ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП)
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.
1 — эмиттер; 2 — коллектор; 3 — нагрузка; 4 — подводящие провода; 5 — термовводы; 6 — герметичный корпус; 7 — цезиевый термостат; 8 — поток энергии от теплового источника; 9 — не преобразованная теплота; 10 — поток электронов и переносимая им энергия; 11 — поток энергии излучения; 12 — полезная работа во внешнюю цепь (электрический ток); 13 — утечки теплоты
Рисунок 2.4 - Схема цезиевого ТЭП
В цезиевом ТЭП в зависимости от условий реализуются различные режимы работы: диффузионный, разрядный, квазивакуумный.
Цезий-бариевые плазменные ТЭП. МЭЗ заполняется смесью паров цезия и бария. Энергия связи при адсорбции бария на тугоплавких металлах больше, чем при адсорбции цезия. Вследствие этого барий удерживается на поверхности эмиттера и снижает его работу выхода электронов при более высокой температуре. Ионизация цезия обеспечивает компенсацию пространственного заряда. Эти ТЭП характеризуются более высокой плотностью мощности и КПД в диффузионном режиме при высокой температуре эмиттера (более 2300 К).
Электроды ТЭП изготавливаютвя из тугоплавких металлов, применяемых в настоящее время, как правило, в виде монокристаллов. Для улучшения прочностных свойств применяются слаболегированные монокристаллы (вольфрам + 1÷1,5 % рения, молибден + 3 % ниобия и др.). Для изготовления коллекторов применяется чаще всего ниобий, а также молибден. Для улучшения свойств электродов, изготовленных из ниобия и молибдена, на их поверхность могут наноситься покрытия из вольфрама.
КПД термоэмиссионного преобразователя как правило, значительно меньше КПД соответствующего идеального цикла Карно. Для оценки КПД может быть использована формула
где qе = еj * +2kТе — теплота, переносимая электронами;
qr — теплота, переносимая потоком энергии излучения;
ql — теплота, переносимая теплопроводностью (через цезий) и через соединительные провода.
Две последние составляющие вычисляют по обычным соотношениям теплообмена потока энергии излучения и теплопроводности.
Расчеты реальных термоэмиссионных преобразователей и их систем выполняются с использованием достаточно сложных компьютерных программ.
Технические проблемы ТЭП. Основное направление использования ТЭП — источники энергии для космической техники. Однако не исключаются и другие специальные применения ТЭП. При этом ТЭП могут быть встроены в ядерные реакторы (реакторы «Топаз» и «Топаз-2»), где источником теплоты служит реакция деления ядер урана, или использоваться в сочетании с высокоточными концентраторами солнечной энергии.
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.