CN101552046B - 复合型同位素电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型同位素电池，该电池由位于上部的直接接收型换能模块和位于下部的热电换能模块构成；直接接收型换能模块由射线接收极、发射极板和绝缘侧壁构成，发射极板上表面四周设置绝缘侧壁，发射极板和射线接收极通过绝缘侧壁隔离，发射极板、射线接收极和绝缘侧壁组成一个密闭空间，密闭空间的真空度大于等于10^-3Pa，发射极板上装载有放射性同位素燃料；热电换能模块由绝缘导热垫片、热电偶阵列和散热片构成，散热片上表面设置热电偶阵列，热电偶阵列上表面设置绝缘导热垫片；通过发射极板的下表面与绝缘导热垫片的上表面对接、将直接接收型换能模块和热电换能模块连接成一个整体。

Description

复合型同位素电池

技术领域

本发明属于核技术应用——同位素电池领域，特别涉及直接接收型换能方式与热电换能方式相结合的复合型同位素电池。

现有技术

在放射性同位素衰变过程中，会释放大量的能量，把衰变能转换成电能的装置就是同位素电池，也称核电池。

同位素电池种类繁多，有初级同位素电池、热电转换同位素电池、热离子发射同位素电池、p-n结同位素电池、接触电势同位素电池、利用γ辐射的次级电子同位素电池及闪烁体-光电池型同位素电池等。

初级同位素电池，也称作电荷直接接收型同位素电池，是由两个极板组成，它们之间由真空或绝缘体材料分开，构成两个电极，其中一个板上涂有放射性同位素，向着另一个板发射出α或β粒子。这些粒子在收集板上积累，形成电压，接上外部负载电路，即可产生电流。

热电转换同位素电池是在热电转换的基础上，利用放射性同位素产生热，再应用热电转换装置把热能转换成电能。热电转换型同位素电池的典型代表是美国军方开发的SNAP系列同位素电池。用于阿波罗飞船、无人气象站、海军浮标、海底声纳站等。

热离子发射同位素电池是利用放射性同位素产生热，加热电子发射体，放出电子，被收集体接收，在回路中产生电流。

p-n结同位素电池与太阳能电池非常相似的，只不过在p-n结同位素电池中用α或β射线代替了太阳光作为能量源。

接触电势同位素电池：α和β射线在气体中会产生电离作用，生成大量带电粒子，如果在气体两端加上电压，带电粒子会向相应电极运动，形成电流，产生电能。接触电压同位素电池就是利用不同金属的接触电压达到分离带电粒子的目的。

次级电子同位素电池是利用γ射线与物质相互作用产生高能次级电子。将这些电子收集，作为电源。

闪烁体-光电池型同位素电池是利用射线轰击磷等物质时，发射荧光，在太阳能电池中电离出电子-空穴对载流子，这些载流子被收集产生电能。

在上述同位素电池中，热电转换同位素电池应用最广，我国也研制出百毫瓦级热电转换同位素电池样品；热离子发射同位素电池仅有俄罗斯研制成功；p-n结同位素电池主要用于微机械电子系统(MEMs)中，提供nW量级的功率。其它同位素电池都因转换效率太低或输出功率太小而未得到实际应用。

目前，在初级同位素电池的基础上，利用直接收集带电粒子产生高电压，进而转换成机械能，然后通过压电器件将机械能转换成电能，已经开发出适用于给微机电系统能源供电的电源。美国康奈尔大学和威斯康星-麦迪逊大学开发的一种同位素电池是一个自给能往复式运动悬臂梁。在用硅材料制成的一个悬臂梁的自由端上连接了一块铜片，和铜片面对面地放置了一块正方形具有beta放射性的Ni-63辐射源。在悬臂梁的固定端连接了一块压电材料。Ni-63不断发射出电子从而带正电，铜片不断接受Ni-63发射的电子从而带负电。由于静电力的作用，Ni-63和铜片互相吸引，使悬臂梁产生弯曲，在压电材料内产生应力，从而有电能输出。当Ni-63和铜片距离很近或接触时，它们之间产生放电，静电力消失，悬臂梁恢复原位，如此循环下去，源源不断地输出电能。通过周期性地充放电过程使铜片形变，使与之链接的压电材料发生周期性电功率输出。康奈尔大学和威斯康星-麦迪逊大学的课题组还开发出了利用该悬臂梁式同位素电池供给能量的一些原型电子处理器和光传感器等器件。

这种同位素电池先把带电粒子形成的电场能转换成机械能，后又通过压电器件将机械能转换成电能，转换效率低。

初级同位素电池的最大不足就是电流和功率太小。

发明内容

在充分分析了初级同位素电池的结构特点后，本发明提出了一种将初级同位素电池中产生的废热利用起来的结构装置，即复合型核电池。

本发明的技术方案是这样实现的：一种复合型同位素电池，该复合型同位素电池由位于上部的直接接收型换能模块和位于下部的热电换能模块构成；直接接收型换能模块由射线接收极1、发射极板2和绝缘侧壁3构成；热电换能模块由绝缘导热垫片4、热电偶阵列5和散热片6构成，散热片6上表面设置热电偶阵列5，热电偶阵列5上表面设置绝缘导热垫片4；直接接收型换能模块的发射极板2的下表面与热电换能模块的绝缘导热垫片4的上表面对接。

所述直接接收型换能模块发射极板2上表面四周设置绝缘侧壁3，发射极板2和射线接收极1通过绝缘侧壁3隔离，发射极板2、射线接收极1和绝缘侧壁3组成一个密闭空间，密闭空间的真空度大于等于10^-3Pa，发射极板2上装载有放射性同位素燃料。

所述热电偶阵列5是由相同的热电偶并联或串联组成。

所述直接接收型换能模块上设置有第一电输出端，直接接收型换能模块产生的电流由第一电输出端输出。

所述热电换能模块上设置有第二电输出端，热电换能模块产生的电流由第二电输出端输出。

此结构是在初级同位素电池的发射极板下方集成热电转换模块，使同位素燃料反向发射的射线能量产生的热可以充分地转换成电能，从而提高初级同位素电池的能量转换效率以及优化电流和功率的输出性能。

这种新型的复合型同位素电池巧妙地利用了初级同位素电池的结构特点，在不影响初级同位素电池性能特点的情况下，加入废热利用装置，可以提高整个电池1％左右的能量转换效率。而且随着初级同位素电池输出效率的提高，复合型同位素电池的优势就越明显。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

参见图1，一种复合型同位素电池，该复合型同位素电池由位于上部的直接接收型换能模块和位于下部的热电换能模块构成；直接接收型换能模块由射线接收极1、发射极板2和绝缘侧壁3构成；热电换能模块由绝缘导热垫片4、热电偶阵列5和散热片6构成，散热片6上表面设置热电偶阵列5，热电偶阵列5上表面设置绝缘导热垫片4；直接接收型换能模块的发射极板2的下表面与热电换能模块的绝缘导热垫片4的上表面对接。

所述直接接收型换能模块发射极板2上表面四周设置绝缘侧壁3，发射极板2和射线接收极1通过绝缘侧壁3隔离，发射极板2、射线接收极1和绝缘侧壁3组成一个密闭空间，密闭空间的真空度大于等于10^-3Pa，发射极板2上装载有放射性同位素燃料。

所述热电偶阵列5是由相同的热电偶并联或串联组成。

所述直接接收型换能模块上设置有第一电输出端，直接接收型换能模块产生的电流由第一电输出端输出。

所述热电换能模块上设置有第二电输出端，热电换能模块产生的电流由第二电输出端输出。

可以根据负载对电性能的具体要求，设计相应的外电路以耦合和优化上述两输出端。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种复合型同位素电池，其特征在于：该复合型同位素电池由位于上部的直接接收型换能模块和位于下部的热电换能模块构成；直接接收型换能模块由射线接收极(1)、发射极板(2)和绝缘侧壁(3)构成；热电换能模块由绝缘导热垫片(4)、热电偶阵列(5)和散热片(6)构成，散热片(6)上表面设置热电偶阵列(5)，热电偶阵列(5)上表面设置绝缘导热垫片(4)；直接接收型换能模块的发射极板(2)的下表面与热电换能模块的绝缘导热垫片(4)的上表面对接，发射极板(2)上装载有放射性同位素燃料。

2.根据权利要求1所述一种复合型同位素电池，其特征在于：所述直接接收型换能模块发射极板(2)上表面四周设置绝缘侧壁(3)，发射极板(2)和射线接收极(1)通过绝缘侧壁(3)隔离，发射极板(2)、射线接收极(1)和绝缘侧壁(3)组成一个密闭空间，密闭空间的真空度大于等于10^-3Pa。

3.根据权利要求1所述一种复合型同位素电池，其特征在于：所述热电偶阵列(5)是由相同的热电偶并联或串联组成。

4.根据权利要求1所述一种复合型同位素电池，其特征在于：所述直接接收型换能模块上设置有第一电输出端，直接接收型换能模块产生的电流由第一电输出端输出。

5.根据权利要求1所述一种复合型同位素电池，其特征在于：所述热电换能模块上设置有第二电输出端，热电换能模块产生的电流由第二电输出端输出。

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