压电热电动态型同位素电池换能组件与结构的优化设计研究
发布时间：2020-07-28 08:42
【摘要】：放射性同位素电池系统因其服役寿命长、工作稳定、无需维护等特点在深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业和军事国防等特殊领域得到了重要应用。半个世纪以来,放射性同位素电池系统中换能效率较高的动态型热转换同位素电池得到了学术界与工业界的广泛关注,但其长期局限于高速运动部件润滑困难以及高速运转部件工作过程中所产生扭曲力与惯性力带来的系统稳定性差等技术瓶颈未能实现实际应用。2015年,兰州大学李公平等人基于管道流体驱动的压电能量转换机制在布雷顿闭式循环系统中采用压电器件替换涡轮机实现了新型动态型热转换同位素电池原理性样机的设计与测试。在前期的研究基础上,我们从同位素衰变能的力-热-电耦合本源出发,沿着电池系统能量流的径迹,采用新型换能结构与换能方式并向转化流体介质的机械能与内能;从电池的力-热-电耦合物理模型、原理性样机制造与测试、多物理场有限元分析等方面较为系统地研究了压电热电动态型同位素电池的换能单元与工作性能,为动态型热转换同位素电池换能机理的重构与管道流体机械能内能的回收利用提供了全新的解决方案与可行参考。本文主要介绍了本人攻读硕士学位期间所取得的一系列研究成果,具体工作包括以下几个部分:1、前两章回顾了100年来同位素电池系统的发展历程与当前研究重点。从同位素衰变能的力-热-电耦合本源出发对不同换能方式同位素电池进行了分类并重点概述了几种典型同位素电池的研究现状与发展趋势。第二章从压电热电动态型同位素电池能量流方面定义了电池系统几个相关的物理概念,初步建立了电池力-热-电耦合的物理模型。2、第三章从理论方面对电池系统的换能效率进行了优化计算。通过建立压电热电动态型同位素电池系统的等效电路模型,结合原子核衰变、低速理想流体、电池热阻网络和压电等效电路模型,在具体边界条件假设的基础上给出了电池的理论效率与优化策略。3、第四章是实验部分,从材料、单元、器件、系统方面制备了换能组件并测试了其输出性能。主要搭建了实验平台,表征了辐射状PVDF基压电换能组件和环形碲化铋基热电换能组件的电学性能,并结合管式炉、气体质量流量计与小型压缩机完成了电池实验室原理性样机的制造与性能测试。进一步通过引入电源管理网络,实现压电组件AC/DC与热电组件DC/DC转换,在相同测试条件下优化提升了电池的输出功率密度与换能效率。4、第五章采用COMSOL有限元分析软件对电池系统换能结构的元器件进行了多物理场数值模拟。主要对辐射状压电换能组件与环形热电换能组件的元器件进行了流固耦合、固体传热、结构力学(压电效应)、热电效应等多物理场的数值计算分析,模拟结果同实验测试结果相比较为一致。5、第六章对电池的性能衰退与长期服役性行为进行了评估。从电池热力学循环与压电器件、热电器件服役性能方面,结合温度场与力学场和遗传算法模型,分层次评估了电池系统的工作寿命与可靠性,完成了电池主要性能参数的全方位优化与验证,讨论了电池系统潜在的实际应用范围。6、最后一章进行了总结与展望,系统归纳了本文研究的主要结论,概述了人类利用同位素电池等核电源系统的历史进程并初步给出了100年来主要换能方式同位素电池系统的最佳转换效率对比结果。总而言之,我们通过采用压电热电动态型热转换这一新型复合换能方式从换能组件与换能结构方面系统地研究了压电热电动态型同位素电池的主要性能指标,在动态型热转换同位素电池方面迈出了坚实的一步。尽管动态型同位素电池的研究尚处于实验阶段,离实际应用仍有很大距离,但我们期望实验中所涉及到的研究方式方法可以拓展应用到其他同位素电池系统和空间核反应堆系统甚至流体热力学能量转换方面,为人类在空间核电源系统与高效复合能量转换领域提供可行借鉴与信心支撑。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM918
【图文】：
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文- 2 -图1-1 不同能源类型比较：（a）能源使用时间；（b）功率密度1896 年，法国物理学家 Antoine Henri Becquerel 从铀盐使底片感光中发现了元素的天然放射性（natural radioactivity）[8]，由此开启了核物理学的大门。随后，英国物理学家 Ernest Rutherford 用 α 粒子轰击金箔并提出了原子核式结构模型（Rutherford model）[9]。然而，这一时期对于镭衰变产生贝塔粒子阻止电压的测量问题仍未解决，尽管这一数值在理论上预言能够达到百万伏但没有任何实验方法可以对其进行直接验证。直到 1913 年，Henry Gwyn JeffreysMoseley 在 Rutherford 的指导下巧妙地设计了一套力学位移测量装置，通过测量磁盘的位移并计算球泡所积累的电势从而测得镭衰变产生贝塔电子在电极间形成的累积电压达到十万多伏
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文- 3 -图1-2 同位素电池的发展历程简述[12]图1-2简述了同位素电池的发展历程[12]，自Moseley提出β电池概念至今，学术界从换能方式、换能结构和换能材料方面对同位素电池进行了系统研究，使得同位素电池的输出功率和能量转换效率得到了较大提升，并在工业界已初具规模。目前而言，同位素电池（radioisotope batteries, RIB）的实用化效率仍然较低，其主要研究重点聚焦于依托微/纳机电系统（MEMS/NEMS）、深空探测等具体应用环境并开展相应的先进热电材料与器件（thermoelectric materials& generators）、宽禁带多维半导体材料器件（wide-bandgap multi-dimensionalsemiconductors）等换能组件与复合换能结构（hybrid energy conversion）和放射性同位素电池燃料（radioisotope fuels）方面的探索[12,13]。1.3 同位素电池的工作原理放射性同位素电池的基本原理是利用换能器件将同位素放射源衰变时释放出射线的能量转换为电能并通过电源管理网络接入负载达到供电目的[1]。目前，同位素电池基本工作原理的研究主要包括电池设计要求、同位素燃料、能量转换机制和性能测试评估几个方面
几种常用同位素放射源的特性比较：（a）α放射源；（b）β放射源
本文编号：2772637
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM918
【图文】：
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文- 2 -图1-1 不同能源类型比较：（a）能源使用时间；（b）功率密度1896 年，法国物理学家 Antoine Henri Becquerel 从铀盐使底片感光中发现了元素的天然放射性（natural radioactivity）[8]，由此开启了核物理学的大门。随后，英国物理学家 Ernest Rutherford 用 α 粒子轰击金箔并提出了原子核式结构模型（Rutherford model）[9]。然而，这一时期对于镭衰变产生贝塔粒子阻止电压的测量问题仍未解决，尽管这一数值在理论上预言能够达到百万伏但没有任何实验方法可以对其进行直接验证。直到 1913 年，Henry Gwyn JeffreysMoseley 在 Rutherford 的指导下巧妙地设计了一套力学位移测量装置，通过测量磁盘的位移并计算球泡所积累的电势从而测得镭衰变产生贝塔电子在电极间形成的累积电压达到十万多伏
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文- 3 -图1-2 同位素电池的发展历程简述[12]图1-2简述了同位素电池的发展历程[12]，自Moseley提出β电池概念至今，学术界从换能方式、换能结构和换能材料方面对同位素电池进行了系统研究，使得同位素电池的输出功率和能量转换效率得到了较大提升，并在工业界已初具规模。目前而言，同位素电池（radioisotope batteries, RIB）的实用化效率仍然较低，其主要研究重点聚焦于依托微/纳机电系统（MEMS/NEMS）、深空探测等具体应用环境并开展相应的先进热电材料与器件（thermoelectric materials& generators）、宽禁带多维半导体材料器件（wide-bandgap multi-dimensionalsemiconductors）等换能组件与复合换能结构（hybrid energy conversion）和放射性同位素电池燃料（radioisotope fuels）方面的探索[12,13]。1.3 同位素电池的工作原理放射性同位素电池的基本原理是利用换能器件将同位素放射源衰变时释放出射线的能量转换为电能并通过电源管理网络接入负载达到供电目的[1]。目前，同位素电池基本工作原理的研究主要包括电池设计要求、同位素燃料、能量转换机制和性能测试评估几个方面
几种常用同位素放射源的特性比较：（a）α放射源；（b）β放射源
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1 周毅;压电热电动态型同位素电池换能组件与结构的优化设计研究[D];哈尔滨工业大学;2019年
本文编号：2772637
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