一种反射聚光型高性能同位素热光伏电池

1.本实用新型属于同位素电池领域，具体涉及一种反射聚光型高性能同位素热光伏电池。


背景技术：

2.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。放射性同位素电池，简称同位素电池，它正是直接利用放射性同位素衰变释放出射线所具有的电能或是利用换能器件将放射性同位素衰变释放出射线的能量转换成电能，并将电能输出，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、航天航海、极地探测、生物医疗、电子工业等重要领域被广泛应用。
3.同位素电池首先由英国物理学家henry mosley于1913年提出。其中，静态型热电式（直接收集、温差电/热电、热离子发射、热光伏、碱金属热电转换、磁流体发电）因其较高的能量转换效率和简单可靠的结构而受到广泛研究。同位素热光伏电池是静态型热电式电池的一种，它利用同位素的热量进行热辐射，并用光电组件将辐射光子能量转换为电能。由于辐射出的红外波段光子波长较长，与光电半导体的禁带宽度匹配程度较差，所以常在光电组件和热辐射器间设置光子滤波器将光电组件无法利用的长波段光子反射回热辐射器。针对静态型热光伏同位素电池的研究结果表明，影响光伏组件光电转换效率的因素包括：组件边框损失、电池空间白板损失、焊带的阴影遮挡等，这些损失是因为入射到光电组件的光子没有全部被光伏电池利用。另一方面，被光电组件吸收但没有被光伏电池利用的这部分能量以热能形式沉积在光电组件中，导致光伏电池的工作温度升高，降低光伏电池的能量转换效率。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种反射聚光型高性能同位素热光伏电池，以解决现有光伏电池的能量转换效率较低的问题。
5.本实用新型的技术方案是：一种反射聚光型高性能同位素热光伏电池，包括外壳包壳，外壳包壳内设有同位素热源组件、热辐射器、光子滤波器和光电组件，外壳包壳顶部和底部分别设有上端板和下端板，上端板设有电池输出模块，还包括横梁反射挡板、多个端面反射挡板及多个v型反射挡板，横梁反射挡板环绕外壳包壳内壁安装在外壳包壳中部，多个端面反射挡板分别安装在上端板和下端板内侧，v型反射挡板的横截面为v形，v型反射挡板沿外壳包壳长向设置，多个v型反射挡板呈发散状均匀布置在同位素热源组件周向，多个v型反射挡板的尖端朝向同位素热源组件中心，多个v型反射挡板的开口端朝向外壳包壳。
6.作为本实用新型的进一步改进，热辐射器外壁设有多个用于安装v型反射挡板的尖端插槽，各v型反射挡板的尖端一一对应地安装在各尖端插槽内。
7.作为本实用新型的进一步改进，上端板和下端板内侧分别开设有多组用于安装v
型反射挡板的v型插槽，各v型反射挡板的端部一一对应地安装在各v型插槽内。
8.作为本实用新型的进一步改进，端面反射挡板与v型插槽间隔布置。
9.作为本实用新型的进一步改进，横梁反射挡板的横截面呈v形，外壳包壳内侧壁中部设有横梁，横梁反射挡板的开口端安装在横梁上，横梁反射挡板的两个面分别朝向外壳包壳两端。
10.作为本实用新型的进一步改进，v型反射挡板的空腔处填充有隔热填充物。
11.作为本实用新型的进一步改进，还包括换热组件，换热组件包括导热管和散热翅片，导热管紧贴光电组件，散热翅片安装于外壳包壳外侧壁，导热管端部穿过外壳包壳侧壁并与散热翅片相连。
12.本实用新型所依据的原理如下：（1）同位素衰变能先转化为热能，通过热辐射将热能转换为辐射光子的光能，再通过辐射光子的光电转换将光能转换为电能；（2）以各反射挡板（横梁反射挡板、端面反射挡板、v型反射挡板）组成的聚光阵列约束光照射区域，将原本光电组件中的光伏电池无法利用的光子重新汇聚到光伏电池上，使光伏电池区域光强提高，提升了光子的整体光电转换效率，从而提高同位素热光伏电池的能量转换效率。本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池实现电能输出的过程如下：放射性同位素发生衰变时所释放出能量以热能的形式传递到热辐射器上，热辐射器将热能转换为辐射光子，各反射挡板（横梁反射挡板、端面反射挡板、v型反射挡板）将辐射光子有效汇聚到光子滤波器区域，再由光伏电池将光能转换为电能。
13.本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池采用了反射型聚光结构，将照射至焊缝、电池封装边框、支撑结构等位置的光子汇聚到光电组件区域，减少在非换能部件区域的热量损失和热量堆积。本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池可应用于军事国防、深空深海、极地探测、生物医疗、电子工业等领域，提供长期稳定可靠的能源供给。
14.与现有技术相比，本实用新型的主要有益效果如下：本实用新型通过多个反射挡板（横梁反射挡板、端面反射挡板、v型反射挡板）组成的聚光阵列进行光学汇聚，将原本光电组件中光伏电池无法利用的光子重新汇聚到光伏电池区域，使光伏电池可利用的光强提高，从而提高光电换能器件的转换效率。另外，减少辐射光子照射在电池组件外产生的热量，减小同位素热光伏电池的热耗散，从而提高整体的能量转换效率。
附图说明
15.图1是本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池的径向截面图；
16.图2是本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池的立体图；
17.图3是本实用新型中外壳包壳的结构示意图；
18.图4本实用新型中下端板的结构示意图；
19.图5是本实用新型中端面反射挡板的排列示意图；
20.图6是本实用新型中上端板的结构示意图；
21.图7是本实用新型中电池输出模块的结构示意图；
22.图8是本实用新型中同位素热源组件的结构示意图。
23.图中：1-v型反射挡板；2-隔热层；3-辐射器；4-同位素燃料芯块；5-导热包壳；6-光子滤波器；7-光电组件；8-导热管；9-外壳包壳；10-散热翅片；11-端面反射挡板；12-横梁反
射挡板；13-同位素热源组件；14-卡扣凹槽；15-固定支架；16-导热管引出孔；17-第一螺栓孔；18-密封垫圈凹槽；19-挡板凹槽；20-热源凹槽；21-下端板；22-上端板；24-v型插槽；25-燃料包壳；26-缓冲材料；28-电池输出模块；29-密封阀；31-线材孔；32-稳压储能电路芯片；33-电能输出口；34-尖端插槽；35-隔热填充物；36-横梁；37-第二螺栓孔。
具体实施方式
24.以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
25.如图1-图8所示，一种反射聚光型高性能同位素热光伏电池，包括外壳包壳9，外壳包壳9内设有同位素热源组件13、热辐射器3、光子滤波器6和光电组件7，同位素热源组件13位于外壳包壳9中央，热辐射器3位于同位素热源组件外围，光电组件7安装在外壳包壳9内侧，光子滤波器6位于光电组件7与热辐射器3之间，外壳包壳9顶部和底部分别设有上端板22和下端板21，上端板22设有电池输出模块28，还包括横梁反射挡板12、多个端面反射挡板11及多个v型反射挡板1，横梁反射挡板12环绕外壳包壳9内壁安装在外壳包壳9中部，多个端面反射挡板11分别安装在上端板22和下端板21内侧，v型反射挡板1的横截面为v形，v型反射挡板1沿外壳包壳9长向设置，多个v型反射挡板1呈发散状均匀布置在同位素热源组件13周向，多个v型反射挡板1的尖端朝向同位素热源组件13中心，多个v型反射挡板1的开口端朝向外壳包壳9。外壳包壳9呈正棱柱状，外壳包壳9的每条棱处对应设置一个v型反射挡板1。
26.热辐射器3外壁设有多个用于安装v型反射挡板1的尖端插槽34，各v型反射挡板1的尖端一一对应地安装在各尖端插槽34内。上端板22和下端板21内侧分别开设有多组用于安装v型反射挡板1的v型插槽24，各v型反射挡板1的端部一一对应地安装在各v型插槽24内。端面反射挡板11与v型插槽24间隔布置。
27.横梁反射挡板12的横截面呈v形，外壳包壳9内侧壁中部设有横梁36，横梁反射挡板12的开口端安装在横梁36上，横梁反射挡板12的两个面分别朝向外壳包壳9两端。
28.v型反射挡板1的空腔处填充有隔热填充物35。
29.还包括换热组件，换热组件包括导热管8和散热翅片10，导热管8紧贴光电组件7，散热翅片10安装于外壳包壳9外侧壁，导热管8端部穿过外壳包壳9侧壁并与散热翅片10相连。
30.同位素热源组件13包括由内向外依次设置的同位素燃料芯块4、燃料包壳25、缓冲材料26和导热包壳5，缓冲材料26两端设有隔热层2。
31.本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池的制备方法如下：
32.a、制作外壳包壳9：使用压床机将铝合金板卷曲成正棱柱状外壳包壳9，并用焊接合缝；使用切削机床在外壳包壳9的棱内侧削出固定支架15，相邻的固定支架15之间形成用于安装光电组件7的卡扣凹槽14，在外壳包壳9的内侧壁中部削出横梁36，开设导热管引出孔16；使用切削机床在外壳包壳9两端边沿开设第一螺栓孔17，并削出用于安装真空密封垫圈的密封垫圈凹槽18；用铝合金板制作与外壳包壳9相适配的上端板22和下端板21，使用切削机床在上端板22和下端板21的内侧削出用于安装端面反射挡板11的挡板凹槽19、用于安装同位素热源组件13的热源凹槽20、v型插槽24，并开设第二螺栓孔37，第二螺栓孔37与第一螺栓孔17相对应；
33.b、安装反射挡板聚光阵列结构：在上端板22和下端板21的内侧安装隔热材料，再安装端面反射挡板11；端面反射挡板11通过卡扣固定在上端板22和下端板21内侧的挡板凹槽19上；通过螺钉将横梁反射挡板12固定在外壳包壳的横梁36上；使用螺栓将外壳包壳9与下端板21连接在一起；将隔热填充物35按照v型反射挡板1的形状进行切割，在下端板21的v型插槽24处嵌入隔热填充物35并用粘合剂固定，隔热填充物35与固定支架15用粘合剂进行固定；将v型反射挡板1插入下端板21的v型插槽24；
34.c、安装光电换能结构与换热组件：在光电组件7的封装表面镀上光子滤波器6，在光电组件7的电输出端焊接导线并将导线的另一头穿过下端板21上预留的导线孔引出到电池外侧；将导热管8安装在卡扣凹槽14，通过外壳包壳9上预留的导热管引出孔16将导热管8引出，导热管引出孔16上使用密封圈，将散热翅片10与导热管8连接并通过螺丝固定在外壳包壳9上；在卡扣凹槽14内安装光电组件7；导热管8的位置对应光电组件7内的光伏电池片，在光电组件7与导热管8的间隙中填涂导热材料；光子滤波器6通过透光性粘合剂材质（可以是eva、硅胶）固定在光电组件7的接收面上方；
35.d、安装同位素热源：将同位素燃料芯块4用燃料包壳25包裹，再用缓冲材料26将燃料包壳25包裹，在缓冲材料26的两端设置隔热层2，再将整个结构用导热包壳5包裹，制成同位素热源组件13；在下端板21的热源凹槽20上放置同位素热源组件13，在同位素热源组件13外层套装热辐射器3，使热辐射器3的尖端插槽34与v型反射挡板1的尖端咬合；
36.e、设备走线及真空密封：在上端板22开设出气孔和线材孔31，出气孔上安装密封阀29，将稳压储能电路芯片32安装在电池输出模块28内，光电组件7的电极通过导线从线材孔31引出并与稳压储能电路芯片32相连，将上端板22安装在外壳包壳9上，上端板22上热源凹槽20、v型插槽24的对应安装方式与下端板21相同，通过密封阀29将电池内部抽真空，用导线将稳压储能电路芯片32与电池输出模块28的电能输出口33相接，将电池输出模块28焊接固定在上端板22上。
37.横梁反射挡板12、端面反射挡板11及v型反射挡板1采用钢化玻璃板制作，钢化玻璃板进行基质金属镀层。钢化玻璃板材质（可以是熔融石英、氟化钙、氟化镁）进行热弯加工，形成v字型，在内侧进行基质金属镀层材质（可以是铝、银、金、汞），完成v型反射挡板1的制作。同理制作横梁反射挡板12。按端面反射挡板11的形状切割钢化玻璃，在背面做基质金属镀层，并在基质金属上焊接卡扣连接件，便于与上端板22和下端板21连接。
38.热辐射器3与光电组件7之间为真空腔体。上端板22、下端板21与外壳包壳9采用法兰连接结构，便于更换燃料和维修。
39.根据实际散热需要，导热管8内的工质也可以是水泵驱动的冷却剂。根据放射源的活度和大小，可以根据实际需要调整热辐射器3的半径和v型反射挡板1的角度。
40.放射源可以是α放射源：
210
po、gd
210
po、
210
po(re)、
210
po(re)3、
235
u、
238
pu、
238
puo2微球、
238
puo
2-mo陶瓷、
238
puo2燃料球、
238
puo2陶瓷、
238
pu-zr合金、
238
pu-ga合金、
238
pu-pt合金、
238
pu-sc合金、
238
pun、
238
puc、
241
am、
242
cm、
242
cm2o3、
244
cm或
244
cm2o3，也可以是β放射源：3h、
14
c、
35
s、
63
ni、
90
sr、
90
sr/
90
y、
90
srtio3、
106
ru、
137
cs、
137
cscl、
144
ce、
144
ceo2、
147
pm、
147
pm2o3或
151
sm。燃料包壳25的材质可以是钽合金、铅、铑、纳米铅复合材料。缓冲材料26可以是三维碳碳复合材料。导热包壳5可以是铜、不锈钢。光电组件7的材质可以是si、ge、nd2o3、gasb、ingaassb、ingaas或inpassb。导热介质可以是硅脂、硅胶、石墨。光子滤波器6材料可以是
si/sio2、ito、tcos。导热管8材质可以是铜、铝。散热翅片10的材质可以是铝、铜、碳纤维复合材料。隔热材料可以是玻纤棉、玻璃棉。外壳包壳9、下端板21、上端板22的材质可以是铝合金、钛合金、镁合金等轻合金材料。
41.本实用新型反射聚光型高性能同位素热光伏电池可以提高入射到光伏电池表面的光强，并且可以减少光电组件产生的热量，使光电组件拥有更高的能量转换效率、更大的电输出功率。