同位素热光伏电源热设计及优化研究

为控制同位素热光伏电源的热源温度,提高热电转换效率,提出了基于气凝胶离散间隔高温多层的高温热控方法,并建立了相应的热模型。对不同热源功率工况进行仿真,热源温度的计算值与试验结果吻合良好,验证了模型的准确性和适用性。利用模型分析了同位素热光伏电源热性能,结果表明:针对该构型电源,当发射器发射率为0.145、反射屏发射率为0.162时,热源温度为1078℃;热源温度随发射器发射率和反射屏发射率的下降均呈单调升高趋势;高温多层单元数小于20时,增加单元数可显著提升多层隔热性能。研究结果为同位素热光伏电源热设计和优化提供了依据。

深空同位素热光伏系统中锑化镓电池的研制及性能测试

针对深空同位素热光伏系统效率提升问题及对国产化红外热光伏换能器件的迫切需求,对GaSb电池制造工艺开展研究,通过PC1D仿真计算,确定电池制备的基本参数,采用双步扩散法进行电池的制备。搭建了自制电池快速测试系统,对电池性能进行评估并不断优化相关制备工艺,探究了GaSb电池在不同辐射温度下性能的变化。掌握了Zn在GaSb中的扩散规律,研制的GaSb红外电池在同等辐射光谱下输出功率和填充因子均达到较高的水平。该工作可为实现深空热光伏同位素电源系统的效率提升以及工程化应用奠定研究基础。

同位素热光伏电源真空热性能试验研究

针对同位素热光伏电源内部的长期高温隔热需求,分别采用突刺、金属丝网和气凝胶作为间隔层,制作了3种不封边高温多层隔热组件,将其安装在同位素热光伏电源样机中,在真空试验台上进行了系统真空热性能测试。测试结果表明:在间隔层的装配间隔效果可控性方面,气凝胶间隔层最优;采用气凝胶间隔层时,高温多层隔热组件与滤光器形成的光学腔的封闭性最好,系统热量利用率最高,同位素热光伏电源样机在输入电功率为250 W时,热源温度达到1038℃,初步满足工程应用需求。

同位素热光伏系统辐射场分布及衰减率研究

开展深空、深海探测任务必须解决长周期能源供给问题,同位素热光伏电源(RTPV)系统是重要的解决方案之一,RTPV系统性能衰减研究是开展工程化设计的基础。本工作系统地计算了250 W^(238)PuO_(2)通用热源(GPHS)的功率衰减情况,利用蒙特卡洛方法模拟了RTPV系统内部的辐射场分布,最终结合国外相关实验得到RTPV系统的衰减率。当电池系统服役20 a时,热功率下降导致系统转换效率下降的年衰减率为0.5%;富氧情况下^(238)PuO_(2)源产生的中子辐照导致GaSb晶元转换效率下降的年衰减率为0.7%;综合考虑功率衰减及中子辐照影响,RTPV系统的年衰减率为1.2%。

深空探测RTPV高温多层隔热技术研究

RTPV作为一种用于深空探测的高效率核电源,其高温隔热技术是影响系统热电转换效率的关键因素之一。针对基于陶瓷点阵间隔层、钼箔反射屏的新型高温多层隔热组件,对比了烧结法、物理气相沉积法、大气等离子喷涂等陶瓷点阵制备工艺,优选出大气等离子喷涂法,成功在钼箔表面制备了直径1.5 mm、厚度0.1 mm、间距15 mm的ZrO2颗粒点阵,并将其作为高温多层的1个单元。仿真结果显示,氧化锆陶瓷点阵高温多层隔热组件的瞬态与稳态隔热性能均优于传统高温多层隔热组件,且具有在小尺寸下边缘漏热小、不产生多余物、长期耐受1000℃高温的特点,可满足深空探测同位素热光伏电源的隔热需求。