溫差發(fā)電機(jī)

溫差發(fā)電機(jī)

本實用新型涉及一種無槽鐵芯動磁場式發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的定子包括定子支架，在定子支架的兩個圓盤上裝有均布的定子鐵芯，每一定子鐵芯上繞有定子線圈，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸上套固有轉(zhuǎn)子鐵芯和與轉(zhuǎn)子鐵芯固定的兩個極盤，轉(zhuǎn)子鐵芯上繞有激磁線圈，轉(zhuǎn)子鐵芯和激磁線圈位于空心圓柱體內(nèi)，兩個極盤位于兩個圓盤的外側(cè)，每一極盤的外環(huán)面上均布有凸極。這種無槽同步發(fā)電機(jī)的特點是體積小、鐵損低、發(fā)電效率高、材料利用率高、成本低、便于維修。

括定子組件，其特征是：所述的定子組件包括假定子(5)、鐵芯(6)、定子繞組(7)，所述的假定子(5)套裝在所述的鐵芯(6)的外面，所述的定子繞組(7)布線在所述的假定子(5)的外面；所述的假定子(5)用絕緣材料制作。本發(fā)明取消了定子鐵芯沖片上的槽和齒，代之以絕緣的假定子(5)，從而有效地解決了有槽電機(jī)的幾個共同問題——齒槽效應(yīng)、磁滯損耗、渦流損耗、磁飽和。本發(fā)明的負(fù)載效率高，可無級調(diào)速，加速特性好；過載能力大；體積??；運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動??；且制造工藝簡單。

"放射性同位素溫差發(fā)電器"也被叫做"核電池"或"原子能電池"。這種溫差發(fā)電器是由一些性能優(yōu)異的半導(dǎo)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(lián)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溫差才可發(fā)電。

兩片不同材料(半導(dǎo)體或金屬)具有溫差的物體接近時，有兩種方式可以形成"熱"傳遞?；蛘哒f形成分子運(yùn)動速度傳遞。第一是分子碰撞，溫度低的速度慢，能量低。溫度高的速度快。兩者結(jié)合在一起，最終形成"中和"。第二種是"熱輻射"，也就是"電磁輻射"。只是這種電磁輻射的波長要比可見光長一些，但溫度高時發(fā)出的輻射就是"可見光"了。所以說在空間內(nèi)"電磁輻射"是能量傳遞的最基本形式。物體只要在絕對零度以上就能向外界發(fā)射"電磁輻射"線。只是不同物體在不同溫度下，電磁輻射的強(qiáng)度不同。溫差就是指兩種物體在接觸時電磁輻射強(qiáng)度有差別。即物體間存在電磁場強(qiáng)度差別，即存在"電位差"或者說存在"電動勢"，導(dǎo)線可以理解為"等勢體"。這樣溫度不同的物體間接一導(dǎo)線，即會有"電流"產(chǎn)生。

放射性同位素溫差發(fā)電器的熱源是放射性同位素。它們在蛻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(zhì)大得多的能量。這種很大的能量有兩個令人喜愛的特點。一是蛻變時放出的能量大小、速度，不受外界環(huán)境中的溫度、化學(xué)反應(yīng)、壓力、電磁場的影響，因此，放射性同位素溫差發(fā)電器以抗干擾性強(qiáng)和工作準(zhǔn)確可靠而著稱。另一個特點是蛻變時間很長，這決定了核電池可長期使用。放射性同位素溫差發(fā)電器采用的放射性同位素來主要有鍶-90(Sr-90，半衰期為28年)、钚-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。將它制成圓柱形電池。燃料放在電池中心，周圍用熱電元件包覆，放射性同位素發(fā)射高能量的α射線，在熱電元件中將熱量轉(zhuǎn)化成電流。

放射性同位素溫差發(fā)電器的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態(tài)熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產(chǎn)生電位差，從而發(fā)電。它的優(yōu)點是可以做得很小，只是效率頗低，目前熱利用率只有10%~20%，大部分熱能被浪費(fèi)掉。

溫差電技術(shù)性能穩(wěn)定、無需維護(hù)的特點使其在發(fā)電和輸送電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)揮著重要的作用, 已用于極地、沙漠、森林等無人地區(qū)的微波中繼站電源、遠(yuǎn)地自動無線電接收裝置和自動天氣預(yù)報站、無人航標(biāo)燈、油管的陰極保護(hù)等. 世界最大的溫差發(fā)電機(jī)生產(chǎn)商--美國Global Thermoelectric Inc制造的用于管道監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、通訊和腐蝕防護(hù)的溫差發(fā)電設(shè)備, 輸出功率可達(dá)5000W. 前蘇聯(lián)從1960年代末開始先后制造了1000多個放射性同位素溫差電機(jī), 廣泛用于燈塔和導(dǎo)航標(biāo)志, 平均使用壽命長于10年. 該類型發(fā)電機(jī)以Sr90為熱源, 可穩(wěn)定提供7~30V, 80W的輸出

長久以來, 因為受到生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)換效率的限制, 溫差電技術(shù)的應(yīng)用一直局限于高科技和軍事、航天領(lǐng)域. 最近, 由于化石能源數(shù)量的日益減少和化石能源燃燒所引起的環(huán)境惡化問題的逼近, 人們意識到利用低品位和廢熱進(jìn)行發(fā)電對解決環(huán)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(qiáng)了溫差發(fā)電方式的商業(yè)競爭性. 我們知道, 發(fā)電成本主要由運(yùn)行成本和設(shè)備成本組成. 運(yùn)行成本取決于轉(zhuǎn)換效率和原料, 設(shè)備成本決定于產(chǎn)生額定輸出電力的裝置. 雖然熱電轉(zhuǎn)換模塊的成本很高, 但由于利用低品位和廢熱發(fā)電的原料費(fèi)用極少, 幾近為零, 運(yùn)行成本很低, 因此發(fā)電總費(fèi)用降低, 使得溫差發(fā)電可與現(xiàn)存發(fā)電方式進(jìn)行商業(yè)競爭. 日本近幾年開展了一系列以"固體廢物燃燒能源回收研究計劃"為題的政府計劃, 研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術(shù), 將透平發(fā)電機(jī)和溫差發(fā)電機(jī)結(jié)合起來, 實現(xiàn)不同規(guī)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. 繼日本之后, 2003年11月美國能源部宣布資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術(shù)大學(xué)、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(zhuǎn)換材料和應(yīng)用技術(shù)方面的開發(fā), 其主要應(yīng)用對象是工業(yè)生產(chǎn)中的尾氣熱和其他構(gòu)件中的廢熱和余熱利用.

在醫(yī)學(xué)上，放射性同位素電池已用于心臟起搏器和人工心臟。它們的能源要求精細(xì)可靠，以便能放入患者胸腔內(nèi)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(jié)體外到體內(nèi)的管線卻成了重要的感染渠道，很是使人頭疼。現(xiàn)在可好了，眼下植入人體內(nèi)的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內(nèi)裝150毫克钚238，整個電池只有 160克重，體積僅 18立方毫米。它可以連續(xù)使用10年以上。

我國第一個钚-238同位素電池已在中國原子能科學(xué)研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補(bǔ)了我國長期以來在該研究領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著我國在核電源系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電能，具有尺寸小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長、環(huán)境耐受性好等特點，能為空間及各種特殊、惡劣環(huán)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(yīng)用，用于航天器的能源供應(yīng)。

隨著我國空間探測的進(jìn)一步發(fā)展以及未來深空探測的需求，為我國航天器提供穩(wěn)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(shè)備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，掌握同位素電池制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)并具備自主研制生產(chǎn)能力顯得尤為重要。2004年，原子能院同位素所承擔(dān)了"百毫瓦級钚-238同位素電池研制"任務(wù)，在兩年時間里要完成總體設(shè)計和一系列相關(guān)工藝研究，研制出樣品。

同位素所和協(xié)作單位并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(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，輻射防護(hù)檢測的各項指標(biāo)均符合國家安全要求。中國第一個钚-238同位素電池誕生了。

我國第一個钚-238同位素電池的研制成功是我國在核電源系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重大突破，為繼續(xù)探索、開發(fā)空間能源打下了堅實的基礎(chǔ)。

1832年，法國人畢克西發(fā)明了手搖式直流發(fā)電機(jī)，其原理是通過轉(zhuǎn)動永磁體使磁通發(fā)生變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并把這種電動勢以直流電壓形式輸出。

1866年，德國的西門子發(fā)明了自勵式直流發(fā)電機(jī)。

1869年，比利時的格拉姆制成了環(huán)形電樞，發(fā)明了環(huán)形電樞發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)是用水力來轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的，經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)，于1847年得到了3。2KW的輸出功率。

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

1896年，特斯拉的兩相交流發(fā)電機(jī)在尼亞拉發(fā)電廠開始勞動營運(yùn)，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(shè)了發(fā)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(dǎo)線通過電磁場，導(dǎo)線轉(zhuǎn)動有電流流過電線，法拉第因此了解到電和磁場之間有某種緊密的關(guān)連，他建造了第一座發(fā)電機(jī)原型，其中包括了在磁場中迥轉(zhuǎn)的銅盤，此發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了電力。在此之前，所有的電皆由靜電機(jī)器和電池所產(chǎn)生，而這二者均無法產(chǎn)生巨大力量。但是，法拉第的發(fā)電機(jī)終于改變了一切。

發(fā)電機(jī)包括一個能在二個或二個以上的磁場間迅速旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，當(dāng)二個磁場相互交錯，就產(chǎn)生了電，由電線從發(fā)電機(jī)中導(dǎo)出。電子工程師依發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)都是產(chǎn)生交流電，它比直流電更易由傳輸線作長距離的傳送。

學(xué)過物理課的人都會記得，英國科學(xué)家法拉第于1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理。這一在人類社會發(fā)展過程中起到重要作用的原理是說:"當(dāng)磁場的磁力線發(fā)生變化時，在其周圍的導(dǎo)線中就會感應(yīng)產(chǎn)生電流。"

法拉第曾煞費(fèi)苦心，通過研究和反復(fù)實驗，終于發(fā)現(xiàn)了這一影響巨大的科學(xué)原理，而且他確信，利用此原理肯定能制造出可以實際發(fā)電的發(fā)電機(jī)。

就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的第二年，受法拉第發(fā)現(xiàn)的啟示，法國人皮克希應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制成了最初的發(fā)電機(jī)。

皮克希的發(fā)電機(jī)是在靠近可以旋轉(zhuǎn)的U 形磁鐵(通過手輪和齒輪使其旋轉(zhuǎn))的地方，用兩根鐵芯繞上導(dǎo)線線圈，使其分別對準(zhǔn)磁鐵的N 極和S 極，并將線圈導(dǎo)線引出。這樣，搖動手輪使磁鐵旋轉(zhuǎn)時，由于磁力線發(fā)生了變化，結(jié)果在線圈導(dǎo)線中就產(chǎn)生了電流。

由這種發(fā)電機(jī)的裝置可以知道，每當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)半圈時，線圈所對應(yīng)的磁鐵的磁極就改變一次，從而使電流的方向也跟著改變一次。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(zhuǎn)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(jīng)彈簧片分別與兩個金屬片相接觸。另外，再用兩根導(dǎo)線與兩個金屬片接觸，以引出電流。這個裝置，就叫做整流子，在后來的發(fā)電機(jī)上仍得到應(yīng)用。

整流子為什么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(zhuǎn)的。當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉(zhuǎn)過半周來而掉轉(zhuǎn)了方向，因而輸出的電流方向始終是不變的。

皮克希發(fā)明的這種發(fā)電機(jī)在世界上是首創(chuàng)，當(dāng)然也有其不足之處。需要對它進(jìn)行改進(jìn)的地方，一是轉(zhuǎn)動磁鐵不如轉(zhuǎn)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(qiáng)弱還是不斷變化的。為改變這種情況，人們采用增加一些磁鐵和線圈數(shù)量，并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(qiáng)度變化控制在一定的范圍內(nèi)。

從皮克希發(fā)明發(fā)電機(jī)后的30 多年間，雖然有所改進(jìn)，并出現(xiàn)了一些新發(fā)明，但成果不大，始終未能研制出能輸出像電池那樣大的電流，而且可供實用的發(fā)電機(jī)。

1867 年，德國發(fā)明家韋納·馮·西門子對發(fā)電機(jī)提出了重大改進(jìn)。他認(rèn)為，在發(fā)電機(jī)上不用磁鐵(即永久磁鐵)，而用電磁鐵，這樣可使磁力增強(qiáng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。

西門子用電磁鐵代替永久磁鐵發(fā)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(dāng)轉(zhuǎn)動線圈時，利用這一微弱的剩磁發(fā)出電流，再反回給電磁鐵，促使其磁力增強(qiáng)，于是電磁鐵也能產(chǎn)生出強(qiáng)磁性。 接著，西門子著手研究電磁鐵式發(fā)電機(jī)。很快就制成了這種新型的發(fā)電機(jī)，它能產(chǎn)生皮克發(fā)電機(jī)所遠(yuǎn)不能相比的強(qiáng)大電流。同時，這種發(fā)電機(jī)比連接一大堆電池來通電要方便得多，因而它作為實用發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用起來。

西門子的新型發(fā)電機(jī)問世后不久，意大利物理學(xué)家帕其努悌于1865 年發(fā)明了環(huán)狀發(fā)電機(jī)電樞。這種電樞是以在鐵環(huán)上繞線圈代替在鐵芯棒上繞制的線圈，從而提高了發(fā)電機(jī)的效率。

實際上，帕斯努悌早在1860 年就提出了發(fā)電機(jī)電樞的設(shè)想，但未能引起的人們的注意。1865 年，他又在一本雜志上發(fā)表了這一獨創(chuàng)性的見解，仍未得到社會的公認(rèn)。

到了1869 年，比利時學(xué)者古拉姆在法國巴黎研究電學(xué)時，看到了帕其努悌發(fā)表的文章，認(rèn)為這一發(fā)明有其優(yōu)越性。于是，他就根據(jù)帕其努悌的設(shè)計方案，兼采納了西門子的電磁鐵式發(fā)電機(jī)原理進(jìn)行研制，于1870 年制成了性能優(yōu)良的發(fā)電機(jī)。

在帕其努悌的發(fā)明中，對發(fā)電機(jī)的整流子部分進(jìn)行了重要改進(jìn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流強(qiáng)度變化極小。而采用帕其努悌設(shè)計方案制成的古拉姆式發(fā)電機(jī)，其發(fā)出的電流強(qiáng)度變化也很小。這是古拉姆發(fā)電機(jī)的優(yōu)良性能的表現(xiàn)之一。

古拉姆發(fā)電機(jī)的性能好，所以銷路很廣，他不僅發(fā)了財，而且被人們譽(yù)為"發(fā)電機(jī)之父"。

有些人看到古拉姆發(fā)明發(fā)電機(jī)獲得成功，也想對發(fā)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)從而制造出更先進(jìn)的發(fā)電機(jī)。在這些人中，就有德國的西門子公司研究發(fā)電機(jī)的工程師阿特涅。他發(fā)明了古拉姆發(fā)電機(jī)不同的線圈繞線方式，制成了性能良好的發(fā)電機(jī)。

古拉姆發(fā)電機(jī)的電樞是將鐵絲繞成環(huán)狀，在環(huán)與環(huán)之間夾上紙進(jìn)行絕緣，然后將環(huán)捆在一起作為鐵芯，在其上面繞上導(dǎo)線線圈，再由線圈的不同部位引出一些導(dǎo)線，接向帶整流子。而阿特涅發(fā)電機(jī)的電樞，是用許多薄圓鐵板以紙絕緣后重疊起來，制成鐵芯，然后在上面繞上導(dǎo)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(jīng)過這種改進(jìn)后，發(fā)電機(jī)無論是外觀或是性能，都比原來有了很大起色。

西門子公司由于阿特涅的這項發(fā)明而益發(fā)馳名。于是，德國以西門子公司為核心，大力研制各種發(fā)電機(jī)，從而使電力工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。

隨著發(fā)電機(jī)的逐漸大型化，轉(zhuǎn)動發(fā)電機(jī)的動力也發(fā)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(zhuǎn)動大型發(fā)電機(jī)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(fā)電的研究工作。

利用水力發(fā)電與水力發(fā)電不同，前者必須將發(fā)電機(jī)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(fā)電，然后再輸送到遠(yuǎn)方的城市。

為了遠(yuǎn)距離輸送電，就要架設(shè)很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強(qiáng)的電流時，電線就要發(fā)熱，這樣，好不容易發(fā)出的電能在送向遠(yuǎn)方的途中，卻因為電線發(fā)熱而損耗掉了。

為了減少電能在長距離輸送中的發(fā)熱損耗，可以采用的辦法有兩個: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(dǎo)線，而且架設(shè)很粗的導(dǎo)線有很多困難，因而很難得到采用。比較起來，還是后一個措施有實用價值。然而，對于當(dāng)時使用的直流電來說，使其電壓提高或降低都是難以實現(xiàn)的。于是，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(fā)電機(jī)改為交流電發(fā)電機(jī)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于1873 年發(fā)明了交流發(fā)電機(jī)。此后，對交流發(fā)電機(jī)的研究工作便盛行起來，從而使這種發(fā)電機(jī)得到了迅速的發(fā)展