Термоэмиссионный преобразователь состоит из горячего электрода , который термоэлектронный испускает электроны над потенциальной энергией барьером к охладителю электроду, производя полезную электрическую выходную мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечения подачи ионов (посредством поверхностной ионизации или ионизации электронным ударом в плазме) для нейтрализации объемного заряда электронов .
Определение
С физической электронной точки зрения термоэлектронное преобразование энергии - это прямое производство электроэнергии из тепла путем термоэлектронной эмиссии. С термодинамической точки зрения [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 межэлектродную плазму . Результирующий ток, обычно несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности эмиттера, передает электрическую мощность на нагрузку при типичной разности потенциалов 0,5–1 вольт и тепловом КПД 5–20%, в зависимости от температуры эмиттера (1500–2000 K). и режим работы. [2] [3]
История
После первой демонстрации практической дуговой режим цезия пары термоэмиссионного преобразователь В. Вильсон в 1957 году, несколько ее применений были продемонстрированы в следующем десятилетии, в том числе его использования с солнечным , сгоранием , радиоизотопом и ядерными реакторами источников тепла. Однако наиболее серьезным направлением деятельности была интеграция термоэмиссионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе. [4] [5] Исключительно высокая рабочая температура термоэмиссионных преобразователей, затрудняющая их практическое использование в других приложениях, дает термоэлектронным преобразователям решающие преимущества перед конкурирующими технологиями преобразования энергии в космической энергетике, где требуется отвод лучистого тепла. Существенные программы разработки термоэмиссионных космических реакторов проводились в США , Франции и Германии в период 1963–1973 годов, а в США возобновились масштабные программы разработки термоэмиссионных ядерных тепловыделяющих элементов в период 1983–1993 годов.
Термоэмиссионные энергетические системы использовались в сочетании с различными ядерными реакторами ( БЭС-5 , ТОПАЗ ) в качестве источника электроэнергии на ряде советских военных разведывательных спутников в период с 1967 по 1988 год. [6] [7] См. « Космос 954» для более подробной информации.
Хотя приоритет использования термоэмиссионных реакторов уменьшился в связи с сокращением космических программ США и России , исследования и разработка технологий в области термоэмиссионного преобразования энергии продолжались. В последние годы были реализованы программы развития технологий космических термоэмиссионных систем с солнечным обогревом. Разработаны прототипы термоэмиссионных систем с подогревом от сжигания для бытовой когенерации тепла и электроэнергии , а также для ректификации . [8]
Описание
Научные аспекты термоэлектронного преобразования энергии в первую очередь касаются областей физики поверхности и физики плазмы . Свойства поверхности электрода определяют величину тока эмиссии электронов и электрического потенциала на поверхностях электродов, а свойства плазмы определяют перенос электронного тока от эмиттера к коллектору. На сегодняшний день во всех практических 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.
Термоэлектронный генератор похож на циклический тепловой двигатель, и его максимальная эффективность ограничена законом Карно. Это низковольтное высоковольтное устройство, в котором плотность тока 25-50 (А / см2) достигается 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.
Свойство поверхности, представляющее наибольший интерес, - это работа выхода , которая является барьером, ограничивающим ток эмиссии электронов с поверхности, и по существу представляет собой теплоту испарения электронов с поверхности. Работа выхода определяется в первую очередь слоем атомов цезия, адсорбированным на поверхности электродов. [9] Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоэмиссионного преобразователя. [10] В зажженном (или «дуговом») режиме плазма поддерживается за счет внутренней ионизации горячими электронами плазмы (~ 3300 K); в невозбужденном режиме плазма поддерживается за счет инжекции образовавшихся извне положительных ионов в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами из межэлектродной области горячей плазмы, переходящими в межэлектродную область холодной плазмы.
Недавняя работа
Во всех упомянутых выше приложениях использовалась технология, в которой базовое понимание физики 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 года для возможных применений в космических реакторах и военно-морских реакторах . Это исследование показало, что существенное улучшение характеристик преобразователя теперь может быть достигнуто при более низких рабочих температурах за счет добавления кислорода к парам цезия [11] за счет подавления отражения электронов от поверхностей электродов [12] и за счет работы 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- ридберговского вещества, что приводит к уменьшению работы выхода коллектора излучающей 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
- Атомная батарея
- Бетавольтаика
- Оптоэлектрическая ядерная батарея
- Радиоизотопный пьезоэлектрический генератор
- Термоэлектрический генератор
- Радиоизотопный термоэлектрический генератор
Рекомендации
- ^ Rasor, 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.
- ^ Hatsopoulos, GN; Гифтопулос, EP (1974). Термоэлектронное преобразование энергии . Я . Кембридж, Массачусетс: MIT Press . ISBN 0-262-08059-1.
- ^ Бакшт, Ф.Г .; Г.А. Дывжев; А.М. Марциновский; BY Мойжес; Г. Я. Дикус; Е.Б. Сонин; В.Г. Юрьев (1973). «Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма (пер. От Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма)»: 490. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ 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 . DOI : 10.1063 / 1.40069 . Архивировано из оригинального 10 июля 2012 года.
- ^ Грязнов, ГМ; 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. Ко. 66 (6): 374–377. DOI : 10.1007 / BF01123508 . ISSN 1573-8205 .
- ^ Бюллетень ученых-атомщиков . Июль 1993. С. 12–.
- ^ Труды симпозиума Продвинутые Компактные реакторные системы: Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 15-17 ноября, 1982 . Национальные академии. 1983. С. 65–. НАП: 15535.
- ^ van Kemenade, E .; Вельткамп, ВБ (7 августа 1994 г.). «Проект термоэмиссионного преобразователя для бытовой системы отопления» (PDF) . Труды 29-й Межобщественной конференции по преобразованию энергии . II .
- ^ Rasor, Ned S .; Чарльз Уорнер (сентябрь 1964 г.). «Корреляция эмиссионных процессов для адсорбированных щелочных пленок на металлических поверхностях» . Журнал прикладной физики . Американский институт физики. 35 (9): 2589. Bibcode : 1964JAP .... 35.2589R . DOI : 10.1063 / 1.1713806 . ISSN 0021-8979 .
- ^ 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 . DOI : 10.1109 / 27.125041 .
- ^ JL. Desplat, LK Hansen, GL Hatch, JB McVey и NS 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 доступно полностью как CB Geller, CS Murray, DR Riley, JL. Desplat, LK Hansen, GL Hatch, JB McVey и NS Rasor, «Программы повышения эффективности термоэлектроники (HET-IV) и конвертера (CAP). Заключительные отчеты », DOE DE96010173; 386 страниц (1996).
- ^ NS Rasor, «Важное влияние отражения электронов на характеристики термоэлектронного преобразователя», Proc. 33rd Intersoc. Конв. Энергии Engr. Conf., Колорадо-Спрингс, Колорадо, август 1998 г., статья 98-211.
- ^ 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 .
- ^ 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 : 1992SurSc.269..695S . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (92) 91335-9 . ISSN 0039-6028 .