠速进行控制的系统。

点火线圈

为火花塞提供直流电压的器件。

永磁发电机

一种带有永久磁铁的交流发电机，用于产生内燃机点火所需要的电流。

欧姆

电阻的单位。1 伏特电压可以使 1 安培电流流过 1 欧姆电阻。

相位

交流电的振幅或量值均匀、周期性的变化。三相交流电由三个不同的正弦波电流组成，相互之间的相位差均为 120 度。

电源转换系统

该系统可以把您的发电机安全地接入到您的家庭用电系统中。

额定速度

机组的设计工作速度（每分钟转数）。

额定电压

一套引擎发电机组的额定电压是其设计的工作电压值。

后轴承支架

一种铸件，用作转子轴承外罩。转子轴承支持转子轴。

整流器

将交流电转换为直流电的器件。

逆变器

是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。

继电器

一种电动开关，通常用在控制电路中。与电流接触器相比，其触点只能通过较小的电流。

电阻

对电流的阻力。

转子

发电机的转动元件。

单相

一个交流负载或电源，通常情况下，如果是一个负载，则只有两个输入端子，如果是一个电源，则只有两个输出端子。

定子

电机的静止部分。

振动支架

位于发动机或发电机与机架之间的橡胶器件，可以最大限度地减轻振动。

伏特

电动势的单位。把单位电动势恒定地作用在电阻为 1 欧姆的导体上，将产生 1 安培电流。

电压

电位差，单位用伏特表示。

稳压器

该设备通过控制激励转子的直流电量，自动地使发电机电压保持在一个正确值上。

瓦特

电源功率的单位。对于直流电，它等于伏特乘以安培。对于交流电，它等于电压有效值（伏特）乘以电流有效值（安培）乘以功率因数乘以一个常数（其值取决于相数）。1 千瓦－ 1000 瓦特。

绕组

发电机的所有线圈。定子绕组由若干个定子线圈及其互联线路组成。转子绕组由转子磁极上的所有绕组及接线组成。

发电机的种类

发电机的种类有很多种。从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发电机。从产生方式上分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机等。从能源上分为火力发电机、水力发电机等。

发电机的类型

由于一次能源形态的不同，可以制成不同的发电机。利用水利资源和水轮机配合，可以制成水轮发电机；由于水库容量和水头落差高低不同，可以制成容量和转速各异的水轮发电机。利用煤、石油等资源，和锅炉，涡轮蒸汽机配合，可以制成汽轮发电机，这种发电机多为高速电机(3000rpm)。此外还有利用风能、原子能、地热、潮汐等能量的各类发电机。利用柴油、汽油等资源作为能源的柴油、汽油发电机用得比较广泛。此外，由于发电机工作原理不同又分作直流发电机，异步发电机和同步发电机。在广泛使用的大型发电机都是同步发电机。

发展历史

1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机，其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势，并把这种电动势以直流电压形式输出。

1866年，德国的西门子发明了自励式直流发电机。

1869年，比利时的格拉姆制成了环形电枢，发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的，经过反复改进，于1847年得到了3.2KW的输出功率。

1882年，美国的戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机。美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机，但由于爱迪生坚持只搞直流方式，因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1896年，特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

1889年，西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂，1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

在公元1831年，法拉第将一个封闭电路中的导线通过电磁场，导线转动有电流流过电线，法拉第因此了解到电和磁场之间有某种紧密的关连，他建造了第一座发电机原型，其中包括了在磁场中迥转的铜盘，此发电机产生了电力。在此之前，所有的电皆由静电机器和电池所产生，而这二者均无法产生巨大力量。但是，法拉第的发电机终于改变了一切。

发电机包括一个能在二个或二个以上的磁场间迅速旋转的电磁铁，当二个磁场相互交错，就产生了电，由电线从发电机中导出。电子工程师依发电机线绕的方式和磁铁的安排，而获得交流电（AC）或直流电（DC），大部分发电机都是产生交流电，它比直流电更易由传输线作长距离的传送。

学过物理课的人都会记得，英国科学家法拉第于1831 年发现了电磁感应原理。这一在人类社会发展过程中起到重要作用的原理是说：“当磁场的磁力线发生变化时，在其周围的导线中就会感应产生电流。”

法拉第曾煞费苦心，通过研究和反复实验，终于发现了这一影响巨大的科学原理，而且他确信，利用此原理肯定能制造出可以实际发电的发电机。

就在法拉第发现电磁感应原理的第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。

皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U 形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N 极和S 极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁力线发生了变化，结果在线圈导线中就产生了电流。

由这种发电机的装置可以知道，每当磁铁旋转半圈时，线圈所对应的磁铁的磁极就改变一次，从而使电流的方向也跟着改变一次。为了改变这种情况，使电流方向保持不变，皮克希想出了一个巧妙的办法：在磁铁的旋转轴上加装两片相互隔开成圆筒状的金属片，由线圈引出的两条线头，经弹簧片分别与两个金属片相接触。另外，再用两根导线与两个金属片接触，以引出电流。这个装置，就叫做整流子，在后来的发电机上仍得到应用。

整流子为什么能保持电流方向不变呢？这是因为电流从线圈流入整流子，而整流子是和磁铁一起旋转的。当磁铁转过半圈，线圈中电流方向倒逆过来，整流子也正好转过半周来而掉转了方向，因而输出的电流方向始终是不变的。

皮克希发明的这种发电机在世界上是首创，当然也有其不足之处。需要对它进行改进的地方，一是转动磁铁不如转动线圈更为方便灵活；二是通过整流子可以得到定向的电流，但是电流强弱还是不断变化的。为改变这种情况，人们采用增加一些磁铁和线圈数量，并稍微错开地将变化的电流一起引出的办法，使输出电流的强度变化控制在一定的范围内。

从皮克希发明发电机后的30 多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，但成果不大，始终未能研制出能输出像电池那样大的电流，而且可供实用的发电机。

1867 年，德国发明家韦纳·冯·西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁（即永久磁铁），而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。

西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。接着，西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机，它能产生皮克发电机所远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作为实用发电机被广泛应用起来。

西门子的新型发电机问世后不久，意大利物理学家帕其努悌于1865 年发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。

实际上，帕斯努悌早在1860 年就提出了发电机电枢的设想，但未能引起的人们的注意。1865 年，他又在一本杂志上发表了这一独创性的见解，仍未得到社会的公认。

到了1869 年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，看到了帕其努悌发表的文章，认为这一发明有其优越性。于是，他就根据帕其努悌的设计方案，兼采纳了西门子的电磁铁式发电机原理进行研制，于1870 年制成了性能优良的发电机。

在帕其努悌的发明中，对发电机的整流子部分进行了重要改进，使发电机发出的电流强度变化极小。而采用帕其努悌设计方案制成的古拉姆式发电机，其发出的电流强度变化也很小。这是古拉姆发电机的优良性能的表现之一。

古拉姆发电机的性能好，所以销路很广，他不仅发了财，而且被人们誉为“发电机之父”。

有些人看到古拉姆发明发电机获得成功，也想对发电机进行改进从而制造出更先进的发电机。在这些人中，就有德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了古拉姆发电机不同的线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。

古拉姆发电机的电枢是将铁丝绕成环状，在环与环之间夹上纸进行绝缘，然后将环捆在一起作为铁芯，在其上面绕上导线线圈，再由线圈的不同部位引出一些导线，接向带整流子。而阿特涅发电机的电枢，是用许多薄圆铁板以纸绝缘后重叠起来，制成铁芯，然后在上面绕上导线线圈。人们把这种方法叫做“鼓卷”，意思是像鼓一样的形状。经过这种改进后，发电机无论是外观或是性能，都比原来有了很大起色。

西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。

随着发电机的逐渐大型化，转动发电机的动力也发生了变化。其中以水力作动力更使人们感兴趣。这是因为用水力转动大型发电机较方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西门子公司又投入水力发电的研究工作。

利用水力发电与水力发电不同，前者必须将发电机安装在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。这样，就必须在山中河川的上游发电，然后再输送到远方的城市。

为了远距离输送电，就要架设很长的输电线。但是，在输电线中通过很强的电流时，电线就要发热，这样，好不容易发出的电能在送向远方的途中，却因为电线发热而损耗掉了。

为了减少电能在长距离输送中的发热损耗，可以采用的办法有两个：一是增加电压的截面积，即将电线加粗，减小电阻；二是提高电压而减小电流。

前一个措施因需要大量的金属导线，而且架设很粗的导线有很多困难，因而很难得到采用。比较起来，还是后一个措施有实用价值。然而，对于当时使用的直流电来说，使其电压提高或降低都是难以实现的。于是，人们只得开始考虑利用电压很容易改变的交流电。

看来，将直流发电机改为交流电发电机比较容易，主要是取掉整流子就行了。所以，西门子公司的阿特涅便于1873 年发明了交流发电机。此后，对交流发电机的研究工作便盛行起来，从而使这种发电机得到了迅速的发展

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