WikiDer > Термоэмиссионный преобразователь

Thermionic converter

А термоэлектронный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоэмиссионно излучает электроны через барьер потенциальной энергии к более холодному электроду, производя полезную выходную электрическую мощность. Цезий пар используется для оптимизации электрода рабочие функции и предоставить ион поставка (по поверхностная ионизация или же ионизация электронным ударом в плазме), чтобы нейтрализовать электрон космический заряд.

Определение

С физической электронной точки зрения термоэлектронное преобразование энергии - это прямое производство электроэнергия из высокая температура термоэлектронной эмиссией. Из термодинамический смотровая площадка,[1] это использование электронного пара в качестве рабочего тела в энергетическом цикле. Термоэлектронный преобразователь состоит из горячего эмиттерного электрода, из которого электроны испаряются за счет термоэлектронной эмиссии, и более холодного коллекционного электрода, в котором они конденсируются после прохождения через межэлектрод. плазма. Результирующий ток, обычно несколько амперы на квадратный сантиметр поверхности эмиттера подает электроэнергию на нагрузку при типичной разности потенциалов 0,5–1 вольт и тепловом КПД 5–20%, в зависимости от температуры эмиттера (1500–2000 K) и режима работы.[2][3]

История

После первой демонстрации практического термоэлектронного преобразователя паров цезия в дуговом режиме, проведенного В. Вильсоном в 1957 г., в последующее десятилетие было продемонстрировано несколько его применений, включая солнечный, горение, радиоизотоп и ядерный реактор источники тепла. Однако наиболее серьезным направлением деятельности было внедрение термоэмиссионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе.[4][5] Исключительно высокий Рабочая Температура термоэлектронных преобразователей, что затрудняет их практическое использование в других приложениях, дает термоэлектронным преобразователям решающие преимущества по сравнению с конкурирующими технологиями преобразования энергии в космической энергетике, где требуется отвод лучистого тепла. Существенные программы разработки космических термоэмиссионных реакторов были выполнены в НАС., Франция и Германия в период 1963–1973 годов, а США возобновили значительную программу разработки термоэмиссионных тепловыделяющих элементов в период 1983–1993 годов.

Термоэмиссионные системы питания использовались в сочетании с различными ядерные реакторы (БЭС-5, ТОПАЗ) в качестве источника питания на ряде советских военных спутников наблюдения в период с 1967 по 1988 год.[6][7]Видеть Космос 954 Больше подробностей.

Хотя приоритет использования термоэмиссионных реакторов уменьшился, поскольку США и русский космические программы были сокращены, исследования и разработка технологий в области термоэлектронного преобразования энергии продолжались. В последние годы проводились программы развития технологий космических термоэмиссионных систем с солнечным обогревом. Прототип термоэлектронной системы с подогревом для бытового тепла и электроэнергии когенерация, и для исправление, были разработаны.[8]

Описание

Научные аспекты термоэлектронного преобразования энергии в первую очередь касаются областей физика поверхности и физика плазмы. Свойства поверхности электрода определяют величину электронная эмиссия текущий и электрический потенциал на поверхности электродов, а свойства плазмы определяют перенос электронного тока от эмиттера к коллектору. Во всех существующих на сегодняшний день термоэлектронных преобразователях между электродами используется пары цезия, которые определяют как поверхность, так и свойства плазмы. Цезий используется, потому что он наиболее легко ионизируется из всех стабильных элементов.

Термоэмиссионный генератор подобен циклическому тепловому двигателю, и его максимальная эффективность ограничена законом Карно. Это низковольтное высоковольтное устройство с плотностью тока 25-50 (А / см2) при напряжении от 1-2В. Энергия высокотемпературных газов может быть частично преобразована в электричество, если стояки котла снабжены катодом и анодом термоэмиссионного генератора с промежуточным пространством, заполненным ионизированными парами цезия.

Основным интересным свойством поверхности является рабочая функция, который является барьером, ограничивающим ток эмиссии электронов с поверхности, и по существу является теплота испарения электронов с поверхности. Работа выхода определяется в первую очередь слоем атомов цезия, адсорбированных на поверхности электродов.[9] Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоэмиссионного преобразователя.[10] В режиме зажигания (или «дуги») плазма поддерживается за счет внутренней ионизации горячими электронами плазмы (~ 3300 K); в режиме без зажигания плазма поддерживается за счет инжекции положительных ионов извне в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами из межэлектродной области горячей плазмы, переносимой в межэлектродную область холодной плазмы.

Недавняя работа

Во всех упомянутых выше приложениях использовалась технология, в которой основные физические представления и характеристики термоэлектронного преобразователя были по существу такими же, как и те, которые были достигнуты до 1970 года. Однако в период с 1973 по 1983 год были проведены значительные исследования передовой технологии низкотемпературных термоэлектронных преобразователей. для промышленного и коммерческого производства электроэнергии на ископаемом топливе велось в США и продолжалось до 1995 г. космический реактор и военно-морской реактор Приложения. Это исследование показало, что теперь можно получить существенное улучшение характеристик преобразователя при более низких рабочих температурах путем добавления кислород к парам цезия,[11] подавлением отражения электронов от поверхностей электродов,[12] и в гибридном режиме. Аналогичным образом усовершенствования за счет использования кислородсодержащих электродов были продемонстрированы в России наряду с проектными исследованиями систем, в которых используются улучшенные характеристики термоэмиссионного преобразователя.[13] Недавние исследования[14] показали, что возбужденные атомы Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs-Ридберг дело что приводит к уменьшению излучающей работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0 - 0,7 эВ. Из-за долгоживущей природы ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой в ​​течение длительного времени, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Расор, Н. С. (1983). «Термоэлектронный преобразователь энергии». В Чанге, Шелдон С. Л. (ред.). Справочник по основам электротехники и вычислительной техники. II. Нью-Йорк: Вили. п. 668. ISBN 0-471-86213-4.
  2. ^ Hatsopoulos, G.N .; Гифтопулос, Э. П. (1974). Термионное преобразование энергии. я. Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0-262-08059-1.
  3. ^ Бакшт, Ф. Г .; Г. А. Дывжев; А. М. Марциновский; Б. Я. Мойжес; Г. Я. Дикус; Э. Б. Сонин; Юрьев В.Г. (1973). «Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма (пер. От Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма)»: 490. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ Миллс, Джозеф С .; Дальберг, Ричард К. (10 января 1991 г.). «Термоэмиссионные системы для миссий Министерства обороны США». Материалы конференции AIP. 217 (3): 1088–92. Bibcode:1991AIPC..217.1088M. Дои:10.1063/1.40069. Архивировано из оригинал 10 июля 2012 г.
  5. ^ Грязнов, Г. М .; Е. Е. Жаботинский; А. В. Зродников; Ю. В. Николаев; Н. Н. Пономарев-Степной; В.Я. Пупко; В. И. Сербин; В. А. Усов (июнь 1989 г.). «Термоэмиссионные реакторы-преобразователи для ядерных энергоблоков в космосе». Советская атомная энергия. Пленус Паб. Co. 66 (6): 374–377. Дои:10.1007 / BF01123508. ISSN 1573-8205.
  6. ^ Бюллетень ученых-атомщиков. Июль 1993. С. 12–.
  7. ^ Материалы симпозиума Advanced Compact Reactor Systems: Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 15-17 ноября 1982 г.. Национальные академии. 1983. С. 65–. НАП: 15535.
  8. ^ van Kemenade, E .; Вельткамп, В. Б. (7 августа 1994 г.). «Проект термоэмиссионного преобразователя для бытовой системы отопления» (PDF). Материалы 29-й межобщественной конференции по преобразованию энергии. II.
  9. ^ Rasor, Ned S .; Чарльз Уорнер (сентябрь 1964 г.). «Корреляция процессов эмиссии адсорбированных щелочных пленок на металлических поверхностях». Журнал прикладной физики. Американский институт физики. 35 (9): 2589. Bibcode:1964JAP .... 35.2589R. Дои:10.1063/1.1713806. ISSN 0021-8979.
  10. ^ Расор, Нед С. (декабрь 1991 г.). «Плазма с термоэлектронным преобразованием энергии». IEEE Transactions по науке о плазме. 19 (6): 1191–1208. Bibcode:1991ITPS ... 19.1191R. Дои:10.1109/27.125041.
  11. ^ J-L. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж. Б. Маквей и Н.С. Rasor, «Заключительный отчет HET IV», тома 1 и 2, отчет Rasor Associates № NSR-71/95/0842 (ноябрь 1995 г.); выполнено для лаборатории Westinghouse Bettis по контракту № 73-864733; 344 страницы. Также доступны полностью под названиями C.B. Geller, C.S. Murray, D.R. Райли, Дж. Л. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж. Б. Маквей и Н.С. Расор, «Программы повышения эффективности термоэлектроники (HET-IV) и преобразователя (CAP). Заключительные отчеты », DOE DE96010173; 386 страниц (1996).
  12. ^ Н.С. Расор, «Важное влияние отражения электронов на характеристики термоэлектронного преобразователя», Proc. 33rd Intersoc. Конв. Энергии Engr. Conf., Колорадо-Спрингс, Колорадо, август 1998 г., статья 98-211.
  13. ^ Ярыгин, Валерий И .; Виктор Н. Сидельников; Виталий Сергеевич Миронов. «Варианты преобразования энергии для инициативы НАСА по космическим ядерным энергетическим системам - недооцененные возможности термоэлектроники». Труды 2-й Международной конференции по преобразованию энергии..
  14. ^ Свенссон, Роберт; Лейф Холмлид (15 мая 1992 г.). «Поверхности с очень низкой работой выхода из конденсированных возбужденных состояний: ридберговское вещество цезия». Наука о поверхности. 269-270: 695–699. Bibcode:1992СурСк.269..695С. Дои:10.1016/0039-6028(92)91335-9. ISSN 0039-6028.