687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

Рис. 1.5 – Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительном пункте

аппаратуры. Генераторы снабжены аккумуляторными батареями и устройством контроля заряда и работы устройства. Как указано в таблице 1.3, номинальная мощность генератора составляет 15 Вт. Этой мощности достаточно для питания современных электронных приборов учета расхода и параметров газа. В случае необходимости получения большей мощности или резервирования генераторы допускают каскадное включение.

Таблица 1.3 Технические характеристики ТЭГ-15

Термоэлектрический генератор ГТГ-200. ГТГ-200 (рис. 1.6) является автономным источником электроэнергии, работающим на природном газе, пропане или пропан-бутановой смеси. Применяется для комплектации автономных источников питания мощностью 200…2000 Вт. Высокая мощность определяется применением в нем среднетемпературных термоэлектрических генераторных модулей серии Mars, обеспечивающих выходную мощность до 45 Вт (базовый вариант 40 Вт) и предназначенных для применения совместно с источником тепла с температурой +530 °С и мощностью теплового потока 650

11

Вт. Основные параметры этого генераторного модуля приведены в таблице 1.4, внешний вид на рис. 1.7, нагрузочная характеристика на рис.1. 8.

Рис. 1.6 – Устройство термоэлектрогенератора ГТГ-200

Таблица 1.4 Основные параметры среднетемпературного генераторного модуля серии Mars

Примечание: Ri* — внутреннее сопротивление модуля при Ri = RL, где RL — электрическое сопротивление нагрузки

Гарантийный срок эксплуатации генераторного модуля серии Mars составляет 10 лет.

12

Рис. 1.7 – Среднетемпературный генераторный модуль серии Mars

Рис. 1.8 –Типовая вольт-амперная характеристика генераторного модуля Mars

Для управления работой термоэлектрического генератора ГТГ-200 в составе автономного источника питания применяется блок стабилизации напряжения и управления, предназначенный для:

стабилизации и ограничения зарядного напряжения аккумуляторных батарей;

включения и отключения электромагнитного клапана подачи газа в генератор;

подачи напряжения на высоковольтный блок для электроискрового

«поджига» газовой горелки генератора;

13

контроля вырабатываемой генератором мощности;

обеспечения параллельной работы нескольких генераторов. Условия эксплуатации генератора ГТГ-200:

климатическое исполнение О;

категория размещения 2 по ГОСТ 15150-69;

температура окружающего воздуха –50…+50 °С;

относительная влажность воздуха до 98%.

Основные параметры прибора приведены в таблице1. 5.

Таблица 1.5 Технические параметры ГТГ-200

1.2 Применение радиоизотопных термоэлектрических генераторов

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) – источники автономного электропитания с постоянным напряжением от 7 до 30 В для различной автономной аппаратуры мощностью от нескольких ватт до 80 Вт. Совместно с РИТЭГ используются различные электротехнические устройства, обеспечивающие накопление и преобразование электрической энергии, вырабатываемой генератором. Наиболее широко РИТЭГ используются в качестве источников электропитания навигационных маяков и световых знаков, также как источники питания для радиомаяков и метеостанций [2].

РИТЭГ обычно содержит корпус с теплоотводящим радиатором, тепловой блок с радиоизотопным источником тепла, тепловую изоляцию, термоэлектрический преобразователь, теплопереход между тепловым блоком и термоэлектрическим преобразователем, тепловой шунт с переменным тепловым сопротивлением, термостат с электронным преобразователем напряжения и накопителем, высокотемпературный терморегулятор для термоэлектрического преобразователя и низкотемпературный терморегулятор для термостата в виде тепловых труб с газовыми резервуарами и конденсатор. Конструкции РИТЭГ отличаются между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, параметрами по выходному электрическому напряжению, выходной электрической мощности, массе, габаритам, конструктивными формами и др.

Примером может служить серия радиоизотопных источников типа

14

SNAP-7 (США) с загрузкой изотопом стронция 90Sr: SNAP-7A мощностью 5 Вт и SNAP-7B мощностью 30Вт используются в качестве источников энергии для навигационных маяков, а источники SNAP-7D мощностью 30 Вт – в автоматических метеостанциях, расположенных в удалённых районах (рис. 1.9).

Рис. 1.9 – РИТЭГ на удалённом маяке

В СССР была создана серия изотопных термоэлектрических генераторов «Бета» (мощность порядка 10 Вт), служащих для энергопитания метеорологических станций. Главное действующее лицо в нем – изотоп стронция. Гарантийный срок службы генератора «Бета-С» –10 лет, в течение которых он способен снабжать электрическим током нуждающиеся в нем приборы. А все обслуживание его заключается лишь в профилактических осмотрах – раз в два года (рис. 1.10). Наиболее широко применяется РИТЭГ

Рис. 1.10 – Гарантийное обслуживание РИТЭГ

типа «Бета-М», который был одним из первых изделий, разработанных в конце

15

60х годов прошлого века. В настоящее время в эксплуатации находится около 700 РИТЭГ этого типа. К сожалению, он не имеет сварных соединений и, как показала практика, может быть разобран на месте эксплуатации с использованием обычного слесарного инструмента.

Другой РИТЭГ, выпускаемый в России, с источником тепла на основе стронций-90 «РИТ-90» представляет собой закрытый источник излучения, в котором топливная композиция обычно в форме керамического титаната стронция-90 (SrTiO3) дважды герметизирована аргоно-дуговой сваркой в капсуле. В некоторых РИТЭГах стронций используется в форме стронциевого боросиликатного стекла. Капсула защищена от внешних воздействий толстой оболочкой, 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/ч. 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 в 1 м от РИТ-90. По классификации МАГАТЭ РИТЭГ относятся к 1 классу опасности

(strongest sources, сильнейшие излучатели).

В настоящее время в России имеется около 1 000 радиоизотопных термоэлектрических генераторов, большая часть которых используется как элемент питания световых маяков. Всего было создано около 1 500 РИТЭГ. Около 80% всех изготовленных РИТЭГ было направлено в гидрографические войсковые части Минобороны и гражданские гидрографические базы вдоль Северного морского пути. Срок службы РИТЭГ составляет 10 лет. В настоящее время все РИТЭГ, находящиеся в эксплуатации, выработали свой срок службы и постепенно утилизируются.

Безопасной активности РИТ-90 достигают только через 900-1000 лет. Для высокоэнергоёмких радионуклидных энергетических установок в

качестве топлива применяют плутоний-238. Однако использование в РИТЭГ источников тепла на основе плутония-238 наряду с некоторыми техническими преимуществами требует значительных финансовых затрат, поэтому в последние 10…15 лет не осуществлялась поставка таких РИТЭГ отечественным потребителям для наземных применений.

Таблица 1.6 Радиоактивный элемент РИТ-90

16

США использовали РИТЭГ в основном для космических нужд, но 10 шт. было установлено на удалённых военных объектах в Аляске в 1960 - 70х годах. Однако после того как из-за стихийного пожара в 1992 году один из РИТЭГ оказался под угрозой, ВВС США начали заменять их на дизель-генераторы.

Таблица 1.7 Типы и основные характеристики РИТЭГ отечественного производства

В Канаде на острове Аксель-Хейберг в труднодоступном месте действует атомная метеорологическая станция. Источником энергии для аппаратуры станции служит изотоп стронция (всего 400 граммов), помещенный в специальный трехслойный сплав и защищенный свинцовым экраном. Теплота, образующаяся при радиоактивном распаде стронция, превращается в электрический ток, который питает приборы для измерения температуры, атмосферного давления, скорости и направления ветра. Полученные данные фиксируются самопишущими приборами и передаются по радио с помощью двух транзисторных передатчиков на расстояние свыше 1500 километров. Вся аппаратура смонтирована в стальном цилиндре высотой 2,5 метра, диаметром 0,65 метра и общей массой около тонны.

Таким образом, ядерные источники энергии обеспечивают высокий уровень энергообеспечения в течение продолжительного времени. Но имеют существенные недостатки:

– ограниченный ресурс до 7 лет (в перспективе до 10 лет);

17

–большие массогабаритные характеристики;

–повышенная радиационная опасность при их эксплуатации.

1.3Применение пьезопреобразователей

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п. Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рис. 1.11, где он представлен в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рис. 1.11 – Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании обратного и прямого пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором

18

достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии (рис. 1.12). Пьезоэлемент (ПЭ) – тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рис. 1.12 – Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Таким образом, ПЭ представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема используют электроды, покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации

19

пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W0 = Wм / W0, где W0 - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения различных пьезоэлектриков. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей пластины. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не может быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых, слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50...90%.

Вибрационные энергособиратели одна из самых развитых технологий. Компания AdaptivEnergy (AE) разработала систему Joule-Thief для сбора вибрационной энергии (рис. 1.13 а) с использованием технологии упрочненных ламинированных пьезоэлектриков (рис. 1.13 б). Где энергособиратель захватывает энергию из окружающих источников и

20