放射性同位素电池的热力学性能分析

摘要

建立了一种考虑外部有限速度传热的热离子电池模型,该系统以放射性同位素衰变热作为热源驱动装置的运行.基于系统的热量平衡和传热过程,导出了电池系统与外部热源之间传热服从辐射传热定律时输出功率和效率的一般表达式.通过数值计算详细分析了该同位素热离子电池装置的功率效率特性,讨论了有限速率传热及热源温度等参数对电池系统性能的影响.分析结果表明,运行过程中存在最优的输出电压和功函数可使同位素电池的输出功率与效率达到最大值.电池的功率与效率特性关系曲线呈回原点扭叶型,输出功率和效率随同位素热源温度的增加而增大.对比分析了考虑和不考虑传热时电池装置的性能,结果发现,如果考虑装置与外部热源之间的传热,热离子电极的工作温度不再与热源温度相等;由于存在有限速率传热的不可逆性,电池系统的输出功率、效率都会降低.所得结果对实际放射性同位素热离子核电池的设计和运行具有一定的理论指导意义.