Двигатели стирлинга

Получение электрической энергии для продолжительного ее использования

Хотя было проведено большое число экспериментальных ис­следований по использованию радиоактивных изотопов для при­менений под водой, самым удачным оказался проект для при­менения на поверхности моря. Термомеханический генератор (ТМГ) был сконструирован и построен в Научно-исследователь­ском центре по атомной энергии в Харуэлле (Великобритания) [15]. В действующей в настоящее время установке ТМГ, упо­мянутой в гл. 1 и 4, используется горелка на природном газе, хотя первоначально предполагалось использовать радиоактив­ный изотоп 90Sr. Насколько известно авторам, установка ТМГ на радиоактивном изотопе испытывалась в Харуэлле непрерывно начиная с октября 1974 г. [16]. В работах по подводным при­менениям обычно использовался изотоп 60Со. Таким образом, работ по системам со сжиганием металлов и с термоаккумули - рующими материалами, очевидно, пока не проводилось.

При выборе изотопа следует учитывать следующие его свой­ства [17]:

1) доступность;

2) стоимость;

3) период полураспада;

4) производство, возможность заключения в капсулы и ма­нипулирования;

5) биологическая опасность;

6) объемная скорость выделения теплоты;

7) требования к защите;

8) характеристики выделения энергии.

Подробное изучение изотопов [17] показало, что наиболее подходящими являются изотопы кобальта 60Со и тулия в виде 170Тт2Оз. Лучше использовать 60Со, поскольку эксперименталь­ных данных по его применению для тепловых двигателей боль­ше [18]. Он имеет высокую плотность энерговыделения, период его полураспада составляет 5,3 года, и он довольно дешев.

Генераторы на радиоизотопном источнике тепла не являются чем-то неожиданным, поскольку уже в течение многих лет не­пользуется преобразование выделяемого изотопами тепла и электричество. Но КПД таких систем в лучшем случае состав­ляет только 6%, что делает их непригодными для промышлен­ного применения, хотя их используют для космических и воен­ных целей [15J. Несколько таких генераторов, построенных в Харуэлле, были введены в действие еще в 1966 г. [19]. Системы с изотопными источниками энергии и двигателями Стирлинга можно использовать там, где требуются мощности в несколько ватт, например для питания осветительной аппаратуры навига­ционных морских буев. В таких случаях для непрерывного энер­госнабжения в течение продолжительного времени расход энер­гии может превышать 220 кВт-ч. При таких нагрузках масса даже самых легких из имеющихся электрических батарей пре­вышает 1000 кг. Низкая эффективность термоэлектрических пре­образователей и большая масса систем с батареями делают систему с изотопным источником тепла и двигателем Стирлинга весьма привлекательной. В начальный период создания ТМГ был достигнут общий КПД, равный 13 % [15], а характеристики свободнопоршневого двигателя Стирлинга в то время практи­чески не отличались от характеристик современных прототипов. Изотоп размещался сразу же за головкой нагревателя в кожухе с тепловой и радиоактивной защитой. В ТМГ, показанном на рис. 1.35, изоляция удалена. Так как кожух предназначен для экранирования радиоактивного излучения изотопов, которые в этом случае не находятся близко к головке, то устраняется ка­кая-либо опасность при эксплуатации. При таком способе на­грева стоимость топлива для двигателя Стирлинга понижается вдвое по сравнению со стоимостью ископаемых топлив и до двух третей по сравнению со стоимостью при термоэлектрическом преобразовании энергии.

Еще одно исследование авторов работы [17] посвящено изу­чению более крупной системы с существенно меньшим сроком службы. Исходными данными для проведения аналитических оценок служили результаты лабораторных испытаний различ­ных изотопных источников тепла. В результате был сделан вы­вод о том, что «их достижимые характеристики... по крайней мере на 50 % превышают показатели альтернативных преобра­зователей».

Таким образом, теоретические оценки и результаты реаль­ных испытаний показали целесообразность использования си­стем с двигателями Стирлннга и изотопными источниками тепла для специальных применений. В связи с тревогой общественно­сти по поводу использования радиоактивных материалов широ­кое применение этой перспективной системы будет невозмож­ным, за исключением военных целей. Тем не менее работа по космическим системам продолжается [1].