Ртутно-цинковые элементы (РЦЭ)

Ртутно-цинковые элементы обладают высокой удельной энергией, особенно по объему, большим сроком сохранности. Значение ЭДС у них близко к ЭДС щелочных аккумуляторов. РЦЭ подобно МЦЭ со щелочным электро­литом выполняются в виде дисков (рисунок 15.2). Он состоит из стальной крышки 1, в которую запрессовывается активная масса отрицательного электрода 2 (цинковый порошок, со­держащий 5—10 % ртути) и стального корпуса 3, в кото­ром помещается активная масса положительного электрода 4 (смесь красной окиси ртути и графита). Между активными массами положительного и отрицательного электродов находятся прокладки 6 и 7 с электролитом, в качестве которого используется едкое кали с окисью цинка.

 

Рисунок 15.2 - Устройство ртутно-цинкового элемента:

1 — крышка; 2 — отрицательный электрод;,3 — корпус; 4 -положительный электрод; 5 — резиновое кольцо; 6, 7 — прокладки с электролитом

 

ЭДС РЦЭ равна 1,36 В, причем ее значение почти не зависит от времени хранения и степени разряжения. В СССР были разработаны 20 видов РЦЭ, в таблица 10.2 при5едены их основные данные. Недостатками РЦ элементов являются их высокая стоимость и ухудшение работоспособности при отрицательных температурах. Условия хранения РЦЭ - температура не выше 30°, влажность — не более 85 %. Превышение этих параметров приводит к коррозии электродов и к нарушению изоляции между ними.

В заключение необходимо отметить, что РЦЭ, обладающие самыми высокими удельными объемными характеристиками и постоянством ЭДС, иногда используются в качестве источника опорного напряжения в стабилизаторах напряжения.

Таблица 10.2. Основные данные герметичных ртутно-цинковых элементов (ГОСТ 12537-76)

 

Аккумуляторы

Аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока (ХИТ). Запас химической энергии в них создается во время заряда, который происходит под действием, электрического тока от постороннего источника. Во время заряда материалы, входящие в состав аккумулятора преобразуются в такое состояние, при.котором они могут вступать между собой в химическую реакцию с выделением электрической энергии. Таким образом, аккумуляторы не производят электрическую энергию, они лишь накапливают ее при заряде и расходуют при разряде. Аккумуляторы характеризуются следующими основными параметрами.

ЭДС аккумулятора Е зависит от состава активной массы пластин, от температуры и концентрации электролита. Измерение ЭДС производится вольтметром с R_ВХ > 1000 Ом на 1 В. Поскольку ЭДС заряженного и частично разряженного аккумулятора может быть одинаковой, то по значению ЭДС судить о степени разряженности аккуму­лятора нельзя.

Напряжение аккумулятора — разность потенциалов между положительной и отрицательной пластинами при включенной нагрузке. Напряжение при заряде

U_З=E+I_З r_i

при разряде

U_Р=E+I_Р r_i

где I_З и I_Р — соответственно токи заряда и разряда, А; r_i —внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

Внутреннее сопротивление аккумулятора r_i определяет­ся конструкцией электродов, плотностью электролита, сте­пенью разряженности аккумулятора, окружающей темпе­ратурой, причем у заряженного аккумулятора r_i меньше, чем у разряженного. С понижением температуры увеличи­вается вязкость электролита, замедляется ионный обмен, внутреннее сопротивление возрастает.

Емкость аккумулятора. Различают зарядную и разрядную емкости, которые не равны между собой. 3арядной емкостью Q₃ называется количество электри­чества, поглощенное аккумулятором при его заряде, и опре­деляется выражением

Q₃= I_Зt_З

где I_З — средний ток заряда, A; t_З — время заряда, ч.

Разрядной емкостью Q_Р называется количество электричества, которое может отдать полностью заряжен­ный аккумулятор при данном токе разряда до определенно­го допустимого напряжения

Q_Р= I_Р t_Р,

где I_Р — средний ток при разряде, A; t_Р -время разряда, ч. Коэффициентом отдачи по емкости называют отношение Q_P/Q₃, т.е.

Коэффициентом отдачи по энергии называют отношение W_p/W₃, где W_Р — энергия, отдаваемая источником, а W3 энергия, потребляемая источником, т. е.

где U_P и U₃ — среднее напряжение при разряде и заряде, В.

Саморазрядом аккумулятора называется самопроизвольный процесс уменьшения емкости при разомкнутой цепи нагрузки. Саморазряд оценивается уменьшением емкости за сутки, т.е. , где Q₁, и Q₂ - емкости аккумулятора до и после хранения, А-ч; t_ХР — время хранения аккумулятора, сутки. Как и в гальванических элементах, интенсивность саморазряда зависит от температуры окружающей среды, состава электролита и материала электродов. В зависимости от вида электролита аккумуляторы делятся на кислотные и щелочные.

Кислотные аккумуляторы

Кислотные аккумуляторы благодаря своей дешевизне используются в самых различных областях науки и техники. Однако в средствах связи и в переносной радиоэлектронной аппаратуре они применяются редко, что связано с недостатками и, главным образом, со сложностью ухода и небольшой прочностью. В корпусе кислотного аккумулятора (рисунок 15.3), изготовленном из эбонита или пластмасс помещаются положительные и отрицательные электроды, смонтированные в блоки, причем положительные пластины располагаются между отрицательными пластинами (рисунок 15.3,б), Активной массой положительной пластины является двуокись свинца (РЬО₂), а отрицательной — свиней в раздробленном состоянии (РЬ). Электролитом является водный раствор серной кислоты. Номинальное напряжен кислотного аккумулятора равно 2,0 В. При заряде, который длится 10—12 ч, напряжение на аккумуляторе доводится до 2,6—2,8 В. Признаком конца заряда является повышение напряжения до указанных значений, возросшая плотность электролита и обильное газовыделение. В начале разряда напряжение быстро снижается до 2,2 В.

а)

Рисунок 15.3 - Кислотный аккумулятор в сборе (а) и блок пластин аккумулятора (б):

1 — положительный электрод: 2 — токоотводы; 3 — отрицательный электрод; 4 —

сепаратор; 5 —крышка блока; 6 —корпус; 7 —перемычка; 8 — пробка

 

Следует помнить, что разряжать кислотный аккумулятор до напряжения ниже 1,8 В нельзя, так как в этом случае на отрицательных пластинах образуется трудно растворимый белый налет, происходит сульфатация аккумулятора. По этой причине хранить неработающие, с залитым электролитом аккумуляторы можно только после их заряда. Для предохранения аккумулятора от сульфатации его надо заряжать каждые 30 дней, независимо от оставшейся емкости [31]. Номинальная емкость аккумуляторов указывается для полного разряда в течение 10 ч. Внутреннее сопротивление аккумулятора r_i может быть определено по емкости Q_Р, т.е. r_i=*0,15/ Q_Р. С понижением температуры работоспособность кислотных аккумуляторов ухудшается; с увеличением плотности электролита температурный интервал работы расширяется. Саморазряд данных аккумуляторов считается нормальным, если он не превышает 1 % в сутки или 30 % в месяц. Большое влияние на саморазряд оказывают нежелательные примеси в электролите и электродах. Сохранность кислотных аккумуляторов гораздо меньше, чем у щелочных. В сухом виде кислотные аккумуляторы должны храниться не более года.

Кроме указанных выше недостатков кислотные аккуму­ляторы обладают повышенной чувствительностью к коротким замыканиям и перегрузкам. Следует помнить, что кислотные аккумуляторы нельзя помещать внутри спецаппаратуры, так как испарения аккумулятора портят детали радиоаппаратуры.

Рисунок 15.4 - Щелочной аккумулятор в сборе (а) и электрод с сепаратором (б):

1 — крепящая рама; 2 —корпус ламели; 3 — активная масса; 4— крышка ламели; 5 — сепаратор; 6 — выводы; 7 — пробка

 

Щелочные аккумуляторы.

Указанные выше недостатки кислотных аккумуляторов привели к широкому применению щелочных аккумуляторов. Они просты в обслуживании, их можно быстрее зарядить (4—7 ч вместо 10—12), и располагать их можно в одной упаковке со спецаппаратурой без вреда для нее. Наиболее часто употребляемыми щелочными аккумуляторами являются никель - кадмиевые (НК), никель - железные (НЖ) и серебряно-цинковые (CЦ).

Никель-кадмиевые и никель - железные ламельные аккумуляторы (рисунок 15.4) выпускаются в корпусах из никелированного железа, причем корпус НК аккумуляторов соединен с блоком положительных пластин, а у НЖ аккумуляторов—с блоком отрицательных пластин. Активная масса аккумуляторов помещена в тонкие перфорированные панели — ламели (рисунок 15.4,б), которые впрессовываются в стальную раму электродов. Активная масса отрицательных пластин НК и НЖ аккумуляторов после заряда в основном представляет собой соответственно губчатый кадмий и губ­чатое железо, а после разряда — соответственно гидрат закиси кадмия и гидрат закиси железа. Активной массой положительных пластин как НК, так и НЖ аккумуляторов после заряда является гидрат окиси никеля, а после разря­да — гидрат закиси никеля. В качестве электролита в этих аккумуляторах применяют калиево-литиевый составной электролит (при температуре 19—35 °С) и едкое кали (при температуре -20 … —40 °С), причем НЖ аккумуляторы мож­но эксплуатировать при температуре не ниже —20°С, а НК аккумуляторы — не ниже —40 °С. Электролит раз в год не­обходимо заменять свежим [31].

Кривые разряда и заряда НК и НЖ аккумуляторов при­ведены на рисунке 15.5. Номинальной емкостью аккумуляторов считают такую, какую они отдают при восьмичасовом раз­ряде. Ускоренный разряд соответствует разряду с больши­ми токами, при этом уменьшается напряжение. Номинальное напряжение НК и НЖ аккумуляторов составляет 1,25 В. При заряде аккумуляторов напряжение достигает 1,75— 1,85 В; заряд рекомендуется производить при неизменном токе. Срок годности НК аккумуляторов не менее 8 лет, срок хранения НК аккумуляторов без электролита — 5 лет, а НЖ аккумуляторов—3,5 года, причем следует заметить, что эти сроки намного больше, чем у кислотных аккумуляторов.

Рисунок 15.5 - Кривые заряда и разряда щелочных НК и НЖ аккумуля­торов: 1, 1' — нормальный разряд; 2, 2'— восьмичасовой разряд; 3, 3' — трехчасовой разряд

 

Рисунок 15.6 - Устройство дискового герметичного НК аккумулятора и кривые его заряда (I) и разряда (II):

1 — корпус; 2 — положительный электрод; 3 — крышка; 4 — отрицательный электрод; 5 —сепаратор с электролитом; 6 — изоляционная трубка

 

Никель-кадмиевые безламельные (НКБ) аккумуляторы выполняются со спеченными пластинами электродов и тонкими сепараторами из капрона или винилита, что уменьшает их внутреннее сопротивление, объем и массу, удельные характеристики при этом улучшаются почти вдвое по сравнению с ламельными НК аккумуляторами. Однако по механической прочности и сроку службы НКБ аккумуляторы уступают ламельным НК аккумуляторам.

Герметичные НК аккумуляторы весьма удобны в эксплуатации, находят широкое применение, для питания малогабаритных радиоприемников, ламп вспышек и т. п. Промышленностью выпускаются герметичные НК аккумулятор трех разновидностей: дисковые, цилиндрические и прямоугольные в ламельном и безламельном исполнении. На рисунке 10.6 приведены устройство (а) и кривые заряда и разряда дискового герметичного НК аккумулятора (б). В таблице 15.3 приводятся параметры некоторых типов герметичных НК аккумуляторов. Срок службы дисковых аккумуляторов до­стигает 500 циклов заряд — разряд, из которых 200 цик­лов — с сохранением номинальной емкости. Саморазряд этих аккумуляторов приводит к потере емкости за 30 суток на 20—40 % от первоначальной.

 

Таблица 10.3. Основные данные некоторых герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов

Тип	Емкость, Ач	Диаметр. мм	Высота. мм	Масса, г	Примечание
Д-0,1	0,1		7,9		Дисковый
Д-0,25					Дисковый
7Д-0.1	0.1				Батарея напряжением 8,78 В, дисковый

 

 

При эксплуатации герметичных НК аккумуляторов не­обходимо своевременно производить заряд разряженных аккумуляторов и избегать ошибок при выборе резисторов, обеспечивающих поддержание нормального зарядного тока. Серебряно-цинковые аккумуляторы обладают наилучши­ми удельными характеристиками по сравнению с уже известными типами аккумуляторов. Корпус их изготавливается из пластмассы: в качестве электролита используемся хими­чески чистый КОН. В качестве активной массы положи­тельной пластины служит серебро; активная масса отри­цательной пластины — смесь окиси цинка и порошка цинка. Заряд СЦ аккумуляторов производится в течение 6 - 19 ч током, соответствующим 10—20% емкости аккумуля­торов, при напряжении, равном 2,05 В, заряд прекращается. Конечное напряжение разряда 1 В. Достоинствами СЦ аккумуляторов, кроме указанных, являются: большие раз­рядные токи в импульсе при сохранении значительной емкости, стабильность напряжения в течение длительного вре­мени разряда. Недостатки: высокая стоимость, обусловлен­ная серебром, малый срок службы (5—100 циклов заряд — разряд), чувствительность к переразряду и перезаряду.

Рисунок 15.7. Разрядные кривые MЦ элементов с солевым электролитом (а) и РЦ элементов (б)

 

При выборе типа ХИТ определяющим параметром явля­ется значение потребляемого тока. Для определения типа элемента и расчета их количества пользуются разрядными кривыми гальванических элементов (рисунок 15.7), на которых приведена зависимость разрядной емкости Q_Р от разрядно­го тока I_Р при разных значениях напряжения в конце раз­ряда U_K. Значения I_Р и U_K задаются условиями работы по­требителя; эксплуатационные особенности работы аппаратуры определяют длительность работы t_РАБ на каждом из возможных режимов работы аппаратуры. Сумма произведе­ний I_Р t_Р равна необходимой разрядной емкости Q_Р. Исходя из U_K и I_Р находят по разрядным кривым (рисунок 15.7) раз­рядную емкость Q_Р, которую обеспечивает ХИТ. Если ем­кости одного элемента недостаточно для обеспечения условия Q_Р ' > Q_Р, то включают несколько элементов параллель­но. Если один элемент не обеспечивает необходимое значение U_K, то включают элементы последовательно.

Подобным образом определяют тип аккумулятора. Кроме указанных факторов необходимо учитывать следующие параметры ХИТ: удельную энергию и влияние на нее изменения температуры, стоимость, срок службы, саморазразряд, требования к уходу и рекомендуемые области применения [6].

Топливные элементы

В топливных элементах энергия взаимодействия топлива и окислителя непосредственно превращается в электрическую энергию. Топливный элемент состоит из двух пористых электродов, погруженных в раствор едкого кали (электролит). Извне к электродам поступают: с одной стороны - восстановитель (топливо), в качестве которого используется водород, пропан, метан, гидразин, муравьиная кислота, а с другой стороны — окислитель (кислород, хлор, фтор, кислота, воздух) (рисунок 15.8). Топливо под действием окислителя, не выделяя дыма или газа, бесшумно и без пламени сгорает, при этом продукты окисления выводятся из элемента наружу. В результате окисления топлива на электроде окислителя (кислорода О₂) накапливаются ионы, а на электроде восстановителя (водород Н₂)—электроны, что создает разность потенциалов между электродами от 1 до 2 В (в зависимости от типа). Напряжение одного элемента около 1 В, КПД около 70%, удельная мощность по массе 25 Вт/кг, а по объему 50—100 Вт/дм³. Название элемента определяется видом топлива и окислителя (водородно-кислородные, гидразино - воздушные и т. п.).

Поскольку электроды топливного элемента не расходуются, а активные вещества подводятся к элементу извне, то он работает до тех пор, пока не прекратится поступление топлива и окислителя. Выход из строя элемента вызывается разрушением электродов, кото­рое не является следствием реакции окисления, а определяется физико-химическим или механическим воздействием. Удельная энергия по массе топливных элементов весьма вы­сока и доходит до 3000 Вт • ч/кг.

 

Рисунок 15.8 - К принципу работы топливного элемента

 

Для получения необходимых значений напряжения и то­ка топливные элементы соединяют в батареи (последова­тельно или параллельно), которые вместе со вспомогатель­ными системами, необходимыми для нормальной работы топливных элементов, образуют электрохимические генера­торы (ЭХГ). Весьма перспективна совместная работа ЭХГ с батареей аккумуляторов в буферном режиме, поскольку этот комплекс обладает преимуществами ЭХГ (большая удельная энергия) и аккумулятора (большая удельная мощность). Промышленностью изготавливаются ЭХГ мощ­ностью 500 Вт при рабочем напряжении 27 В, удельная энергия их больше, чем у ХИТ, и составляет 300 Вт-ч/кг.

Термохимические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются пря­мыми (непосредственными) преобразователями тепловой энергии в электрическую и представляют собой полностью автономные системы, состоящие из термобатарей, источни­ков тепловой энергии и устройств, которые осуществляют подачу тепла к термобатарее и охлаждение определенных ее элементов. Термобатарея собирается из термоэлементов, последовательно (или параллельно) соединяемых между собой. Практическое применение получили термоэлементы, состоящие из полупроводниковых материалов с разной проводимостью (типа n-p-n).

Рисунок 15.9 - К принципу работы термоэлектрогенератора

 

На рисунок 15.9 приводится схема термобатареи, состоящей из указанных термоэлементов 1 и 2. Коммутационные пластины 3 и 4 соединяют n- и р- ветви термоэлементов, образуя спаи, одни из которых нагреваются и поэтому называются горячими 3, а другие охлаждаются — это так называемые холодные спаи 4. Возникновение термо-ЭДС в полупроводниковом элементе обусловливается термодиффузией носителей. При нагревании горячих спаев вследствие термодиффузии носители зарядов (электроны и дырки) движутся от горячих спаев к холодным и их перемещение приводит к тому, что горячие спаи обедняются носителями, а на холодных спаях концентрация носителей увеличивается. Таким образом, холодный конец р- полупроводника заряжается положительно, а холодный конец полупроводника - отрицательно. Разность потенциалов между концами холодных спаев определяет термо - ЭДС элемента; ЭДС всей термобатареи является суммой термо-ЭДС элементов, составляющих ее. Эта ЭДС реализуется в нагрузке R_Н. В качестве источника тепла на практике используются керосиновые, газовые и другие нагреватели. Отвод тепла от холодных спаев осуществляется обычно с помощью воздушных ребристых радиаторов.

Во многих странах мира созданы многочисленные автономные электроэнергетические установки на базе ТЭГ (мощностью от долей ватта до нескольких десятков киловатт) космического, морского и наземного назначения.

Первый изотопный ТЭГ —ИЗО-ТЭГ («Снап-3В7»), выведенный в космос в 1961 г. на навигационном спутнике США «Транзит 4А», работал более 5 лет. Изотопные ТЭГ конкурентоспособны при мощности, не превышающей 500 Вт; при мощностях более 1 кВт транспортабельным источником первичной энергии является ядерный реактор. Первый в мире реактор — ТЭГ «Ромашка» мощностью 500 Вт —был выполнен в СССР в 1965 г. Для орбитальных станций по программе США «МОРЛ» предполагается использовать реактор-генератор мощностью 6,6 кВт с КПД 2,2%. Разрабатываются проекты реакторных ТЭГ для работы под водой [36].

Отечественной промышленностью выпускаются термогенераторы различных типов, в том числе и следующие: УГМ-200К, УГМ-200Т, мощностью до 200 Вт, в качестве горючего в них используют природный или сжиженный газ. Эти термогенераторы обладают следующими параметрами:

УГМ-200К УГМ.200Т

Расход горючего, кг/ч............................................................1,65 0,85

Габариты, мм............ ………………………………….900x780x700 600x700x700

Маcca, кг...................... …………………………… 200 150

Ресурс, ч....................... ………………………………….. 45000 10000

Время выхода на режим, мин …………………………………………. 90

Стабильность поддержания выходного напряжения, % 10.

Солнечные батареи

Солнечными батареями (СБ) называют устройства, преобразующие лучистую энергию солнца в электрическую. Солнечные батареи на полупроводниковых кремниевых фотоэлементах (ФЭ) успешно используются на отечествен­ных космических аппаратах.

В основе работы кремниевого ФЭ лежит явление внутреннего фотоэффекта. Падающий на поверхность ФЭ (рисунок 15.10) световой поток частично отражается от полупроз­рачного электрода 1 и частично поглощается им. Часть светового потока, прошедшая через электрод 1, поглоща­ется полупроводниковым слоем с n-проводимостью 2, в результате чего возникают пары электрон — дырка. Благода­ря запирающему слою повышается концентрация электро­нов в области с n-проводимостью и концентрация дырок в области с р - проводимостью 3. Между этими областями, являющимися в ФЭ электродами, возникает разность потенциалов, которая зависит от степени освещенности и от свойств полупроводникового материала. При подключении наг между электродами по потечет ток, причем с 1 см², активной площади ФЭ можно получить ток, равный 18 мА.

Рисунок 15.10. К принципу работы полупроводникового кремние­вого фотоэлемента

 

Мощность, получаемая с 1 м² активной площади СБ при прямом солнечном освещении, составляет около 90 Вт, КПД — около 11%. С ростом температуры уменьшается ЭДС фотоэлемента (около 0,5 % на 1 °С), а следовательно, уменьшается и отдаваемая мощность (около 0,3 % на 1°С]- Допустимый предел рабочей температуры равен 100° С, однако при одновременном увеличении освещенности (в несколько раз относительно нормальной) и повышении температуры (до 130 °С) начальные параметры элемента не ухудшаются. Разрабатываемые в последнее время ФЭ из арсенида галлия значительно легче кремниевых, позволяют получить КПД свыше 20%, а также обладают повышенной термостойкостью, сохраняя работоспособность до 300—400°С. Весьма перспективны ФЭ на основе сульфата кадмия, поскольку они могут быть выполнены в виде гибких пленок и имеют относительно небольшую массу.

Солнечные батареи (СБ) космических аппаратов представляют собой комплекс следующих устройств: панели ФЭ, механизмы разворачивания панелей после выхода аппарата на орбиту, система ориентации на солнце панелей с ФЭ, буферные аккумуляторы, преобразователи напряжения и тока.

Жесткие панели ФЭ представляют собой легкие металлические каркасы с натянутой капроновой сеткой, которой крепятся ФЭ и провода токовыводов; панели соединяются шарнирно, образуя так называемую каркасную СБ. Достоинством этих СБ является простота конструкции, а недостатком — большие габариты в сложенном стоянии.

Гибкие панели ФЭ, наиболее приемлемые для большинства космических аппаратов и соответствующих СБ, выполняются на гибкой пластмассовой подложке и выводятся на орбиту в виде рулонов, образуя так называемую рулонную СБ; после выведения СБ может быть развернута с помощью упругих или надувных трубчатых балок, а также с помощью раскрывающихся жестких конструкций [11].

Система ориентации СБ на Солнце, как правило, авто­матическая; в состав ее входят солнечные датчики, логически-преобразующее устройство и электрические приво­ды, управляющие положением СБ.

Буферные аккумуляторные батареи (ББ) обеспечивают снабжение электроэнергией на энергоемких участках полета и во время полета по теневой части орбиты. СБ и ББ работают совместно: если ток СБ больше тока нагрузки, ББ заряжаются, а если меньше, то ББ разряжаются на нагрузку.

Наземные фотоэлектрические установки (ФЭУ) в общем случае состоят из фотоэлектрического генератора (ФЭГ), аккумуляторов и концентраторов энергии, системы охлаждения ФЭ и аппаратуры различного назначения. С учетом особенностей использования солнечного излучения на поверхности Земли, не исключая и водных прост­ранств, разработаны три типа наземных ФЭУ: автоном­ные— работающие совместно с аккумуляторной батареей (АБ); работающие параллельно с сетью (без АБ) и ком­бинированные— работающие с АБ и параллельно с сетью. Автономные ФЭУ используются для малоэнергоемких по­требителей (радиолокация, сигнальные огни, бакены, радиотелефоны, телевизионные приемники и т.п.), а также для объектов средней мощности, удаленных от магистральных систем электроснабжения. Однако наличие АБ (усложняет и удорожает систему, поэтому при наличии магистральной сети ФЭУ средней и большой мощности рационально включать на параллельную работу с сетью; при этом избыточная энергия ФЭУ поступает в сеть, а при ее недостатке потребители питаются от сети. Единичная мощ­ность большей части ФЭГ, изготовляемых в настоящее время, около 100 Вт. В СССР работают более 100 ФЭГ единичной мощностью 500 Вт. В последние годы намети­лась тенденция к строительству ФЭГ большой мощности для электропитания жилых и административных зданий, насосных установок, трубопроводов и т.д. [36].

Массовое применение СБ, т.е. развитие солнечной энергетики, ограничивается большой стоимостью ФЭ, обу­словленной высокой стоимостью изготовления кристаллического кремния, который пока остается самым распространенным полупроводниковым материалом для ФЭ. Поэтому в СССР и за рубежом ведется научный поиск в области совершенствования технологии производства кремния и конструкций ФЭ и СБ с целью снижения их цены. Кроме того, проводятся работы по применению новых видов полупроводниковых материалов с целью повышения КПД фотоэлементов, так как КПД промышленных кремниевых ФЭ составляет лишь 15%. Повышению КПД способствует применение концентраторов солнечной энергии.

Атомные батареи

Атомными (ядерными) батареями называют преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую энергию. Первоначально атомные батареи низкого и высокого напряжения создавались только на базе радиоактивного распада вещества. Существенным недостатком таких батарей является их малая мощность: при использовании радиоактивного стронция мощность батареи составляет 5 10^-3 Вт/Ки, т.е. для получения мощности, равной 1 Вт, требуется 200 Ки; однако осуществление таких батарей нереально из-за их высокой стоимости и трудностей защиты от вредных воздействий.

Увеличение мощностей атомных батарей связано с использованием в них ионизации газа. Один из таких элементов (высоковольтный) показан на рисунке 15.11,а. Стеклянный баллон 2 с посеребренными изнутри стенками 1 наполнен под давлением криптоном-85; радиоактивный изотоп помещается внутри баллона, который крепится к крышке латунного цилиндра 3. Пространство между цилиндром и баллоном заполнено токопроводящим порошкообразным материалом 4. Токопроводящая оболочка 1 соединяется с металлическим выводом 5. Первичные электроны, эмиттированные радиоактивным изотопом, пройдя через слой диэлектрика (0,2 мм), выбивают из токопроводящего слоя вторичные электроны, которые пройти через этот слой не могут, и они создают на стенках цилиндра 3 отрицательный потенциал, нагрузка включается между стенкой цилиндра 3 и выводом 5. Батарея развивает напряжение до 10 кВ при токе нагрузки до 10^-12 А.

Рисунок 15.11 Высоковольтный (а) и низковольтный (б) атомные элементы

 

Значительно более эффективны низковольтные атомные батареи, действие которых основано на умножении носителей зарядов в полупроводниковых материалах (рисунок 15.11,б). Радиоактивный стронций 1 нанесен на одну сторону полупроводниковой пластины 2, на другой стороне которой создается р-n переход 3. Быстрые электроны, излучаемые радиоактивным стронцием 1, проникают в слой полупроводника 2, создавая в нем 2 10⁵ медленных электронов, которые вследствие односторонней проводимости р-n-перехода 3 скапливаются на коллекторе 4. Путь быстрых электронов обозначен на рисунке 15.11, б S_б.э, а медленных S_м.э; ЭДС элемента 0,2, ток — порядка 1 мкА.

Миниатюрная атомная батарея (рисунок 15.12,а) исполь­зовалась для наручных часов и слуховых аппаратов. Радиоактивный прометий-147 1 (рисунок 15.12, а) воздействует нa слой фосфора 2, который начинает светиться под действием электронной бомбардировки радиоактивно вещества. Свет, излучаемый фосфором, действует на кремниевый фотоэлемент 3—4, вызывая фото - ЭДС около 1В при токе нагрузки 2 мкА. Срок службы батареи около 3 лет.

15.12 Атомные батареи для ручных часов (а) и для полупровод­никовой радиоаппаратуры (б)

 

Для автономного питания радиоустройств малой мощности на полупроводниковых приборах может применяться батарея, схематическое устройство которой показано рисунке 15.12,б. Между пластинами кремния 1—2 в изоляционной оболочке 3 помещен радиоактивный эмиттер 4. На поверхности пластин 1—2 образованы четыре области 5 с проводимостью р-типа и, таким образом, в батарее имеется четыре р-n перехода. Батарею охватывает постоянный магнит 6, создающий в области р-n переходов сильное магнитное поле. Это поле осуществляет интенсивное разделение электронов и дырок, благодаря чему повышается КПД батареи. Существенным недостатком атомных батарей низкого напряжения является наличие как наличие - частиц, так и сильно проникающих - лучей, защита от которых весьма сложна. Разработка новых атомных батарей с повышенными характеристиками защиты от проникающей радиации продолжается.

Контрольные вопросы

1. Какие источники постоянного тока называют химическими? Дайте определение гальванических элементов и аккумуляторов.

2. Какие существуют типы гальванических элементов, каковы их основные технические и эксплуатационные данные и устройство?

3. Какие существуют типы аккумуляторов, каковы их устройство и технические данные?

4. Какие типы аккумуляторов наиболее предпочтительны в качестве источников питания радиоаппаратуры?

5. В чем состоит принцип работы топливного элемента?

6. Что представляют собой термоэлектрогенераторы? Как происходит процесс преобразования энергии в них? В каких областях науки и техники они находят применение?

7. В чем состоит принцип действия кремниевого фотоэлемента?

8. Что представляют собой солнечные батареи?

9. Что представляют собой наземные фотоэлектрические установки?

10.В чем состоит сущность работы атомных батарей? Каковы их достоинства и недостатки?

11.Какие из описанных в данной главе устройств находят применение в переносной радиоаппаратуре?