Главная » Книги и журналы

1 ... 24 25 26 27 28 29 30 ... 32

- J

I - :

-. i- - ,

- -

Ч

. .1

h

I- - >

В разных странах мира имеют много сходного, но вместе с тем и отличны друг от друга.

Одним из широко известных топливных водородно-кислород-ных элементов высокого давления является элемент Бэкона (США, 1952 r.)i упрощенное схематическое устройство которого показано на рис. 9-4, б. В нем через отверстие / в кожух 2 нагнетается водород под давлением до 56 кг/Ы^, а через отверстие 3 нагнетается кислород. Обратная циркуляция избыточного водорода осуществляется через отверстие 4.

Электрод 5, изготовленный из порошка никелевой окалины с крупными порами (размером до 30 мкм), находится под воздействием газа; от него сделан вывод плюс, к которому подключают сопротивление нагрузки R,. Электрод 6, изготовленный тоже из порошка никелевой окалины, но с мелкими порами (размером до 16 мкм), омывается электролитом: от него сделан вывод минус. В качестве электролита 7 использован 27%-ный раствор едкого кали. Небольшая разность давлений газа и электролита препятствует диффузии электролита в поры газовой поверхности электродов. Поляризация электродов снижена благодаря циркуляции электролита с помощью термосифона 8.

Широкую известность получили топливные элементы Давтяна {СССР, 1947 г.). Схематическое устройство одного из элементов Давтяна показано на рис. 9-4, в. Электрод / состоит из смеси Fefis + Fe; электрод 2 - из смеси РегОз + FcgOi; электролитом служит огнеупорная смесь 5, содержащая NagCOg и обладающая при высокой температуре достаточной ионной проводимостью. Электроды и электролит заключены в герметизированный кожух, через который продувают водород при атмосферном давлении и температуре 550 900 С. При температуре водорода 700° С плотность тока в элементе достигает 20 ма/см при рабочем напряжении 0,8 е. Недо-Щ:: статками этого элемента является малая плотность тока и хрупкость электродов. Усовершенствование этого элемента проводилось в разных странах мира, в том числе в Голландии.

Типичным элементом с твердым топливом является элемент Юсти. К этому типу элементов, сходных с ним, относятся элементы Бишофа, Шпенглера и других, разработанные в разных странах в 1956-1960 гг. Схематическое устройство элемента Юсти показано на рис. 9-4, г. Здесь водород На циркулирует по пространству /, заполненному измельченными окислами металла с переменной валентностью РезО или смесью CugO + CuO. За цилиндрической перегородкой 2, сделанной из керамики, пропитанной карбонатами щелочных металлов, находится отрицательный электрод 5, выполненный из спрессованного графита. Рабочая температура составляет 700-800° С. В сильной мере э. д. с. элемента зависит от скорости циркуляции-Н^,.чистоты графита и размеров его частиц.

В упрощенном виде действие такого элемента сводится к тому, что ионы кислорода, поглощаясь электролитом, образуют с ионами натрия окись натрия. При этом катод получает положительный за-

ряд, так как теряются отрицатель....... арлдо! кислорода. Положительные ионы углерода, соединяясь с ионами кислотного остатка СОз, образуют двуокись углерода СО2, и анод получает отрицательный заряд. Возникшая при этом разность потенциалов между электродами составляет 1,02-1,04 в, а рабочее напряжение ниже 0,8 е.

Топливные элементы, относящиеся к группе редокс-си-с т е м, представляются специалистам более перспективными, чем описанные элементы, благодаря разделению в них химических и токообразующих процессов, позволяющему широко варьировать выбор топлива и окислителей. В таких элементах реакции не связаны с химическим изменением вещества и вызывают только изменение валентности инертных материалов электродов. Схематическое устройство элемента с редокс-системой показано на рис. 9-4, В отрицательном электроде происходит реакция восстановления четырехвалентного олова в двухвалентное. В процессе преобразования электрод приобретает два электрона и заряжается отрицательно. На положительном электроде элемента происходит реакция окисления брома в двухвалентный бром кислородом воздуха и этот электрод приобретает положительный заряд. Олово и бром в этом элементе являются электролитами. Часто олово, которым пропитан отрицательный угольный пористый электрод, называют к а т о л и -том, абром-анолитом. В других элементах с редокс-системой используются другие католиты и анолиты.

Оба электрода элемента разделены ионообменной мембраной, не допускающей смешивания одного электролита с другим, но не препятствующей обмену ионами электролитов.

Процесс токообразования в описываемом элементе сводится к восстановлению высоковалентного анолита и окислению католита. Для непрерывной работы элемента требуется регенерация этих веществ, осуществляемая за счет расходования горючего (уголь или углеводороды) и окислителя (кислород воздуха) в дополнительных резервуарах, показанных на рис. 9-4, д.

Электрохимические процессы описываются следующими уравнениями: при окислении олова Sn * Sn* + 2е\ при регенерации

католита (олова) Sn* - Sn ; восстановление брома Вгз + 2е 2Вг2 регенерация анолита (брома) 2Вг - Вгз.

Описанный элемент редокс-системы работает при комнатной температуре с выделением избыточного тепла, возникающего за счет химических реакций. Э. д. с. элемента составляет около 1,2 в при удельной энергии до 150 вт *ч/кг.

Достоинствами топливных элементов являются бесшумность действия, отсутствие движущихся и вращающихся частей установки, практическая нечувствительность к изменениям температуры среды, высокая экономичность и перспективы дальнейшего прогресса.

§ 9-5. БИОХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Биохимические источники тока (элементы) относятся к топливным, поскольку в них протекают почти такие же окислительно-восстановительные процессы, как и в других электрохимических элементах, в том числе и топливных. Различие элементов заключается в способе получения активного топлива и окислителя. Часто оба или один из активных веществ, необходимых для нормального действия элементов, получаются с помощью бактерий, ферментов, различных углеводородов и углеводов, кислот жирного ряда, мочевины, веществ морской воды, растительных и животных отбросов, которые нельзя использовать даже в обычных теплоэнергетических

установках.

Различают два вида биохимических элементов: косвенного и непосредственного действия. В биохимических

элементах косвенного действия бактерии или ферменты веществ используются для превращения органического топлива в водород и кислород. В элементах непосредственного действия бактерии принимают участие в токообразующем

процессе.

Биохимические элементы не-

Рис. 9-5. Схематическое устройство биологического элемента*

г 1 I

г

л.

посредственного действия наиболее перспективны, поскольку при этом не происходит расходования органических веществ и поэтому не требуется их непрерывного пополнения. Одно из возможных устройств биохимического элемента непосредственного действия схематически показано на рис. 9-5. Здесь в сосуд элемента / со слабым раствором серной кислоты с некоторым количеством сернокислого железа (электролит 7) опущен пассивный электрод 2 из пористого материала, в котором имеется еще один пассивный электрод 5, Сосуд 6 заполнен водным раствором 5, содержащим особый вид бактерий. В этот раствор подается воздух или кислород через патрубок 3.

При взаимодействии раствора серной кислоты с сернокислым железом происходит превращение двухвалентного железа в трехвалентное:

2FeS0

HSO,

Fe2(SO,)3 + H2 + e,

причем этот процесс сопровождается выделением одного электрона.

Освободившийся электрон через пассивный электрод 2, являющийся коллектором электродов, и внешнюю цепь (нагрузку 4) направляется к пассивному электроду 5 в биологическом растворе,

бактерии которого обладают спосио.л.,л.!Ы1и поглощать электроны с образованием молекулы воды за счет присоединения кислорода, поступающего в раствор. В результате по сопротивлению нагрузки протекает ток, величина которого зависит от поглощающей способности бактерий.

§ 9-6. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Термоэлектрические генераторы являются непосредственными преобразователями тепловой энергии в электрическую. Их действие основано на термоэлектрическом эффекте. Для практического использования таких генераторов их применяют в виде батарей термопар, у которых одни концы спаев подогреваются, а другие остаются холодными , как схематически показано на рис. 9-6, а. Каждая термопара может состоять либо из двух различных металлов, либо из двух различных полупроводников, а также из металла и полупроводника.

Действие термопары заключается в том, что при нагревании одних концов спая и охлаждении других, т. е. при разности температур концов термопары, создается разность потенциалов

разность температур концов спая; а

где tx

термо-э. д. с, зависящий от материала термопары; циент, учитывающий эффект Пельтье (Р ct).

(9-11)

коэффициент Р - коэффи-

Возникновение термо-э. д. с. обусловлено тем, что электроны от горячего места спая, где их концентрация велика, передвигаются к холодному месту спая, где их концентрация значительно меньшая. Вместе с передвижением электронов, несущих электрический заряд, происходит также передача тепла от горячих спаев к холодным концам термопары. Такая теплопередача и есть проявление эффекта Пельтье.

Металлические термопары, обладающие значительной теплопроводностью и большой концентрацией электронов, почти не зависящей от температуры, не обеспечивают получение больших значений термо-э. д. с. и их нельзя сильно нагревать. О зависимости термо-э. д. с. и о диапазоне рабочих температур различных металлических термопар: платина - медь (/), платина - железо (2) и медь - железо (5), можно судить по графикам рис. 9-6, б.

В полупроводниковой термопаре возникновение термо-э. д. с. сводится к следующему. В горячем месте спая концентрация носителей зарядов (электронов проводимости и дырок) резко возрастает с повышением температуры. Эти носители зарядов движутся от горячего спая к холодному и их перемещение приводит к тому, что горячий конец /?-полупроводника заряжается отрицательно, а холодный - положительно: в /г-полупроводнике горячий конец спая заряжается положительно, а холодный конец - отрицательно. Термо-э. д. с. обоих концов спаев складывается, и результирующая

I h i

-л' /

- = .4.-.,.

<гк -

. I.

- /

I, 1

, I

. I 1,1 . .

i - h

-X : -

J\., I

V: -

:=-;V--

M

,{: :.

-- hF-

- .

термо-э.д. С. полупроводниковой термопары в десятки раз выше, чем в металлической термопаре-

Развитие термоэлектрогенераторов идет по трем направлениям; обычном топливе, в сочетании с атомными ре-

)(сло9ь(е спаи

Горячие спои

О т 200 S00 Ш SOQ Ч

о

т

т ш mm

о

i2 iSm

Рис. 9-6. Схематическое устройство, конструкция и характеристики термоэлек

трогенератора.

акторами, с приемниками солнечной радиации.

Термоэлектрогенераторы на обычном топливе нашли применение в качестве источников тока для питания маломош^ных радиоустройств с общим к. п. д. около 5%. Та-

кие генераторы производятся промни .. ...хюью СССР и многими другими странами мира. Из серии отечественных термоэлектрогенераторов остановимся, например, на описании конструкции термоэлектрогенератора типа ТГК-3, схематическое устройство которого показано на рис. 9-6, в. Источником тепловой энергии в ТГК-3 служит керосиновая лампа типа молния , используемая одновременно для освещения помещения. Внутри стекла лампы, непосредственно над пламенем, находится нижняя часть теплопередатчика /, имеющего форму многогранной призмы. Чтобы использовать тепло не только лучеиспускания, но и конвекции, теплопередатчик снабжен несколькими продольными каналами 2. По этим каналам горячие газы поступают в вытяжную трубу 5, расположенную над тепло-передатчиком. Все термопары, соединенные в батареи, расположены радиально вокруг нагревателя так, что их наружные спаи примыкают к ребрам радиатора, а внутренние - к горячей стенке нагревателя. Радиаторами служат также ребра-пластины 4.

При нормальном горении лампы температура горячего конца термопары доходит до 380 С, а температура холодного конца не превышает 70-80 С. Расход керосина составляет 60-70 г1ч. Запас керосина в лампе обеспечивает 8 ч непрерывной работы генератора. Вес генератора 3 /сг. *

Термоэлектрогенератор типа ТГК-3 имеет одну батарею термопар с рабочим напряжением 2,0 в при токе нагрузки не больше 2,0 а. Генератор рассчитан на работу с вибропреобразователем напряжения. В отличие от ТГК-3 имеются промышленные типы генераторов с двумя батареями термопар: низкого и высокого напряжений. Две батареи имеются у термоэлектрогенератора типа ТЭГК-2-2. Электрические характеристики генератора приведены на рис. 9-6, гиб*.

§9-7. СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ

Солнечные батареи - условное название устройств, преобразующих лучистую энергию солнца в электрическую. Основу этих преобразователей составляют полупроводниковые фотоэлементы, в том числе с кремниевыми или интерметаллическими соединениями типа Лзбд. Как и в других полупроводниковых приборах, основную роль в процессе преобразования энергии играет п - /7-переход. При отсутствии освещенности суммарный ток через п - /7-переход равен нулю. При освещении полупроводника фотоны лучистой энергии отдают часть своей энергии валентным электронам, поднимая уровень их энергии до величины, необходимой для перехода в зону проводимости. При этом в месте, откуда ушел электрон из заполненной зоны, образуется дырка. Таким образом, действие фотона световой (лучистой) энергии приводит к возникновению парных зарядов электрон - дырка. В результате разности концентраций носителей зарядов в полупроводниках типа п р усиливается движение носителей зарядов и на электродах фотоэлемента возникает фото-э. д. с. Под воздействием возникшей э. д. с. в на-

грузке, включенной в замкнутую внешнюю цепь фотоэлемента, протекает ток, приблизительно пропорциональный интенсивности освещения. В этом случае фотоэлемент действует подобно, например, электрохимическому элементу, преобразуя энергию лучистой энергии в электрическую.

Эффективность действия фотоэлемента зависит в значительной мере от его спектральной характеристики и спектрального состава лучистой энергии. Характерной особенностью кремниевого фотоэлемента является большая чувствительность на большом участке спектральной характеристики излучения солнца, как это видно из рис, 9-7, а. Поскольку максимум чувствительности кремниевого фотоэлемента имеет место на границе видимого и инфракрасного

О го 80 т*с

i:

Рис. 9-7. Характеристики солнечных батарей: а - спектралЬ' ная, б-зависимость фото- э. д. с. от температуры.

/ - спектральная характеристика солнечной радиации: 2 - селено

вого фотоэлемента; 3 - кремниевого фотоэлемента.

-< -

<. - \

>

; у'л'-.

излучения (при длине волны около 0,75 мкм), обеспечивается возможность действия преобразователя даже в облачные дни, так как красная часть спектра лучей почти не поглощается облаками.

На рис. 9-7, б показаны зависимости э. д. с. преобразователя от температуры окружающей среды при различных интенсивностях освещения рабочей поверхности преобразователя (385, 750 и 3750 вт/м^ рабочей поверхности). На основании этих характеристик можно сделать следующие выводы:

возрастание интенсивности освещения рабочей поверхности приводит к увеличению э. д. с. преобразователя;

повышение температуры окружающей среды приводит к пропорциональному уменьшению э. д. с. примерно на 0,5%/град.

Таким образом, работа солнечных батарей в условиях повышенной температуры окружающей среды приводит к заметному снижению э. д. с, изменению внутреннего сопротивления и уменьшению полезной мощности в нагрузке.

Современные солнечные батареи имеют к. п. д. 6-8%, отдают в нагрузку 0,6-0,7 вт/дм освещаемой поверхности. Как правило, солнечные батареи создаются на основе последовательно-параллель-

ного соединения большого числа Например, для

получения напряжения на нагрузке в 5,0 в при токе нагрузки 40 ма требуется 12-14 фотоэлементов.

§ 9-8. АТОМНЫЕ БАТАРЕЙ

Атомными батареями условно называют преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую энергию. Первоначально атомные батареи низкого и высокого напряжения создавались за счет использования радиоактивного распада веш.еств. Эти батареи были маломош^ные. Позднее к атомным батареям стали относить также маломош.ные ядерные реакторы, используемые обычно в сочетании с термоэлектрогенераторами.

В первоначальных конструкциях атомных элементов высокого напряжения за счет использования эффекта радиоактивного распада (рис. 9-8, а) вещество наносилось на внутреннюю поверхность металлического,электрода /. Электроны, излучаемые радиоактивным веществом, попадая на внешний металлический электрод 5, заряжают его отрицательно по отношению к электроду /, от которого сделан внешний вывод 4, Максимальное напряжение, до которого мог быть заряжен элемент, зависит от энергии электронов, излучаемых радиоактивным веществом. Это напряжение могло достигать нескольких десятков киловольт.

Допустимый ток нагрузки элемента высокого напряжения зависит от периода полураспада радиоактивного вещества: чем больше период полураспада, тем меньше допустимый ток нагрузки и тем дольше может служить этот элемент.

Одна из моделей атомной батареи высокого напряжения построена с применением крупинки радиоактивного изотопа стронция-90 активностью 10 милликюри, помещенной в цилиндрическую капсулу из высококачественного полистирена; диаметр капсулы 10 мм, ее длина 20 мм и толщина стенок 0,8 мм. Одним электродом служит проводник, соединяющий крупинку стронция с выводным зажимом, а другим - алюминиевая чашечка, окружающая капсулу и собирающая электроны, излучаемые стронцием. Весь элемент помещен в защитный толстостенньи^ цилиндр, предохраняющий окружающих людей от вредного воздействия радиоактивного излучения. Такая батарея может служить без перезарядки 20-25 лет, т. е. практически время, почти равное периоду полураспада. За это время мощность батареи снизится вдвое, причем падение мощности в нагрузке происходит при неизменном напряжении за счет уменьшения тока.

Если в описанной батарее разомкнуть внешнюю цепь и измерить на ней э. д. с, то она равна 7000 <?. Максимально допустимый ток нагрузки не выше 40 мка.

Несколько отличная конструкция от описанной показана на рис. 9-8, б. Здесь на торце массивного электрода 5 помещен радиоактивный стронций 6, Цилиндр 7, являющийся корпусом прибора,

служит изолятором между электродами 5 и 8. Внутри цилиндра имеется полистиреновая перегородка.

При толщине перегородки 0,5 мм и активности радиоактивного изотопа 25 милликюри начальный допустимый ток нагрузки равен

1,1 -10 а и наибольшее рабочее напряжение 3700 в; при радиоак-

-ГГ. . -

Ll*:

ж.

3 ma

ТИВНОМ препарате в 54 милликюри рабочее напряжение повышается до 6600 в. Существенным недостатком батарей с использованием энергии радиоактивного распада является их малая мощность. При использовании радиоактивного стронция мощность батарей составляет 510 ® вт/кюри; для получения 1 em мощности требуется 200 кюри, В результате этого осуществление подобных батарей практически нереально из-за высокой их стоимости и трудностей защиты от вредного действия. Одним из дальнейших методов увеличения мощности батарей явилась попытка использования явления ионизации газа. Одна из таких батарей схематически показана на рис. 9-8, в. Здесь стеклянный баллон 2 с посеребренными изнутри стенками / наполнен

Рис. 9-8. Схематическое vct-

ройство атомных элементов.

крыптоном-85 под давлением. Ради.,и...i.i..a(H изотоп размещен внутри баллона, укрепленного на крышке латунного цилиндра 5, а пространство между цилиндром и баллоном заполнено порошкообразным токопроводящим материалом 4. Внутренняя токопро-водящая оболочка / соединена с металлическим выводом 5, закрепленным на крышке через изоляционную шайбу 7 металлической шайбой 6,

Слой диэлектрика достаточно тонок (0,2 мм), чтобы через него могли пройти первичные электроны, эмиттированные радиоактивным изотопом. Вторичные электроны, выбитые i-i3 токопроводящего слоя 4, пройти через этот слой не могут, и они создают на стенках цилиндра 3 отрицательный потенциал. Нагрузка включается между стенкой цилиндра 3 и зажимом 5. Батарея развивает напряжение до 10 кв при токе нагрузки до 2 мка.

Значительно более эффективны атомные батареи низкого напряжения, действие которых основано на умножении носителей зарядов в /г р-переходе. Схематическое устройство такой батареи показано на рис. 9-8, г. Радиоактивный стронций / нанесен на одну сторону полупроводниковой пластины 2, на другой стороне которой имеется п - р-переход 5. Быстрые электроны, обладающие большой кинетической энергией, излучаемые радиоактивным стронцием

В процессе его распада, проникают в слои полупроводника, создавая в нем около 2 10 медленных электронов, которые вследствие односторонней проводимости п - р-перехода скапливаются на коллекторе 4, создавая разность потенциалов на границах перехода. Вольт-амперная характеристика такой батареи приведена на рис, 9-8, д.

Схематическое устройство миниатюрной атомной батареи показано на рис. 9-8, е. Эта батарея использовалась для электропитания наручных электрочасов и слуховых аппаратов. В ней радиоактивным веществом служит / - прометий-147, воздействующий на слой фосфора 2, светящегося под воздействием электронной бомбардировки. Свет фосфорного слоя действует на кремниевый фото-элеме?1т 3-4 и вызывает возникновение фото-э. д. с. около 1,0 в при токе нагрузки 2 мка. Срок службы батареи около 3 лет.

Существенным недостатком атомных элементов низкого напряжения является наличие не только Р-частиц, но и сильно проникающих Y-лучей, защита от которых довольно сложна. Тем не менее разработка полупроводниковых батарей с радиоактивными веществами продолжается. Одна из таких батарей схематически показана на рис. 9-9, а. Батарея образована из четырех столбиков полупроводниковых радиоактивных элементов /, соединенных между собой по параллельно-последовательной схеме. Для последовательного соединения элементов примыкающие одна к другой торцовые грани 2 соседних элементов металлизируются (в вакууме напыляется слой меди). Столбики соединяются параллельно друг другу с помощью шин 5, к которым подключена нагрузка 4, Между собой столбики изолированы тонким слоем полимерной пленки 5. В качестве источ-

1 ... 24 25 26 27 28 29 30 ... 32