【摘要】：放射性同位素電池系統(tǒng)因其服役壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)在深空深海、極地探測(cè)、生物醫(yī)療、電子工業(yè)和軍事國(guó)防等特殊領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。半個(gè)世紀(jì)以來(lái),放射性同位素電池系統(tǒng)中換能效率較高的動(dòng)態(tài)型熱轉(zhuǎn)換同位素電池得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注,但其長(zhǎng)期局限于高速運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑困難以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件工作過(guò)程中所產(chǎn)生扭曲力與慣性力帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性差等技術(shù)瓶頸未能實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。2015年,蘭州大學(xué)李公平等人基于管道流體驅(qū)動(dòng)的壓電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制在布雷頓閉式循環(huán)系統(tǒng)中采用壓電器件替換渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)了新型動(dòng)態(tài)型熱轉(zhuǎn)換同位素電池原理性樣機(jī)的設(shè)計(jì)與測(cè)試。在前期的研究基礎(chǔ)上,我們從同位素衰變能的力-熱-電耦合本源出發(fā),沿著電池系統(tǒng)能量流的徑跡,采用新型換能結(jié)構(gòu)與換能方式并向轉(zhuǎn)化流體介質(zhì)的機(jī)械能與內(nèi)能;從電池的力-熱-電耦合物理模型、原理性樣機(jī)制造與測(cè)試、多物理場(chǎng)有限元分析等方面較為系統(tǒng)地研究了壓電熱電動(dòng)態(tài)型同位素電池的換能單元與工作性能,為動(dòng)態(tài)型熱轉(zhuǎn)換同位素電池?fù)Q能機(jī)理的重構(gòu)與管道流體機(jī)械能內(nèi)能的回收利用提供了全新的解決方案與可行參考。本文主要介紹了本人攻讀碩士學(xué)位期間所取得的一系列研究成果,具體工作包括以下幾個(gè)部分:1、前兩章回顧了100年來(lái)同位素電池系統(tǒng)的發(fā)展歷程與當(dāng)前研究重點(diǎn)。從同位素衰變能的力-熱-電耦合本源出發(fā)對(duì)不同換能方式同位素電池進(jìn)行了分類并重點(diǎn)概述了幾種典型同位素電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。第二章從壓電熱電動(dòng)態(tài)型同位素電池能量流方面定義了電池系統(tǒng)幾個(gè)相關(guān)的物理概念,初步建立了電池力-熱-電耦合的物理模型。2、第三章從理論方面對(duì)電池系統(tǒng)的換能效率進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)建立壓電熱電動(dòng)態(tài)型同位素電池系統(tǒng)的等效電路模型,結(jié)合原子核衰變、低速理想流體、電池?zé)嶙杈W(wǎng)絡(luò)和壓電等效電路模型,在具體邊界條件假設(shè)的基礎(chǔ)上給出了電池的理論效率與優(yōu)化策略。3、第四章是實(shí)驗(yàn)部分,從材料、單元、器件、系統(tǒng)方面制備了換能組件并測(cè)試了其輸出性能。主要搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),表征了輻射狀PVDF基壓電換能組件和環(huán)形碲化鉍基熱電換能組件的電學(xué)性能,并結(jié)合管式爐、氣體質(zhì)量流量計(jì)與小型壓縮機(jī)完成了電池實(shí)驗(yàn)室原理性樣機(jī)的制造與性能測(cè)試。進(jìn)一步通過(guò)引入電源管理網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)壓電組件AC/DC與熱電組件DC/DC轉(zhuǎn)換,在相同測(cè)試條件下優(yōu)化提升了電池的輸出功率密度與換能效率。4、第五章采用COMSOL有限元分析軟件對(duì)電池系統(tǒng)換能結(jié)構(gòu)的元器件進(jìn)行了多物理場(chǎng)數(shù)值模擬。主要對(duì)輻射狀壓電換能組件與環(huán)形熱電換能組件的元器件進(jìn)行了流固耦合、固體傳熱、結(jié)構(gòu)力學(xué)(壓電效應(yīng))、熱電效應(yīng)等多物理場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析,模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比較為一致。5、第六章對(duì)電池的性能衰退與長(zhǎng)期服役性行為進(jìn)行了評(píng)估。從電池?zé)崃W(xué)循環(huán)與壓電器件、熱電器件服役性能方面,結(jié)合溫度場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)和遺傳算法模型,分層次評(píng)估了電池系統(tǒng)的工作壽命與可靠性,完成了電池主要性能參數(shù)的全方位優(yōu)化與驗(yàn)證,討論了電池系統(tǒng)潛在的實(shí)際應(yīng)用范圍。6、最后一章進(jìn)行了總結(jié)與展望,系統(tǒng)歸納了本文研究的主要結(jié)論,概述了人類利用同位素電池等核電源系統(tǒng)的歷史進(jìn)程并初步給出了100年來(lái)主要換能方式同位素電池系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換效率對(duì)比結(jié)果�？偠灾�,我們通過(guò)采用壓電熱電動(dòng)態(tài)型熱轉(zhuǎn)換這一新型復(fù)合換能方式從換能組件與換能結(jié)構(gòu)方面系統(tǒng)地研究了壓電熱電動(dòng)態(tài)型同位素電池的主要性能指標(biāo),在動(dòng)態(tài)型熱轉(zhuǎn)換同位素電池方面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。盡管動(dòng)態(tài)型同位素電池的研究尚處于實(shí)驗(yàn)階段,離實(shí)際應(yīng)用仍有很大距離,但我們期望實(shí)驗(yàn)中所涉及到的研究方式方法可以拓展應(yīng)用到其他同位素電池系統(tǒng)和空間核反應(yīng)堆系統(tǒng)甚至流體熱力學(xué)能量轉(zhuǎn)換方面,為人類在空間核電源系統(tǒng)與高效復(fù)合能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域提供可行借鑒與信心支撐。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM918
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文- 2 -圖1-1 不同能源類型比較：（a）能源使用時(shí)間；（b）功率密度1896 年，法國(guó)物理學(xué)家 Antoine Henri Becquerel 從鈾鹽使底片感光中發(fā)現(xiàn)了元素的天然放射性（natural radioactivity）[8]，由此開啟了核物理學(xué)的大門。隨后，英國(guó)物理學(xué)家 Ernest Rutherford 用 α 粒子轟擊金箔并提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型（Rutherford model）[9]。然而，這一時(shí)期對(duì)于鐳衰變產(chǎn)生貝塔粒子阻止電壓的測(cè)量問(wèn)題仍未解決，盡管這一數(shù)值在理論上預(yù)言能夠達(dá)到百萬(wàn)伏但沒有任何實(shí)驗(yàn)方法可以對(duì)其進(jìn)行直接驗(yàn)證。直到 1913 年，Henry Gwyn JeffreysMoseley 在 Rutherford 的指導(dǎo)下巧妙地設(shè)計(jì)了一套力學(xué)位移測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)量磁盤的位移并計(jì)算球泡所積累的電勢(shì)從而測(cè)得鐳衰變產(chǎn)生貝塔電子在電極間形成的累積電壓達(dá)到十萬(wàn)多伏

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文- 3 -圖1-2 同位素電池的發(fā)展歷程簡(jiǎn)述[12]圖1-2簡(jiǎn)述了同位素電池的發(fā)展歷程[12]，自Moseley提出β電池概念至今，學(xué)術(shù)界從換能方式、換能結(jié)構(gòu)和換能材料方面對(duì)同位素電池進(jìn)行了系統(tǒng)研究，使得同位素電池的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率得到了較大提升，并在工業(yè)界已初具規(guī)模。目前而言，同位素電池（radioisotope batteries, RIB）的實(shí)用化效率仍然較低，其主要研究重點(diǎn)聚焦于依托微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、深空探測(cè)等具體應(yīng)用環(huán)境并開展相應(yīng)的先進(jìn)熱電材料與器件（thermoelectric materials& generators）、寬禁帶多維半導(dǎo)體材料器件（wide-bandgap multi-dimensionalsemiconductors）等換能組件與復(fù)合換能結(jié)構(gòu)（hybrid energy conversion）和放射性同位素電池燃料（radioisotope fuels）方面的探索[12,13]。1.3 同位素電池的工作原理放射性同位素電池的基本原理是利用換能器件將同位素放射源衰變時(shí)釋放出射線的能量轉(zhuǎn)換為電能并通過(guò)電源管理網(wǎng)絡(luò)接入負(fù)載達(dá)到供電目的[1]。目前，同位素電池基本工作原理的研究主要包括電池設(shè)計(jì)要求、同位素燃料、能量轉(zhuǎn)換機(jī)制和性能測(cè)試評(píng)估幾個(gè)方面

幾種常用同位素放射源的特性比較：（a）α放射源；（b）β放射源

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1 周毅;壓電熱電動(dòng)態(tài)型同位素電池?fù)Q能組件與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2772637