同位素温差發電機

“放射性同位素温差發電器”也被叫做“核電池”或“原子能電池”。這種温差發電器是由一些性能優異的半導體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯起來組成。另外還得有一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成温差才可發電。

一塊摻雜過的半導體材料存在温度梯度時，温度高的地方的載流子（電子或空穴）的能量更高，且運動速度更快。高温區與相對低温區內載流子運動速度的差異會導致載流子從温度高的區域擴散到温度低的區域。因為載流子是帶電的，所以當一定數量的載流子擴散之後，半導體温度梯度存在區域會形成由載流子擴散產生的電場。並且該電場會阻止載流子進一步的擴散，因此當温度梯度一定時，經過一段時間（與載流子擴散速度有關）後，該電場也將穩定存在。宏觀來看，當摻雜過的半導體熱的一面與冷的一面存在温度差時，這兩面也會產生正比於温度差的電勢－差温差電動勢。

放射性同位素温差發電器的熱源是放射性同位素。它們在蜕變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蜕變時放出的能量大小、速度，不受外界環境中的温度、化學反應、壓力、電磁場的影響，因此，放射性同位素温差發電器以抗干擾性強和工作準確可靠而著稱。另一個特點是蜕變時間很長，這決定了核電池可長期使用。放射性同位素温差發電器採用的放射性同位素來主要有鍶－90（Sr－90，半衰期為28年）、鈈－238（Pu－238，半衰期89.6年）、釙－210（Po-210半衰期為138.4天）等長半衰期的同位素。將它製成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉化成電流。

放射性同位素温差發電器的核心是換能器。常用的換能器叫靜態熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產生電位差，從而發電。它的優點是可以做得很小，只是效率頗低，熱利用率只有10%～20%，大部分熱能被浪費掉。

1.遠距離通訊、導航和設備保護

温差電技術性能穩定、無需維護的特點使其在發電和輸送電困難的偏遠地區發揮着重要的作用, 已用於極地、沙漠、森林等無人地區的微波中繼站電源、遠地自動無線電接收裝置和自動天氣預報站、無人航標燈、油管的陰極保護等. 世界最大的温差發電機生產商——美國Global Thermoelectric Inc製造的用於管道監控、數據採集、通訊和腐蝕防護的温差發電設備, 輸出功率可達5000W. 前蘇聯從1960年代末開始先後製造了1000多個放射性同位素温差電機, 廣泛用於燈塔和導航標誌, 平均使用壽命長於10年. 該類型發電機以Sr90為熱源, 可穩定提供7~30V, 80W的輸出

2.低品位和廢熱發電

長久以來, 因為受到生產成本和轉換效率的限制, 温差電技術的應用一直侷限於高科技和軍事、航天領域. 最近, 由於化石能源數量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進行發電對解決環境和能源問題的重要性. 另外, 可供使用的熱源的廣泛性和廉價性大大增強了温差發電方式的商業競爭性. 我們知道, 發電成本主要由運行成本和設備成本組成. 運行成本取決於轉換效率和原料, 設備成本決定於產生額定輸出電力的裝置. 雖然熱電轉換模塊的成本很高, 但由於利用低品位和廢熱發電的原料費用極少, 幾近為零, 運行成本很低, 因此發電總費用降低, 使得温差發電可與現存發電方式進行商業競爭. 日本開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”為題的政府計劃, 研究用於固體廢物焚燒爐的廢熱發電技術, 將透平發電機和温差發電機結合起來, 實現不同規模垃圾焚燒熱的最大利用, 使垃圾真正成為可供利用的資源. 繼日本之後, 2003年11月美國能源部宣佈資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術大學、匹茲堡PPG 工藝有限公司等單位, 重點支持他們在高性能熱電轉換材料和應用技術方面的開發, 其主要應用對象是工業生產中的尾氣熱和其他構件中的廢熱和餘熱利用.

3.醫學應用

在醫學上，放射性同位素電池已用於心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細可靠，以便能放入患者胸腔內長期使用。以前在無法解決能源問題時，人們只能把能源放在體外，但連結體外到體內的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼。眼下植入人體內的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內裝150毫克鈈238的氧化物，整個電池只有 160毫克重，體積僅 18立方毫米。它可以連續使用10年以上。

我國第一個鈈－238同位素電池已在中國原子能科學研究院誕生了，同位素電池的研製成功填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標誌着我國在核電源系統研究上邁出了重要的一步。

同位素電池是利用放射性同位素衰變過程釋放的熱能，通過熱電偶轉換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩定可靠、工作壽命長、環境耐受性好等特點，能為空間及各種特殊、惡劣環境條件下的高空、地面、海上和海底的自動觀察站或信號站等提供能源。同位素電池在美、俄等國已實際應用，用於航天器的能源供應。

隨着我國空間探測的進一步發展以及未來深空探測的需求，為我國航天器提供穩定、持久的能源已提到議事日程上來，作為迄今為止航天器儀器、設備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術進步的重要標誌，掌握同位素電池製備的一系列關鍵技術並具備自主研製生產能力顯得尤為重要。2004年，原子能院同位素所承擔了“百毫瓦級鈈－238同位素電池研製”任務，在兩年時間裏要完成總體設計和一系列相關工藝研究，研製出樣品。

同位素所和協作單位並按制定的研究方案開展了大量的模擬實驗、示蹤實驗、熱實驗等工作。最終檢測表明電池性能完全達到了技術指標要求，輻射防護檢測的各項指標均符合國家安全要求。中國第一個鈈－238同位素電池誕生了。

我國第一個鈈－238同位素電池的研製成功是我國在核電源系統研究領域的重大突破，為繼續探索、開發空間能源打下了堅實的基礎。

能把其他能量轉變為電能的設備的總稱。所產生的電能可以是直流電（DC）也可以是交流電（AC）。

是指電路與大地之間或與某些和大地相通的導電物體之間（有意或意外）的連接。

一種可直接根據電氣負載對發動機的怠速進行控制的系統。

為火花塞提供直流電壓的器件。

一種帶有永久磁鐵的交流發電機，用於產生內燃機點火所需要的電流。

電阻的單位。1 伏特電壓可以使 1 安培電流流過 1 歐姆電阻。

交流電的振幅或量值均勻、週期性的變化。三相交流電由三個不同的正弦波電流組成，相互之間的相位差均為 120 度。

該系統可以把您的發電機安全地接入到您的家庭用電系統中。

機組的設計工作速度（每分鐘轉數）。

一套引擎發電機組的額定電壓是其設計的工作電壓值。

一種鑄件，用作轉子軸承外罩。轉子軸承支持轉子軸。

將交流電轉換為直流電的器件。

是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220v50HZ正弦或方波）。

一種電動開關，通常用在控制電路中。與電流接觸器相比，其觸點只能通過較小的電流。

對電流的阻力。

發電機的轉動元件。

一個交流負載或電源，通常情況下，如果是一個負載，則只有兩個輸入端子，如果是一個電源，則只有兩個輸出端子。

電機的靜止部分。

位於發動機或發電機與機架之間的橡膠器件，可以最大限度地減輕振動。

電動勢的單位。把單位電動勢恆定地作用在電阻為 1 歐姆的導體上，將產生 1 安培電流。

電位差，單位用伏特表示。

該設備通過控制激勵轉子的直流電量，自動地使發電機電壓保持在一個正確值上。

電源功率的單位。對於直流電，它等於伏特乘以安培。對於交流電，它等於電壓有效值（伏特）乘以電流有效值（安培）乘以功率因數乘以一個常數（其值取決於相數）。1 千瓦 － 1000 瓦特。

發電機的所有線圈。定子繞組由若干個定子線圈及其互聯線路組成。轉子繞組由轉子磁極上的所有繞組及接線組成。

發電機的種類有很多種。從原理上分為同步發電機、異步發電機、單相發電機、三相發電機。從產生方式上分為汽輪發電機、水輪發電機、柴油發電機、汽油發電機等。從能源上分為火力發電機、水力發電機等。

由於一次能源形態的不同，可以製成不同的發電機。利用水利資源和水輪機配合，可以製成水輪發電機；由於水庫容量和水頭落差高低不同，可以製成容量和轉速各異的水輪發電機。利用煤、石油等資源，和鍋爐，渦輪蒸汽機配合，可以製成汽輪發電機，這種發電機多為高速電機(3000rpm)。此外還有利用風能、原子能、地熱、潮汐等能量的各類發電機。利用柴油、汽油等資源作為能源的柴油、汽油發電機用得比較廣泛。此外，由於發電機工作原理不同又分作直流發電機，異步發電機和同步發電機。在廣泛使用的大型發電機都是同步發電機。

1832年，法國人畢克西發明了手搖式直流發電機，其原理是通過轉動永磁體使磁通發生變化而在線圈中產生感應電動勢，並把這種電動勢以直流電壓形式輸出。

1866年，德國的西門子發明了自勵式直流發電機。

1869年，比利時的格拉姆製成了環形電樞，發明了環形電樞發電機。這種發電機是用水力來轉動發電機轉子的，經過反覆改進，於1847年得到了3.2KW的輸出功率。

1882年，美國的戈登製造出了輸出功率447KW，高3米，重22噸的兩相式巨型發電機。 美國的特斯拉在愛迪生公司的時候就決心開發交流電機，但由於愛迪生堅持只搞直流方式，因此他就把兩相交流發電機和電動機的專利權賣給了西屋公司。

1896年，特斯拉的兩相交流發電機在尼亞拉發電廠開始勞動營運，3750KW，5000V的交流電一直送到40公里外的布法羅市。

1889年，西屋公司在俄勒岡州建設了發電廠，1892年成功地將15000伏電壓送到了皮茨菲爾德。

在公元1831年，法拉第將一個封閉電路中的導線通過電磁場，導線轉動有電流流過電線，法拉第因此瞭解到電和磁場之間有某種緊密的關連，他建造了第一座發電機原型，其中包括了在磁場中迥轉的銅盤，此發電機產生了電力。在此之前，所有的電皆由靜電機器和電池所產生，而這二者均無法產生巨大力量。但是，法拉第的發電機終於改變了一切。

發電機包括一個能在二個或二個以上的磁場間迅速旋轉的電磁鐵，當二個磁場相互交錯，就產生了電，由電線從發電機中導出。電子工程師依發電機線繞的方式和磁鐵的安排，而獲得交流電（AC）或直流電（DC），大部分發電機都是產生交流電，它比直流電更易由傳輸線作長距離的傳送。

學過物理課的人都會記得，英國科學家法拉第於1831 年發現了電磁感應原理。這一在人類社會發展過程中起到重要作用的原理是説：“當磁場的磁力線發生變化時，在其周圍的導線中就會感應產生電流。”

法拉第曾煞費苦心，通過研究和反覆實驗，終於發現了這一影響巨大的科學原理，而且他確信，利用此原理肯定能製造出可以實際發電的發電機。

就在法拉第發現電磁感應原理的第二年，受法拉第發現的啓示，法國人皮克希應用電磁感應原理製成了最初的發電機。

皮克希的發電機是在靠近可以旋轉的U 形磁鐵（通過手輪和齒輪使其旋轉）的地方，用兩根鐵芯繞上導線線圈，使其分別對準磁鐵的N 極和S 極，並將線圈導線引出。這樣，搖動手輪使磁鐵旋轉時，由於磁力線發生了變化，結果在線圈導線中就產生了電流。

由這種發電機的裝置可以知道，每當磁鐵旋轉半圈時，線圈所對應的磁鐵的磁極就改變一次，從而使電流的方向也跟着改變一次。為了改變這種情況，使電流方向保持不變，皮克希想出了一個巧妙的辦法：在磁鐵的旋轉軸上加裝兩片相互隔開成圓筒狀的金屬片，由線圈引出的兩條線頭，經彈簧片分別與兩個金屬片相接觸。另外，再用兩根導線與兩個金屬片接觸，以引出電流。這個裝置，就叫做整流子，在後來的發電機上仍得到應用。

整流子為什麼能保持電流方向不變呢？這是因為電流從線圈流入整流子，而整流子是和磁鐵一起旋轉的。當磁鐵轉過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉過半周來而掉轉了方向，因而輸出的電流方向始終是不變的。

皮克希發明的這種發電機在世界上是首創，當然也有其不足之處。需要對它進行改進的地方，一是轉動磁鐵不如轉動線圈更為方便靈活；二是通過整流子可以得到定向的電流，但是電流強弱還是不斷變化的。為改變這種情況，人們採用增加一些磁鐵和線圈數量，並稍微錯開地將變化的電流一起引出的辦法，使輸出電流的強度變化控制在一定的範圍內。

從皮克希發明發電機後的30 多年間，雖然有所改進，並出現了一些新發明，但成果不大，始終未能研製出能輸出像電池那樣大的電流，而且可供實用的發電機。

1867 年，德國發明家韋納·馮·西門子對發電機提出了重大改進。他認為，在發電機上不用磁鐵（即永久磁鐵），而用電磁鐵，這樣可使磁力增強，產生強大的電流。

西門子用電磁鐵代替永久磁鐵發電的原理是，電磁鐵的鐵芯在不通電流時，也還殘存有微弱的磁性。當轉動線圈時，利用這一微弱的剩磁發出電流，再反回給電磁鐵，促使其磁力增強，於是電磁鐵也能產生出強磁性。 接着，西門子着手研究電磁鐵式發電機。很快就製成了這種新型的發電機，它能產生皮克發電機所遠不能相比的強大電流。同時，這種發電機比連接一大堆電池來通電要方便得多，因而它作為實用發電機被廣泛應用起來。

西門子的新型發電機問世後不久，意大利物理學家帕其努悌於1865 年發明了環狀發電機電樞。這種電樞是以在鐵環上繞線圈代替在鐵芯棒上繞制的線圈，從而提高了發電機的效率。

實際上，帕斯努悌早在1860 年就提出了發電機電樞的設想，但未能引起的人們的注意。1865 年，他又在一本雜誌上發表了這一獨創性的見解，仍未得到社會的公認。

到了1869 年，比利時學者古拉姆在法國巴黎研究電學時，看到了帕其努悌發表的文章，認為這一發明有其優越性。於是，他就根據帕其努悌的設計方案，兼採納了西門子的電磁鐵式發電機原理進行研製，於1870 年製成了性能優良的發電機。

在帕其努悌的發明中，對發電機的整流子部分進行了重要改進，使發電機發出的電流強度變化極小。而採用帕其努悌設計方案製成的古拉姆式發電機，其發出的電流強度變化也很小。這是古拉姆發電機的優良性能的表現之一。

古拉姆發電機的性能好，所以銷路很廣，他不僅發了財，而且被人們譽為“發電機之父”。

有些人看到古拉姆發明發電機獲得成功，也想對發電機進行改進從而製造出更先進的發電機。在這些人中，就有德國的西門子公司研究發電機的工程師阿特涅。他發明了古拉姆發電機不同的線圈繞線方式，製成了性能良好的發電機。

古拉姆發電機的電樞是將鐵絲繞成環狀，在環與環之間夾上紙進行絕緣，然後將環捆在一起作為鐵芯，在其上面繞上導線線圈，再由線圈的不同部位引出一些導線，接向帶整流子。而阿特涅發電機的電樞，是用許多薄圓鐵板以紙絕緣後重疊起來，製成鐵芯，然後在上面繞上導線線圈。人們把這種方法叫做“鼓卷”，意思是像鼓一樣的形狀。經過這種改進後，發電機無論是外觀或是性能，都比原來有了很大起色。

西門子公司由於阿特涅的這項發明而益發馳名。於是，德國以西門子公司為核心，大力研製各種發電機，從而使電力工業得到了迅速的發展。

隨着發電機的逐漸大型化，轉動發電機的動力也發生了變化。其中以水力作動力更使人們感興趣。這是因為用水力轉動大型發電機較方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西門子公司又投入水力發電的研究工作。

利用水力發電與水力發電不同，前者必須將發電機安裝在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。這樣，就必須在山中河川的上游發電，然後再輸送到遠方的城市。

為了遠距離輸送電，就要架設很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強的電流時，電線就要發熱，這樣，好不容易發出的電能在送向遠方的途中，卻因為電線發熱而損耗掉了。

為了減少電能在長距離輸送中的發熱損耗，可以採用的辦法有兩個：一是增加電壓的截面積，即將電線加粗，減小電阻；二是提高電壓而減小電流。

前一個措施因需要大量的金屬導線，而且架設很粗的導線有很多困難，因而很難得到採用。比較起來，還是後一個措施有實用價值。然而，對於當時使用的直流電來説，使其電壓提高或降低都是難以實現的。於是，人們只得開始考慮利用電壓很容易改變的交流電。

看來，將直流發電機改為交流電發電機比較容易，主要是取掉整流子就行了。所以，西門子公司的阿特涅便於1873 年發明了交流發電機。此後，對交流發電機的研究工作便盛行起來，從而使這種發電機得到了迅速的發展