CN217640684U - 一种热离子-温差梯级发电同位素电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种热离子‑温差梯级发电同位素电池，涉及同位素热‑电转换技术领域，包括金属发射极极板、设置在所述金属发射极极板两侧的金属集电极极板和同位素放射热源；所述金属集电极极板与所述金属发射极极板之间设有真空间隔，用于所述同位素放射热源释放衰变热辐射，使所述金属发射极极板处部分电子转移至所述金属集电极极板处形成闭合回路；在所述金属集电极极板的另一侧设置与所述金属集电极极板紧密贴附的热电元件，所述热电元件接触所述热电元件的一端与背向所述热电元件的一端存在温差，本实用新型中同位素放射热源不仅限于热离子发电，即，通过对同位素放射热源产生热量的进行二级应用，实现了能量的梯度利用。

Description

一种热离子-温差梯级发电同位素电池

技术领域

本实用新型涉及同位素热-电转换技术领域，尤其涉及一种热离子-温差梯级发电同位素电池。

背景技术

人类活动逐渐面向外太空、深海、极地、荒漠等，这些地方需要能长时间稳定提供电能的电源装置，普通电池已难以满足这些活动的需要，化学电池工作寿命有限，光伏电池强烈依赖太阳光，且性能还受到外太空中的宇宙射线影响，相比于普通电池，放射性同位素电池具有工作寿命长、可靠性高、能量密度大、体积小等特点，这些特点使放射性同位素电池成为航天、深海等领域最佳的电源。

同位素电池的效率普遍只有6％～8％，大部分热能都直接排放了，这主要是因为半导体塞贝克效应发电的能量转换效率过低，因此，设计复合电池将未使用的同位素热源利用起来以实现能量梯度，是利用提高同位素电池效率的有效途径。

同时在航天领域应用中，同位素电池处于失重状态，其维修或替换部件都不易操作，并且一旦遇到太空垃圾撞击或在火星等具有沙尘暴环境的星球上操作，其内部元件易损坏，因此，如何在结构上提高同位素电池的易维修性和抗震性能也是重要的研究方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术存在的问题，为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种热离子-温差梯级发电同位素电池，包括金属发射极极板、设置在所述金属发射极极板两侧的金属集电极极板和同位素放射热源；

所述金属集电极极板与所述金属发射极极板之间设有真空间隔，用于所述同位素放射热源释放衰变热辐射，使所述金属发射极极板处部分电子转移至所述金属集电极极板处形成闭合回路；

在所述金属集电极极板的另一侧设置与所述金属集电极极板紧密贴附的热电元件，所述热电元件接触所述热电元件的一端与背向所述热电元件的一端存在温差。

优选的，所述同位素放射热源为带有衰变热效应的α放射源或β放射源。

优选的，所述热电元件为碲化铋材料或填充方钴矿材料或碲化铅材料或SiGe材料。

优选的，在所述金属发射极极板与所述金属集电极极板之间配置第一可调负载。

优选的，在所述热电元件处配置第二可调负载。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是。

1.本实用新型中同位素放射热源不仅限于热离子发电，即，通过对同位素放射热源产生热量的进行二级应用，实现了能量的梯度利用。

2.本实用新型在振动环境下，推力弹簧可根据实际环境变更压并长度，保证装置内部始终保持受力平衡，避免因震动导致的元件损坏。

3.本实用新型中内部部件均通过推力弹簧推力连接，相互之间没有焊接件等结构，只要松开弹簧即可拆卸，各易损件如热电元件等可轻松替换。

4.本实用新型中在电气设计层面，高温热离子发电模块和温差发电模块的两个电路相互独立，结构简洁，大幅降低电力故障率。

附图说明

图1为本实用新型一种热离子-温差梯级发电同位素电池的结构示意图；

附图标记：1、同位素放射热源；2、金属发射极极板；3、金属集电极极板；4、第一可调负载；5、推力板；6、热电元件；7、第二可调负载；8、导热活塞；9、推力弹簧；10、导热板；11、发电装置容器。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本实用新型，但下述实施例仅仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

下面结合附图描述本实用新型的具体实施例。

实施例1

参考图1，在本实施例中提出了一种热离子-温差梯级发电同位素电池，包括热离子发电模块和温差发电模块，热离子发电模块和温差发电模块置于发电装置容器11内以相对分布，温差发电模块旁侧设有活塞固定模块，活塞固定模块包括用于套接温差发电模块的推力板5和与推力板5相插拔适配的导热板10，导热板10与发电装置容器11相接，且导热板10内滑动套设有与温差发电模块相接的导热活塞8，导热活塞8内套设有推力弹簧9，推力弹簧9两端分设抵接至温差发电模块和导热板10处，推力弹簧9用于提供温差模块与热离子发电模块相贴合的压制力。

这其中，导热活塞8与导热板10材质相同，且导热活塞8与导热板10间隙配合，间隙配合数值不超过0.02mm。

热离子发电模块、温差发电模块和活塞固定模块由内至外成层状分布，热离子发电模块中的金属集电极极板3作为受力部件，承受推力弹簧9对推力板5的弹簧预紧力，而导热活塞8采用高导热材料，导热活塞8与导热板10采用间隙配合，以保证活塞自由活动的同时，能将热量传导至导热板10处。

此外，推力板5、金属集电极极板3紧密贴合，并且在震动情况下，推力弹簧9可自由调节压并长度，以保证内部各元件的受力平衡，避免内部元件因震动情况损坏。

在具体实施时，温差发电模块包括热电元件6，热电元件6为两端设有氮化铝电绝缘导热陶瓷基板的块状物，块状物旁侧设有第二可调负载7，第二可调负载7两端触及块状物端部。

这其中，热电元件6的材料是碲化铋材料或填充方钴矿材料或碲化铅材料或SiGe材料。

如图1所示，温差发电模块依托热离子发电模块所产生的热辐射，以在热电元件6的支持下，产生电流，即，金属集电极极板3的热量传递到热电元件6处，并经过导热活塞8和导热板10，最终传到发电装置容器11外壁散热，在该热量传导过程中，热电元件6两端产生温差，并根据塞贝克效应产生电流，该电流受第二可调负载7调节。

此外，热电元件6根据同位素放射热源1的辐射热传递到热电元件6的温度高低采用不同的材料，热电元件6在低温状态(≤300℃)下采用碲化铋材料，在中温状态下(300℃-600℃)采用填充方钴矿材料或碲化铅材料，在高温状态下(＞600℃)采用SiGe材料。

在具体实施时，热离子发电模块包括与热电元件6和推力板5相接的金属集电极极板3，金属集电极极板3旁侧设有同位素放射热源1，同位素放射热源1和金属集电极极板3之间设有金属发射极极板2，金属发射极极板2同金属集电极极板3之间设有将金属发射极极板2和金属集电极极板3相电性连接的第一可调负载4，第一可调负载4用于输送电能。

如图1所示，金属发射极极板2受到同位素放射热源1的衰变热辐射，部分电子获得足够大的能量，挣脱金属发射极极板2的束缚并发射到金属发射极极板2与金属集电极极板3之间的真空环境中，并被金属集电极极板3捕获，从而形成闭合回路产生电流，该电流受第一可调负载4调节。

在具体实施时，同位素放射热源1为带有衰变热效应的α放射源或β放射源。

在具体实施时，发电装置容器11外侧设有散热模块，散热模块散热翅片、散热孔、水冷结构、风冷结构中的任意一种或者多种的结合。

本实用新型的工作原理：

热离子发电过程：金属发射极极板2受到同位素放射热源1的衰变热辐射，部分电子获得足够大的能量，挣脱金属发射极极板2的束缚并发射到金属发射极极板2与金属集电极极板3之间的真空环境中，并被金属集电极极板3捕获，从而形成闭合回路产生电流，该电流受第一可调负载4调节；

温差发电过程：金属集电极极板3与热电元件6紧密贴合，热电元件6两侧为氮化铝电绝缘导热基板。金属集电极极板3的热量传递到热电元件6，并经过导热活塞8和导热板10，最终传到发电装置容器11外壁散热，在该热量传导过程中，热电元件6两端产生温差，并根据塞贝克效应产生电流，该电流受第二可调负载7调节；

此外，导热活塞8固定在推力板5上，推力板5侧直接与热电元件6紧贴，导热活塞8内部有孔，孔内部布置推力弹簧9提供预紧力以保障温差热电元件6、推力板5、金属集电极极板3紧密贴合，并且在震动情况下，推力弹簧9可自由调节压并长度，以保证内部各元件的受力平衡，避免内部元件因震动情况损坏。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种热离子-温差梯级发电同位素电池，其特征在于：包括金属发射极极板(2)、设置在所述金属发射极极板(2)两侧的金属集电极极板(3)和同位素放射热源(1)；

所述金属集电极极板(3)与所述金属发射极极板(2)之间设有真空间隔，用于所述同位素放射热源(1)释放衰变热辐射，使所述金属发射极极板(2)处部分电子转移至所述金属集电极极板(3)处形成闭合回路；

在所述金属集电极极板(3)的另一侧设置与所述金属集电极极板(3)紧密贴附的热电元件(6)，所述热电元件(6)接触所述热电元件(6)的一端与背向所述热电元件(6)的一端存在温差。

2.根据权利要求1所述的一种热离子-温差梯级发电同位素电池，其特征在于：所述同位素放射热源(1)为带有衰变热效应的α放射源或β放射源。

3.根据权利要求1所述的一种热离子-温差梯级发电同位素电池，其特征在于：所述热电元件(6)为碲化铋材料或填充方钴矿材料或碲化铅材料或SiGe材料。

4.根据权利要求1所述的一种热离子-温差梯级发电同位素电池，其特征在于：在所述金属发射极极板(2)与所述金属集电极极板(3)之间配置第一可调负载(4)。

5.根据权利要求1所述的一种热离子-温差梯级发电同位素电池，其特征在于：在所述热电元件(6)处配置第二可调负载(7)。

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