同位素溫差發(fā)電機發(fā)電機發(fā)展歷史

1832年，法國人畢克西發(fā)明了手搖式直流發(fā)電機，其原理是通過轉動永磁體使磁通發(fā)生變化而在線圈中產生感應電動勢，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。

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。這種發(fā)電機是用水力來轉動發(fā)電機轉子的，經過反復改進，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。 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，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)電機和電動機的專利權賣給了西屋公司。

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

發(fā)電機包括一個能在二個或二個以上的磁場間迅速旋轉的電磁鐵，當二個磁場相互交錯，就產生了電，由電線從發(fā)電機中導出。電子工程師依發(fā)電機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)電機都是產生交流電，它比直流電更易由傳輸線作長距離的傳送。

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

法拉第曾煞費苦心，通過研究和反復實驗，終于發(fā)現(xiàn)了這一影響巨大的科學原理，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。

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

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

由這種發(fā)電機的裝置可以知道，每當磁鐵旋轉半圈時，線圈所對應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，經彈簧片分別與兩個金屬片相接觸。另外，再用兩根導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)電機上仍得到應用。

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的。當磁鐵轉過半圈，線圈中電流方向倒逆過來，整流子也正好轉過半周來而掉轉了方向，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)電機在世界上是首創(chuàng)，當然也有其不足之處。需要對它進行改進的地方，一是轉動磁鐵不如轉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，使輸出電流的強度變化控制在一定的范圍內。

從皮克希發(fā)明發(fā)電機后的30 多年間，雖然有所改進，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。

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

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。當轉動線圈時，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，于是電磁鐵也能產生出強磁性。 接著，西門子著手研究電磁鐵式發(fā)電機。很快就制成了這種新型的發(fā)電機，它能產生皮克發(fā)電機所遠不能相比的強大電流。同時，這種發(fā)電機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)電機被廣泛應用起來。

西門子的新型發(fā)電機問世后不久，意大利物理學家帕其努悌于1865 年發(fā)明了環(huán)狀發(fā)電機電樞。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)電機的效率。

實際上，帕斯努悌早在1860 年就提出了發(fā)電機電樞的設想，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。

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

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

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

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

古拉姆發(fā)電機的電樞是將鐵絲繞成環(huán)狀，在環(huán)與環(huán)之間夾上紙進行絕緣，然后將環(huán)捆在一起作為鐵芯，在其上面繞上導線線圈，再由線圈的不同部位引出一些導線，接向帶整流子。而阿特涅發(fā)電機的電樞，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。經過這種改進后，發(fā)電機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，從而使電力工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。

隨著發(fā)電機的逐漸大型化，轉動發(fā)電機的動力也發(fā)生了變化。其中以水力作動力更使人們感興趣。這是因為用水力轉動大型發(fā)電機較方便，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，然后再輸送到遠方的城市。

為了遠距離輸送電，就要架設很長的輸電線。但是，在輸電線中通過很強的電流時，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線，而且架設很粗的導線有很多困難，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)電機改為交流電發(fā)電機比較容易，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。此后，對交流發(fā)電機的研究工作便盛行起來，從而使這種發(fā)電機得到了迅速的發(fā)展

由于一次能源形態(tài)的不同，可以制成不同的發(fā)電機。利用水利資源和水輪機配合，可以制成水輪發(fā)電機;由于水庫容量和水頭落差高低不同，可以制成容量和轉速各異的水輪發(fā)電機。利用煤、石油等資源，和鍋爐，渦輪蒸汽機配合，可以制成汽輪發(fā)電機，這種發(fā)電機多為高速電機(3000rpm)。此外還有利用風能、原子能、地熱、潮汐等能量的各類發(fā)電機。利用柴油、汽油等資源作為能源的柴油、汽油發(fā)電機用得比較廣泛。此外，由于發(fā)電機工作原理不同又分作直流發(fā)電機，異步發(fā)電機和同步發(fā)電機。目前在廣泛使用的大型發(fā)電機都是同步發(fā)電機。

發(fā)電機的種類有很多種。從原理上分為同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、單相發(fā)電機、三相發(fā)電機。從產生方式上分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機、汽油發(fā)電機等。從能源上分為火力發(fā)電機、水力發(fā)電機等。

能把其他能量轉變?yōu)殡娔艿脑O備的總稱。所產生的電能可以是直流電(DC)也可以是交流電(AC)。

是指電路與大地之間或與某些和大地相通的導電物體之間(有意或意外)的連接。

一種可直接根據(jù)電氣負載對發(fā)動機的怠速進行控制的系統(tǒng)。

為火花塞提供直流電壓的器件。

一種帶有永久磁鐵的交流發(fā)電機，用于產生內燃機點火所需要的電流。

電阻的單位。1 伏特電壓可以使 1 安培電流流過 1 歐姆電阻。

交流電的振幅或量值均勻、周期性的變化。三相交流電由三個不同的正弦波電流組成，相互之間的相位差均為 120 度。

該系統(tǒng)可以把您的發(fā)電機安全地接入到您的家庭用電系統(tǒng)中。

機組的設計工作速度(每分鐘轉數(shù))。

一套引擎發(fā)電機組的額定電壓是其設計的工作電壓值。

一種鑄件，用作轉子軸承外罩。轉子軸承支持轉子軸。

將交流電轉換為直流電的器件。

是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。

一種電動開關，通常用在控制電路中。與電流接觸器相比，其觸點只能通過較小的電流。

對電流的阻力。

發(fā)電機的轉動元件。

一個交流負載或電源，通常情況下，如果是一個負載，則只有兩個輸入端子，如果是一個電源，則只有兩個輸出端子。

電機的靜止部分。

位于發(fā)動機或發(fā)電機與機架之間的橡膠器件，可以最大限度地減輕振動。

電動勢的單位。把單位電動勢恒定地作用在電阻為 1 歐姆的導體上，將產生 1 安培電流。

電位差，單位用伏特表示。

該設備通過控制激勵轉子的直流電量，自動地使發(fā)電機電壓保持在一個正確值上。

電源功率的單位。對于直流電，它等于伏特乘以安培。對于交流電，它等于電壓有效值(伏特)乘以電流有效值(安培)乘以功率因數(shù)乘以一個常數(shù)(其值取決于相數(shù))。1 千瓦 - 1000 瓦特。

發(fā)電機的所有線圈。定子繞組由若干個定子線圈及其互聯(lián)線路組成。轉子繞組由轉子磁極上的所有繞組及接線組成。

我國第一個钚-238同位素電池已在中國原子能科學研究院誕生了，同位素電池的研制成功填補了我國長期以來在該研究領域的空白，標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、俄等國已實際應用，用于航天器的能源供應。

隨著我國空間探測的進一步發(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、設備最理想供電來源的同位素電池成為航天技術進步的重要標志，掌握同位素電池制備的一系列關鍵技術并具備自主研制生產能力顯得尤為重要。2004年，原子能院同位素所承擔了"百毫瓦級钚-238同位素電池研制"任務，在兩年時間里要完成總體設計和一系列相關工藝研究，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到了技術指標要求，輻射防護檢測的各項指標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。

"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"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，電磁輻射的強度不同。溫差就是指兩種物體在接觸時電磁輻射強度有差別。即物體間存在電磁場強度差別，即存在"電位差"或者說存在"電動勢"，導線可以理解為"等勢體"。這樣溫度不同的物體間接一導線，即會有"電流"產生。

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、化學反應、壓力、電磁場的影響，因此，放射性同位素溫差發(fā)電器以抗干擾性強和工作準確可靠而著稱。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%，大部分熱能被浪費掉。

溫差電技術性能穩(wěn)定、無需維護的特點使其在發(fā)電和輸送電困難的偏遠地區(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、遠地自動無線電接收裝置和自動天氣預報站、無人航標燈、油管的陰極保護等. 世界最大的溫差發(fā)電機生產商--美國Global Thermoelectric Inc制造的用于管道監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、通訊和腐蝕防護的溫差發(fā)電設備, 輸出功率可達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, 廣泛用于燈塔和導航標志, 平均使用壽命長于10年. 該類型發(fā)電機以Sr90為熱源, 可穩(wěn)定提供7~30V, 80W的輸出

長久以來, 因為受到生產成本和轉換效率的限制, 溫差電技術的應用一直局限于高科技和軍事、航天領域. 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)電成本主要由運行成本和設備成本組成. 運行成本取決于轉換效率和原料, 設備成本決定于產生額定輸出電力的裝置. 雖然熱電轉換模塊的成本很高, 但由于利用低品位和廢熱發(fā)電的原料費用極少, 幾近為零, 運行成本很低, 因此發(fā)電總費用降低, 使得溫差發(fā)電可與現(xiàn)存發(fā)電方式進行商業(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, 將透平發(fā)電機和溫差發(fā)電機結合起來, 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、密西根技術大學、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換材料和應用技術方面的開發(fā), 其主要應用對象是工業(yè)生產中的尾氣熱和其他構件中的廢熱和余熱利用.

在醫(yī)學上，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可靠，以便能放入患者胸腔內長期使用。以前在無法解決能源問題時，人們只能把能源放在體外，但連結體外到體內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，眼下植入人體內的微型核電池以鉭鉑合金作外殼，內裝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。