Термоэмиссионный генератор что это

Термоэмиссионный генератор с КПД более 80 процентов

Вы используете Internet Explorer устаревшей и не поддерживаемой более версии. Чтобы не было проблем с отображением сайтов или форумов обновите его до версии 7.0 или более новой. Ещё лучше — поставьте браузер Opera или Mozilla Firefox.

Обсудить и задать вопросы можно в этой теме.

dimir
втянувшийся

Л.Н. Смирнов, В.Г. Сухоруков, ГУП «НИИЭнергоцветмет»
Перспективы термоэмиссионной энергетики

В энергетике основная доля выработки тепловой, механической и электрической видов энергии производится путем сжигания углеводородного топлива. Растущая стоимость добываемого топлива приводит к необходимости поиска путей его экономного расходования. Особенно остро стоит проблема эффективного преобразования тепла сжигания топлива в электрическую энергию.

Выработка электроэнергии паросиловыми агрегатами, составляющими основу современной электроэнергетики, из тепловой энергии осуществляется с малым коэффициентом полезного действия, значение которого не превосходит 28-31%. Проблема более эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую не решается и с помощью тепловых машин внутреннего сгорания -дизельных газотурбинных. КПД машин внутреннего сгорания лишь незначительно превосходит КПД паросиловых агрегатов, при этом используются дорогие виды топлива.

При решении задачи эффективного использования тепловой энергии в электрическую особую актуальность приобретает проблема использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в металлургии. Металлургия является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства Российской федерации. В 2002 году потребление энергоресурсов в целом по отрасли составило 152,2 млн. тонн условного топлива, из них на долю электроэнергии приходится 48,6%. По причине низкого значения КПД преобразования паросиловых агрегатов стоимость электрической энергии превосходит стоимость тепловой энергии в 3-4 раза. Доля тепла сжигаемого топлива, полезно используемого при выплавке металлов, не превосходит 25%. Остальное тепло плавки уходит с дымом в атмосферу. Применяемые в металлургии для полезного использования «бросового» тепла котлы-утилизаторы и элементы испарительного охлаждения вырабатывают пар и горячую воду, большая доля тепловой энергии которых в летний период времени не находит применения.

Существующее положение вызывает незатухающий интерес к разработкам преобразователей химической, солнечной, термоядерной и других видов энергии непосредственно в электрическую. Наиболее эффективными по производству электроэнергии с единицы объема являются батареи термоэмиссионных статических преобразователей, нашедшие применение в аэрокосмической технике. В качестве источника тепла применен ядерный источник. Так, базовую систему космической ядерной энергии США составляют элементы термоэсмиссионного преобразователя. Система имеет следующие характеристики: энергетическая мощность 2 МВт, КПД 9,3%, масса 24 тонны, расчетный ресурс 7 лет. В разработке преобразующих элементов принимала участие и Россия. Контактный способ передачи тепла от источника к термоэмиссионным элементам, примененный в космическом преобразователе, обеспечивает компактность устройства, но не позволяет осуществлять эффективно преобразование тепла источника в электрическую энергию, и поэтому значение КПД космического термоэмиссионного преобразователя невелико. При способе передачи тепла посредством подвижного теплоносителя (горячих газов от сжигания углеводородного топлива или бросовых горячих газов металлургических печей) обеспечивается резкое увеличение эффективности преобразования тепла в электрическую энергию. Способ легко реализуется в наземном варианте термоэмиссионного генератора (патент № 2144241).

В 1992 году при содействии действительного члена АИН РФ, доктора технических наук, профессора Ф.М. Черномурова в «НИИЭнергоцветмет» была поставлена задача создания опытно-промышленного образца термоэмиссионного преобразователя высокой эффективности и формой напряжения в потребительских вариантах.

Термоэмиссионный генератор является устройством внешнего сгорания и может работать на всех видах топлива — газообразном, жидком, твердом, а также на тепле отходящих газов металлургических печей. Он бесшумен, обладает пониженным уровнем вредных выбросов, что характерно для машин с внешним подводом тепла. Плоские термоэмиссионные элементы располагаются в виде ширм в канале для прохода топочных горячих газов. Горячие газы, омывая поверхности термоэмиссионных элементов, отдают тепло через них. Оно расходуется на испарение электронов в элементах и образование электрического тока термоэмиссии. Термоэмиссионные элементы объединены в единую электрическую сеть. Генератор имеет КПД преобразования свыше 80%, его работа поддается полной автоматизации. Устройство управления генератором позволяет обеспечивать его работу в одном из трех режимов — постоянный ток, трехфазный переменный и однофазный переменный. Предусмотрено частотное регулирование в диапазоне изменения частоты 0-2000 гц.

Технология изготовления термоэмиссионных элементов известна. Генераторы могут быть созданы на неограниченную мощность. При этом не требуется применение сложных и дорогих паровых турбин, электрогенераторов и других комплектующих, характерных для электростанций, оснащаемых паросиловыми агрегатами. Термоэмиссионные генераторы могут использовать в качестве автономных электростанций и как альтернатива котельным ЖКХ. В этом случае удобно применять электрическую энергию, и это будет недорого, т.к. КПД преобразования тепла в электроэнергию термоэмиссионных генераторов близок к КПД нагрева воды в котлах ЖКХ, достигающем 92%.

В комплекте с электродвигателем термоэмиссионный генератор может использоваться в качестве электропривода универсального назначения. Энергоустановка -термоэмиссионный малогабаритный асинхронный двигатель -достаточно компактна и может быть легко размещена в моторно-транспортных отделениях транспортных средств.

При установке термоэмиссионных элементов в виде ширм в газоходах отходящих газов металлургических печей для выработки электроэнергии металлургическая отрасль могла бы перейти на самообеспечение электроэнергией до уровня, составляющего 60% от требуемого потребления.

Прямое преобразование тепловой энергии непосредственно в электрическую посредством термоэмиссии в условиях развитой добычи углеводородного топлива может послужить существенной перестройке как на рынке генерации энергии, так и на рынке распределяющих сетей.

Термоэмиссионный генератор что это

Электронная эмиссия начинается, если энергия электронов превышает работу выхода для данного материала, для чего электронам необходимо получить добавочную энергию. Одним из методов увеличения кинетической энергии электронов является нагрев тел, что позволяет им преодолевать потенциальный порог, т.е. совершить работу выхода и оторваться от поверхности тела. Вылетающие с поверхности тела электроны формируют термоэлектронный ток [1–3]. Упрощенную схему источника термоэмиссионного тока можно рассматривать как систему из двух электродов, находящихся в вакууме, один из которых, называемый эмиттером, или катодом, при нагреве испускает электроны, второй электрод, называемый коллектором, или анодом, притягивает электроны к себе. Данный электрод обычно имеет более низкую температуру, по сравнению с температурой катода. На практике в качестве эмиттера используются металлический вольфрам, торированный или барированный вольфрам, оксиды и др. Рабочая температура этих материалов для обеспечения максимального тока эмиссии находится в диапазоне от 1000 К до 2700 К. Например [2, 3], для нагрева вольфрамового эмиттера (катода) до температуры 2300–2700 К, при которых он дает плотность тока эмиссии 0,1–0,8 , требуется источник энергии с удельной мощностью 50–60 . Самой низкой рабочей температурой среди упомянутых выше эмиттеров обладают оксидные эмиттеры. Для данного эмиттера рабочая температура расположена в диапазоне 1000–1200 К, и для его нагревания необходима удельная мощность 2–3 , что обеспечивает плотность тока эмиссии 10–70 .

Следует отметить, что в зависимости от способа нагрева эмиттера термоэмиссионный метод преобразования тепловой энергии находит разные применения. Например, эмиссия электронов за счет нагрева катода находит широкое применение как во многих отраслях техники, так и в научных исследованиях [2]. Устройства, основанные на термоэмиссионной технологии, в которых для нагрева эмиттера задействована ядерная энергия, широко используются в космосе. Подобные устройства покрывают практически весь энергетический диапазон, используемый в космических исследованиях, что позволяет решить комплекс космических и наземных задач с жесткими требованиями по ядерной и радиационной безопасностям [4, 5].

Поскольку в настоящее время энергия Солнца считается перспективной для создания экологически чистых источников электрической и тепловой энергии [6], то конвертирование энергии Солнца в электрическую методом термоэлектронной эмиссии становится актуальной задачей [7]. Этот метод можно рассматривать как альтернативу другим методам, таким как термо- и фотовольтаика. Преимущество этого метода заключается в том, что, во-первых, при нагреве эмиттера термоэмиссионного устройства работает весь спектр солнечного излучения, во-вторых, устройства на его основе малогабаритны. Особенно привлекательным данный метод становится в связи с созданием микро- и наноструктурированной эмиссионных поверхностей [8–10]. Основным моментом, выступающим в пользу использования углеродных нанотрубок в качестве эмиттеров при нагреве с помощью достаточно концентрированной солнечной энергии, является тот экспериментальный факт, что ток 0,1 А достигается в этом случае при температуре эмиттера менее 300 °C [11]. Таким образом, появление низкотемпературных термоэмиссионных материалов позволяет увеличить шанс применения метода термоэлектронной эмиссии в солнечной энергетике. Из вышесказанного следует, что рабочие температуры эмиттеров различаются и лежат в диапазоне температур от 600 К до 2700 К. Отсюда следует, что при использовании солнечной энергии для нагрева эмиттеров необходимо знать плотности светового потока, которые следует использовать для получения требуемого значения температуры эмиссии. Решению этой задачи посвящена настоящая работа.

Читайте также  Автомобильные генераторы для toyota

При нагревании эмиттера электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления барьера, соответствующего работе выхода эмиттера φэ, и дальнейшего перемещения к коллектору. Там электроны соприкасаются с более холодным материалом, и их энергия падает до значения уровня Ферми коллектора, а избыточная энергия, соответствующая работе выхода коллектора φк, рассеивается посредством излучения. Если φк меньше φэ, то разности энергий электронов на коллекторе и эмиттере оказывается достаточно, чтобы в нагрузке возник ток и генератор мог совершать полезную работу. Для нормальной работы такой системы помимо условия φк < φэ еще требуется, чтобы температура коллектора была намного ниже, чем температура эмиттера. Это условие приводит к тому, что количество эмитируемых из коллектора электронов, движущихся в сторону эмиттера, будет намного ниже, чем от эмиттера к коллектору, и разность потенциалов φэ – φк, необходимая для совершения полезной работы, будет больше.

Очевидно, что при использовании энергии Солнца для нагрева эмиттера до температуры, необходимой для эффективного протекания термоэлектронной эмиссии, требуется применять концентраторы. Концентратор энергии Солнца [12, 13] повышает интенсивность излучения Солнца до значений, которые позволяют эффективно и экономически целесообразно преобразовывать его в заданный вид энергии. Важнейшей интегральной характеристикой концентратора является среднее значение коэффициента концентрации Kc [12], которое задается в виде отношения усредненного значения интенсивности сконцентрированной энергии Солнца, падающего на поверхность приемника Ic к интенсивности энергии Солнца у поверхности Земли P0 в плоскости, нормальной направлению ее распространения, т.е. [12–14]. Интенсивность (мощность) излучения Солнца у поверхности Земли P0 называют инсоляцией (insolation) или солнечной постоянной [15].

Рассмотрим простейший термоэмиссионный генератор, состоящий из двух (эмиттер и коллектор) пластинчатых поверхностей, находящихся в вакууме. Предположим, что перпендикулярно поверхности эмиттера падает и затем поглощается, в соответствии с поглощательной способностью его материала α, концентрированный поток энергии Солнца с коэффициентом усиления Kc. Поскольку в вакууме отсутствует теплообмен с окружающей средой, а потери энергии посредством теплопроводности через держатели электродов ничтожно малы, то за время dt количество тепла, соответствующее концентрированному солнечному излучению, поглощенному поверхностью эмиттера S, определяется выражением

(1)

Это количество тепла расходуется на следующие три процесса:

– Поглощение тепла dqT материалом эмиттера:

(2)

где m – масса эмиттера, c – теплоемкость эмиттера.

– Если плотность тока обозначить через jэ, то энергия, необходимая для вылета электронов с поверхности эмиттера, равна φэjэ. Однако большинство электронов при вылете с поверхности металла имеют избыточное значение энергии, которое учитывается в виде средней добавки 2kT. Эта часть затрат тепловой энергии определяется соотношением

(3)

(4)

где σ – постоянная Стефана – Больцман, ε – относительная испускательная способность поверхности.

Следовательно, уравнение, описывающее тепловое равновесие, имеет вид

Подставляя значения , получим следующее дифференциальное уравнение:

(5)

Здесь использовано соотношение для плотности материала эмиттера, h – его толщина.

Полученное дифференциальное уравнение (5) позволяет исследовать нагрев анода до его рабочей температуры, при которой эффективно и стабильно осуществляется термоэлектронная эмиссия. Как видно из (5), процесс нагрева определяется количеством входной энергии, величина которого зависит от коэффициента усиления используемого концентрирующего устройства, от величины инсоляции энергии Солнца и от энергетических потерь в виде излучения. Излучательные потери энергии пропорциональны T4 и также частично энергия уходит на поддержание процесса термоэмиссии. Как следствие, температура анода растет до момента наступления термодинамического равновесия, определяемого температурой равновесия Tp. В этом состоянии мощность поглощенного излучения уравновешивается мощностью потерь на излучение и на термоэмиссию. Как следствие, в уравнении (5) производная , и, следовательно, . В этом случае уравнение теплового равновесия (5), с учетом уравнения Ричардсона – Дешмана для плотности тока термоэмиссии [1]

, (6)

(7)

Здесь А – некоторая универсальная постоянная приблизительно равная

Уравнение (7) устанавливает связь между входной и выходной мощностями термоэмиссионного генератора и температурой равновесия. Как видно из этого выражения, температура равновесия зависит от величины коэффициента усиления концентрирующего устройства. Каждое значение Kc определяется своим значением температуры равновесия Tp. Поэтому при выборе значения Kc в зависимости от материала эмиттера необходимо, чтобы при фиксированном значении инсоляции обеспечивалась стабильная рабочая температура, попадающая в указанный ранее диапазон 600–2700 К.

Ход изменения температуры эмиттера до момента наступления равновесного состояния можно определить, проинтегрировав уравнение (5):

(8)

где tp – время, в течение которого устанавливается равновесное значение температуры на поверхности эмиттера при воздействии концентрированной солнечной энергии.

Используя соотношение для теплового равновесия (7), построим график зависимости Tp от широты земной поверхности, или, точнее, от значения инсоляции солнечного излучения P0, для различных значений Kc (рис. 1).

ism1.tif

Рис. 1. Зависимости равновесной температуры эмиттера от значений инсоляции солнечной энергии для различных значений усиления концентрирующего устройства

ism2.tif

Рис. 2. Зависимости выходной мощности эмиттера от значений инсоляции солнечной энергии для различных значений усиления концентрирующего устройства и равновесной температуры эмиттера 1500 К

ism3.tif

Рис. 3. Зависимости выходной мощности эмиттера от значений инсоляции солнечной энергии для различных значений усиления концентрирующего устройства и равновесной температуры эмиттера 2000 К

ism4.tif

Рис. 4. Зависимости выходной мощности эмиттера от значений инсоляции солнечной энергии для различных значений усиления концентрирующего устройства и равновесной температуры эмиттера 2700 К

Поскольку выходная мощность термоэмиссионного генератора определяется выражением

(9)

то, согласно (7) и используя (6) и (9), получаем соотношение, связывающее выходную мощность эмиттера и значение инсоляции солнечного излучения P0

(10)

Из соотношения (10) видно, что кпд эмиттера определяется отношением

isman24.wmf(11)

На рис. 2–4 представлены графики зависимости выходной мощности эмиттера от значений инсоляции солнечного излучения для различных коэффициентов усиления концентратора и различных значений равновесной температуры эмиттера.

Выводы

Получено уравнение теплового баланса, которое позволяет исследовать нагрев анода до его рабочей температуры, при которой эффективно и стабильно осуществляется термоэлектронная эмиссия. Из этого уравнения видно, что процесс нагрева определяется количеством входной энергии, величина которого зависит от коэффициента усиления используемого концентрирующего устройства, от величины инсоляции энергии Солнца и от энергетических потерь в виде излучения. Излучательные потери энергии пропорциональны T4 и, также, частично энергия уходит на поддержание процесса термоэмиссии. Как следствие, температура анода растет до момента наступления термодинамического равновесия, определяемого температурой равновесия Tp. В этом состоянии мощность поглощенного излучения уравновешивается мощностью потерь на излучение и на термоэмиссию.

Также показано, что температура равновесия зависит от величины коэффициента усиления концентрирующего устройства. Каждое значение Kc определяется своим значением температуры равновесия Tp. Поэтому при выборе значения Kc в зависимости от материала эмиттера необходимо, чтобы при фиксированном значении инсоляции обеспечивалась стабильная рабочая температура, попадающая в диапазон 600–2700 К.

Нефть, Газ и Энергетика

Различные типы ТЭП разрабатываются для питания систем и оборудования КЛА, в особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1 — 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВт предпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее перспективны для космических АЭУ длительного действия.

Достоинства ТЭП — большой ресурс, относительно высокий КПД и хорошие удельные энергетические, а также массогабаритные показатели. В настоящее время выполняют ЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора.

Читайте также  Бензиновый генератор в альметьевске

Возможно и раздельное исполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.

Недостатки ТЭП состоят в нестабильности характеристик и изменении межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также в технологических затруднениях при выполнении малых зазоров между электродами, необходимости компенсации объемного заряда электронов в межэлектродном зазоре.

Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭП последовательно соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал (ЭГК), размещаемый в активной зоне ректора.

Уменьшение объема активной хоны ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК из реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ может подводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой устройства для передачи тепла от нагревателя к потребителю (или холодильнику) посредством использования для поглощения и выделения тепла фазовых (газожидкостных) переходов рабочего тела.

Перемещение рабочего тела осуществляется капиллярными силами (при наличии «фитиля» или пористого элемента конструкции тепловой трубы), центробежными и электромагнитными силами в зависимости от конкретного устройства тепловой трубы.

Для получения необходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения) ЭГК соединяют по последовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и газонаполненные ТЭП, причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют лучшие показатели. Их характеризуют удельная масса ЭГК G*= 3 ?10 кг/кВт, поверхностная плотность мощности Р*= 100 ?200 кВт/м2 (на единицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока эмиттера J = 5 ?8 A/cм2, КПД преобразования тепла в электроэнергию ?= 0,15 ?0,25, рабочий ресурс — более 104ч (до 5 лет).

Вакуумные ТЭП в настоящее время применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовления межэлектродных зазоров порядка 10-2мм, при которых возможны удовлетворительные эксплуатационные показатели преобразователей.

2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей.

Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте Эдисона) — испускании электронов нагретым металлическим катодом (эмиттером).

Физическими аналогами вакуумных и газонаполненных ТЭП могут служить электронные лампы — вакуумные диоды и газотроны. В отдельных случаях вследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП, но лучшие характеристики имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парами легкоионизирующегося металла — цезия (Сs).

Различают межэлектродные газовые промежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией.

Последние принадлежат к плазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.

Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале на примере

анализа плоской вакуумной модели элементарного генератора Промежуток между металлическими электродами — катодом (эмиттером) 1 и анодом (коллектором) 2, заключенными в вакуумный сосуд 3, откачан до давления 0,133 мПа (примерно 10-6мм рт. ст.). Электроды и их выводы 4 изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1 , и он нагревается до температуры Т1?2000К. Коллектор поддерживается при температуре Т2< Т1вследствие отвода от него тепловой энергии Q2.

Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от его химической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми.

Это тот (наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при температуре Т=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии уровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Ферми мало зависит от Т.

Рис. 1. Расчетная электростатическая модель ТЭП

2. Батареи термоэммисионых элементов

Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП — электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах «Топас» (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической мощностью ЭГБ до 10 кВт.

Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом с жидким цезием при Т ?600 К, испаряющимся вследствие низкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации ?Ц=3,9 В, причем ?Ц < ?K. При соударении с горячей поверхностью катода атомы Сs отдают катоду электрон. Положительные ионы Сs+нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре ?. в диапазне давления паров Cs до 100 Па при температуре Т1< 1800 К достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП.

Изменение ?(х) в ?для этого режима близко к линейному закону. При ??0,1 мм эффективность ТЭП повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясь преимущественно на аноде с Т2< Т1 , они снижают его работу выхода.

Термоэмиссионный преобразователь — Thermionic converter

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 .

СОДЕРЖАНИЕ

Определение

С физической электронной точки зрения термоэлектронное преобразование энергии — это прямое производство электроэнергии из тепла путем термоэлектронной эмиссии. С термодинамической точки зрения, это использование электронного пара в качестве рабочего тела в энергетическом цикле. Термоэлектронный преобразователь состоит из горячего эмиттерного электрода, с 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.

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 , радиоактивным изотопом , и ядерными реакторами источниками тепла. Однако наиболее серьезным из них была интеграция термоэмиссионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе. 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. См. « Космос 954» для более подробной информации.

Хотя приоритет использования термоэмиссионных реакторов уменьшился из-за сокращения 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 .

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. Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоэмиссионного преобразователя. В режиме зажигания (или «дуги») плазма поддерживается за счет внутренней ионизации горячими электронами плазмы (

Читайте также  Техника безопасности при эксплуатации судовых генераторов

3300 K); в режиме без зажигания 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, подавления отражения электронов от поверхностей электродов и 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. Недавние исследования показали, что возбужденные атомы Cs в термоэлектронных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества, что приводит к уменьшению 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.

4.5. Термоэмиссионные генераторы

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электрической лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и включал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к холодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити — катода — и движутся к холодной нити — аноду — и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней электрической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теплоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в электрическую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразователя энергии показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Устройство схема термоэмиссионного преобразователя энергии: 1 – катод; 2 – анод

В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных электронов — около 6-1021 в 1 см3.

Рис. 4.6. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 4.6). Непосредственно у поверхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пределы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией. Увеличение кинетической энергии происходит при нагревании металла.

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, получаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерного термоэмиссионного преобразователя приведена на рис.4.7. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40%.

Рис. 4.7. Ядерный термоэмиссионный преобразователь:

1 — защита; 2 — охладитель; 3 — анод; 4 — вакуум; 5 — катод; 6 — ядерное горючее

Рис. 4.8. Схема установки прямого преобразования ядерной энергии в электрическую:

1 — (β-радиоактивный излучатель; 2 — металлическая ампула; 3 — металлический сосуд

Испускание электронов в термоэмиссионных генераторах вызывается нагреванием катода. При радиоактивном распаде электроны (β-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно используя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 4.8).

4.6. Электрохимические генераторы

Электрохимическим генератором (рис. 4.9) или топливным элементом (ТЭ) называется устройство, в котором происходит преобразование химической энергии окислителя и топлива (восстановителя), непрерывно поступающих извне к электродам, в электрическую энергию. Суммарная химическая реакция, протекающая в ТЭ, называется токообразующей реакцией.

В топливном элементе не происходит прямого взаимодействия молекул окислителя и восстановителя, а реакция осуществляется в виде двух сопряженных процессов:

1) электрохимического окисления топлива с отдачей электронов;

2) электрохимического восстановления окислителя.

Из исходных веществ получается тот же продукт, что и при химической реакции горения, однако в ТЭ возникает электрический ток, т. е. химическая энергия превращается в электрическую. Для осуществления процессов суммарной реакции необходимо отделить окислитель от восстановителя, обеспечить направленное движение ионов и электронов. Эти функции выполняет ТЭ: на одном из электродов ТЭ — аноде — происходит электрохимическое окисление топлива, на втором — катоде — электрохимическое восстановление окислителя.

Рис. 4.9. Электрохимический генератор: 1 — Подвод топлива, 2 — Подача окислителя, 3 – анод, 4 — Ионный проводник, 5 – катод, 6 – отвод продуктов реакции, 7 – нагрузка

В разработанных в настоящее время топливных элементах нашли практическое применение лишь два восстановителя: водород и гидразин.

Основным окислителем в ТЭ служит кислород воздуха или чистый кислород и лишь в некоторых ТЭ — пероксид водорода.

Ионный проводник обеспечивает движение ионов и разделение окислителя и восстановителя. В качестве ионных проводников ТЭ нашли применение водные растворы электролитов, ионообменные мембраны, расплавленные и твердые электролиты. Наиболее высокую электрическую проводимость в водных растворах имеют щелочи и кислоты. Поэтому в качестве ионного проводника применяются растворы КОН, Н2S04 и Н3Р04.

Химические источники тока — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить;

электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;

топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: