Термо-ионная конверсионная система
- Подробности
- Опубликовано 30.11.2017 23:19
Введение:
Термический конвертер можно анализировать по крайней мере с трех разных точек зрения:
1. В терминах термодинамики его можно рассматривать как тепловой двигатель, который использует электронный газ в качестве рабочего вещества.
2. В терминах электроники он может рассматриваться как диод, который преобразует тепло в электричество по закону термоэлектронной эмиссии.
3. В терминах термоэлектричества его можно рассматривать как термопару, в которой эвакуированное пространство или плазма заменены на один из проводников.
Независимо от точки зрения, принятой в анализе, термоэлектронный преобразователь работает из-за явления термического «излучения». Излучение подразумевает выброс электронов из металла при его нагревании.
Функция работы ( f ):
Онf определяется как энергия, необходимая для извлечения электрона из металла. Это мера в электронных вольтах. Значение функции работы зависит от характера металла и его состояния поверхности.
В принципе термоэлектронный преобразователь состоит из двух металлов или электродов с различными рабочими функциями, запечатанных в эвакуированный сосуд. Электрод с большой функцией работы поддерживается при более высокой температуре, чем при меньшей работе.
Термические генераторы:
Рисунок: Термический генератор
Термоэлектронный преобразователь / генератор содержит нагретый катод (электронный эмиттер) и анод (электронный коллектор), разделенный вакуумом, причем электрическая выходная цепь соединена между двумя, как показано на рисунке. Тепло, подаваемое на катод, поднимает энергию его электронов до такого уровня, что позволяет им выходить из поверхности и течь на анод. На аноде энергия электронов проявляется частично как тепло, удаляемая охлаждением и частично как электрическая энергия, подаваемая в контур. Хотя расстояние между анодом и катодом составляет всего около одного миллиметра, отрицательный объемный заряд с такой компоновкой препятствует прохождению электронов и должен быть уменьшен, это может быть достигнуто путем введения положительных ионов в межэлектродное пространство, причем пары цезия являются ценным источником таких ионов.
Чтобы материализовать существенную скорость излучения электронов (на единицу площади излучателя) и, следовательно, значительную выходную мощность, а также высокую эффективность, температура излучателя в термоэлектронном конвертере, содержащем цезий, должна составлять не менее 1000 ° C, тогда эффективность 10 процентов.
Эффективность до 40 процентов может быть получена при работе при еще более высоких температурах. Хотя температура мало влияет на генерируемое напряжение, увеличение тока (на единицу площади излучателя), связанное с повышением температуры, приводит к увеличению мощности. Электроэнергия (P) - произведение напряжений (E) и тока (I), т.е. P = EI.
Анодные материалы должны иметь низкую рабочую функцию, например оксиды бария и стронция, в то время как катод должен быть значительно выше, вольфрам, пропитанный соединением бария, является подходящим материалом. Даже с этими материалами для обеспечения самого генератора требуется температура до 2000 ° C, эффективность 30-35 процентов. Электрические выходы около 6 Вт / см 2 поверхности анода предусматриваются с удалением охлаждающей жидкости около 13 Вт / см 2 .
В принципе, термоэлектронный генератор может использовать любое топливо (может быть ископаемое топливо, ядерное топливо или солнечная энергия) при условии получения достаточно высоких температур. Термоническое преобразование можно использовать в нескольких разных ситуациях - места для съемки на земле и в космосе.
Материалы термоионного преобразователя. Проблема разработки материалов, пригодных для использования в термоэлектронных преобразователях, стоит рядом с проблемой управления пространственным зарядом при разработке эффективных термоэлектронных генераторов. В материалах, подходящих для преобразователей, желательны следующие свойства:
Излучатель
(i) имеют высокую эмиссионную способность в сочетании с низкой скоростью изнашивания.
(ii) имеют низкую излучательную способность, чтобы уменьшить теплоотдачу за счет излучения излучателя.
(iii) быть таковым, что в случае, если некоторые из них испаряются и впоследствии конденсируются на
коллектор.
Относительная важность этих свойств зависит от типа преобразователя, который разрабатывается. Следует отметить, что эффективность представляет собой гораздо более медленную функцию повышения эмиссии электронов, если объемный заряд присутствует, чем если нет пространственного заряда.
Функция работы может быть значительно уменьшена поглощенным одиночным слоем посторонних атомов. Это происходит благодаря установлению дипольного слоя на поверхности. Слой может образовываться атомами или молекулами. В основном это происходит в конвертере цезия, который сконструирован так, что цезий конденсируется на эмиттере или коллекторе.
Коллектор:
Основными критериями выбора коллекторного материала являются то, что он должен иметь как можно более низкую работу. Поскольку температура коллектора удерживается ниже любой температуры, которая может вызвать значительную эмиссию электронов, ее фактические характеристики излучения не имеют никакого значения. Чем ниже функция работы коллектора ( f c), тем меньше энергия, которую электрон должен будет отказаться, когда он входит в поверхность коллектора. На практике наименьшее значение f C, которое может поддерживаться стабильно, составляет около 1,5 эВ. Для применений, в которых желательно поддерживать повышенные температуры коллектора (более 900 ° К), такие как космические применения, оптимальное значение fc может быть определено. Молибден широко используется в качестве коллектора; часто предполагается, что функция работы составляет 1,7 эВ.