Термоэмиссионный преобразователь своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях.

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. 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 ё 10 кг/кВт, поверхностная плотность мощности Р_* = 100 ё 200 кВт/м 2 (на единицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока

эмиттера J = 5 ё8 A/cм 2 , КПД преобразования тепла в электроэнергию h = 0,15 ё 0,25, рабочий ресурс - более 10 4 ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее время применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовления межэлектродных зазоров порядка 10 -2 мм, 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.

Рис. 1. Расчетная электростатическая модель ТЭП

2. Батареи термоэммисионых элементов

Раздел: Технология
Количество знаков с пробелами: 5459
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 1

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.

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

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

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 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 его работу выхода.

ТЭП — устройство для преобразования тепловой энергия в электрическую, состоящее из двух металлических электродов (эмиттера и коллектора), разделенных межэлектродным зазором (МЭЗ) и соединенных внешней электрической цепью, содержащей нагрузку. Эмиттер ТЭП нагревается источником теплоты, коллектор присоединяется к охлаждающему устройству, что создает разность температур электродов ТЭП. Термодинамическим рабочим телом ТЭП являются электроны.

Основные процессы в ТЭП: термоэлектронная эмиссия с уровня Ферми эмиттера в МЭЗ, перенос электронов через МЭЗ, конденсация электронов на уровень Ферми коллектора с выделением теплоты конденсации, перенос электронов через внешнюю цепь. В этих процессах происходит трансформация кинетической энергии электронов эмиттера в потенциальную во внутреннем электрическом поле преобразователя. Потенциальная энергия электронов во внешней цепи преобразуется в полезную работу. Не преобразованная в полезную работу теплота конденсации отводится в охлаждающее устройство при нижней температуре термодинамического цикла.

Классификация ТЭП отражает варианты реализации МЭЗ и электродов, а также механизмы переноса носителей тока через МЭЗ.

Вакуумный ТЭП. В МЭЗ высокий вакуум. Перенос электронов сопровождается образованием в МЭЗ пространственного заряда, ограничивающего плотность тока преобразователя.

Цезиевый плазменный ТЭП с адсорбционными электродами на основе тугоплавких металлов, является основным применяемым типом ТЭП (рис 2.4). МЭЗ заполнен паром цезия, поступающим из цезиевого термостата, и в нем образуется цезиевая плазма, что приводит к минимизации пространственного заряда, кроме узких (порядка 5÷10 мкм — радиус Дебая плазмы) приэлектродных слоев. Адсорбция цезия на поверхности электродов приводит к снижению работы выхода электронов до оптимальных значений (эмиттера 2,6÷2,8 эВ, коллектора элементов 1,4÷1,7 эВ). Адсорбция и ионизация цезия позволяют реализовать в ТЭП рациональные значения плотности мощности.

При разработке реальных ТЭП важнейшими проблемами являются:

· создание электродов с определенной работой выхода, минимальной испаряемостью и малым сопротивлением;

· регулирование и поддержание необходимого вакуума и давления паров наполнителя. В настоящее время созданы удовлетворительно работающие источники пара цезия, пригодные для работы в условиях космоса на основе капиллярных структур, заполненных жидким цезием, и на основе соединений цезия с графитом;

· разработка коррозионно-стойкой оболочки корпуса ТЭП и надежного соединения различных частей преобразователя. Здесь основная роль при надлежит различным приемам соединения материалов с различающимися температурными коэффициентами (ниобий, электроизоляционная керамика (А12О3, Y2О3), нержавеющая сталь);

· подвод к эмиттеру теплового потока 10÷40 Вт/см и отвод его с коллектора ТЭП. В ядерном реакторе основной проблемой является совместимость эмиттера с ядерным топливом, в солнечных установках — создание ловушек-приемников энергии излучения Солнца, характеризуемых малыми потерями на обратное излучение. При отводе теплоты с коллектора — главная проблема ТЭП с ядерным нагревом — радиационная и термоциклическая стойкость многослойной металлокерамической конструкции, отделяющей объем преобразователя от охладителя, в качестве которого обычно используют расплавленные щелочные металлы.

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 абсолютной температуре эмиттера в четвертой степени и также частично энергия уходит на поддержание процесса термоэмиссии. Как следствие, температура анода растет до момента наступления термодинамического равновесия, определяемого термодинамической температурой равновесия. 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 коэффициента усиления концентрирующего устройства определяется своим значением температуры равновесия. Поэтому при выборе значения коэффициента усиления в зависимости от материала эмиттера необходимо, чтобы при фиксированном значении инсоляции обеспечивалась стабильная рабочая температура, попадающая в диапазон 600–2700 К. В статье также представлены графики зависимостей рабочих характеристик эмиттера от интенсивности солнечного излучения и коэффициентов усиления концентрирующего устройства.

1. Olawole O.C., De D.K. Theoretical studies of thermionic conversion of solar energy with graphene as emitter and collector. J. of Photonics for Energy. 2018. No. 8 (1). P. 018001–018009. DOI: 10.1117/1.JPE.8.018001.

2. Kafafi Z.H., Martín-Palma R.J., Nogueira A.F., O’Carroll D.M., P.J., Samuel I.D.W., So F., Tansu N., Tsakalakos L. The role of photonics in energy. J. of Photonics for Energy. 2015. No. 5(1). P. 050997–051005. DOI: 10.1117/1.JPE.5.050997.

3. Deb S.K., Wallace W.L. Status of Nonsilicon Photovoltaic Solar Cell Research. Proceedings of Role of Electro-Optics in Photovoltaic Energy Conversion. 1980. V. 0248. P. 0731–0738. DOI: 10.1117/12.970584.

4. Olawole O.C., De D.K. Graphene for thermoelectronic solar energy conversion. Proceedings of Next Generation Technologies for Solar Energy Conversion VIII. 2017. V. 10368. P. 103680I. DOI: 10.1117/12.2276162.

5. Kribus A., Segev G. Solar energy conversion with photon-enhanced thermionic emission. Journal of Optics. 2015. V. 18. No. 7. P. 073001–073008.

7. Zheng Wei, Ogino Akihisa, Kando Masashi Effects of Illumination on Thermionic Energy Converter Characteristics. Japanese Journal of Applied Physics. 2017. V. 39. Part 1. No. 5A. P. 2816–2824.

8. Humphrey T.E., O’Dwyer M.F., Linke H. Power optimization in thermionic devices. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. V. 38. No. 12. P. 2051–2054.

9. Dimmock J.A.R., Kauer M., Wu J., Liu H., Stavrinou P.N., Ekins-Daukes N.J. A metallic hot-carrier photovoltaic device. Semicond. Sci. Technol. 2019. No. 34. P. 064001–064008. DOI: 10.1088/1361-6641/ab1222.

10. Zhang Xin, Peng Wanli, Su Guozhen, Su Shanhe and Chen Jincan Thermionic energy conversion based on 3D Dirac semimetals. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. No. 51. P. 405501. DOI: 10.1088/1361-6463/aad975.

11. Исманов Ю.Х. Интерферометрия на основе метода бесщелевой радужной голографии // Вестник КГУСТА. 2015. № 4 (40). С. 194–198.

12. Исманов Ю.Х., Алымкулов С.А. Саморепродуцирование регулярных объектов с ограниченной апертурой // Наука, новые технологии и инновации Кыргызстана. 2015. № 7. С. 3–5.

13. Ismanov Y.K., Dzhamankyzov N.K. Holographic Interferometer for the Study of Phase Media, Which Has Four Output Channels of Different Sensitivity. International Journal of Optics. 2019. vol. 2019. P. 2936172. DOI: 10.1155/2019/2936172.

14. Maripov A., Ismanov Y. The Talbot effect (a self – imaging phenomenon) in holography. Journal of Optics.1994. vol. 25. no. 1. P. 3–8. DOI: 10.1088/0150-536X/25/1/001.

15. Исманов Ю.Х. Голографическая интерферометрия на основе эффекта Тальбота // Известия НАН КР. 2015. № 2. С. 20–23.

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.

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

Читайте также: