[发明专利]压电热电动态型同位素电池

说明书

本申请提出了压电热电动态型同位素电池。所述动态型同位素电池包括：气体管道；热源腔体包壳，热源腔体包壳相对的两端分别与所述气体管道的两端相连通，以构成封闭的循环管路，且热源腔体包壳上设有单向充气阀；燃料盒，燃料盒固定设置在热源腔体包壳内部；放射源，放射源设在所述燃料盒中；气态工质，气态工质填充在循环管路中；压电换能组件，压电换能组件设在所述气体管道的内表面上；热电换能组件，热电换能组件设在所述气体管道的外表面上，且与压电换能组件间隔设置；单腔压缩机，单腔压缩机设在所述气体管道上，用于驱动所述气态工质循环流动。由此，该动态型同位素电池可靠性好、能量转换效率高、工作稳定性好、输出功率可调，且使用寿命较长。

技术领域

本申请属于压电器件、热电器件与同位素电池领域，具体涉及基于气态工质的压电热电动态型同位素电池。

背景技术

原子核成分(或能态)自发地发生变化，同时放射出射线的同位素称为放射性同位素。放射性动态型同位素电池，简称动态型同位素电池，它是利用换能组件将放射性同位素衰变时释放出射线的能量转换成电能输出，从而达到供电目的。由于同位素电池具有服役寿命长、环境适应性强、工作稳定性好、无需维护、小型化等优点，目前已在军事国防、深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域被广泛应用。

同位素电池首先由英国物理学家Henry Moseley于1913年提出，而有关动态型同位素电池的研究主要集中在过去的100年。2017年，周毅等人结合不同换能方式下同位素电池换能效率高低与输出功率大小将同位素电池的换能方式分成了四类：①静态型热电式(温差电/热电、热离子发射、接触电势差、热光伏、碱金属热电转换)同位素电池；②辐射伏特效应(肖特基、PN/PIN结)同位素电池；③动态型热电式(布雷顿循环、斯特林循环、朗肯循环、磁流体发电、射流驱动压电式)同位素电池；④特殊换能机理(直接收集、辐射发光、衰变LC电路耦合谐振、压电悬臂梁、外中子源驱动式、宇宙射线/电磁波收集、磁约束下β粒子电磁辐射、磁分离式、辐射电离)同位素电池。

上述四类同位素电池的研究结果表明，能量转换效率低仍是目前同位素电池的共性所在。静态型热电式同位素电池的发展主要得益于国家层面的研究开发，特别是温差式同位素电池(radioisotope thermoelectric generators,RTG)的设计与制造目前在美国已日趋完善，但其基于热电材料换能电池能量转换效率较低，即便NASA最新报道的增强型多任务温差式同位素电池(enhanced multi-mission radioisotope thermoelectricgenerators,eMMRTG)的换能效率也不足8％，因而其使用范围有限、民用化过程较为困难。辐射伏特效应同位素电池以半导体材料为换能单元，可实现同位素电池器件小型化，提高了其在MEMS/NEMS与低功率/超低功率电子器件方面的应用，且随着宽禁带半导体与多维有序结构材料的快速发展取得了一定的研究成效，但辐射伏特效应同位素电池存在射线长期辐照下半导体材料性能退化问题，降低了辐射伏特效应同位素电池的使用寿命。与静态型热电式同位素电池和辐射伏特效应同位素电池相比，动态型热电式同位素电池具有较高的能量转换效率并已成为目前同位素电池的重要研究方向。然而，传统动态型同位素电池基于涡轮机或热机发电，存在高速运转部件润滑困难、高速转动产生的惯性矢量影响系统稳定性等技术瓶颈，未能实现实际应用。综上所述，关于动态型同位素电池的研究仍有待深入。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种能够突破传统动态型同位素电池存在单一换能、可靠性差、能损较大的技术瓶颈，具有能量转换效率高、工作稳定性好或输出功率可调等特点的动态型同位素电池。