www.wikidata.uk-ua.nina.az

Термоелектронний перетворювач пристрій для перетворення теплової енергії в електричну Складається з гарячого електрода я

Термоелектронний перетворювач

Термоелектронний перетворювач — пристрій для перетворення теплової енергії в електричну. Складається з гарячого електрода, який здійснює термоеміссію електронів через бар'єр потенційної енергії до холоднішого електрода, виробляючи корисну вихідну електричну потужність. Пари цезію використовуються для оптимізації робочих функцій електрода та забезпечення подачі іонів (шляхом поверхневої іонізації або іонізації електронним ударом у плазмі) для нейтралізації просторового заряду.

Визначення Редагувати

З точки зору фізичної електроніки, термоелектронне перетворення енергії — це пряме виробництво електроенергії з тепла шляхом термоелектронної емісії. З термодинамічної точки зору, це використання електронної пари як робочого тіла в циклі виробництва енергії. Термоелектронний перетворювач складається з гарячого емісійного електрода, з якого електрони випаровуються за допомогою термоелектронної емісії, і більш холодного колекторного електрода, в якому вони конденсуються після проходження через міжелектродну плазму. Результуючий струм, як правило, кілька ампер на квадратний сантиметр поверхні емітера, забезпечує електричну потужність до навантаження при типовій різниці потенціалів 0,5–1 вольт — термічній ефективності 5–20 % — залежно від температури емітера — 1500—2000 К) і режиму роботи.

Історія Редагувати

Після першої демонстрації практичного дугового термоелектронного перетворювача на парі цезію В. Вілсоном у 1957 році, протягом наступного десятиліття було продемонстровано кілька його застосувань, включаючи його використання з сонячними джерелами тепла, джерелами тепла з горіння, радіоізотопними джерелами тепла та ядерними реакторами. Однак найбільш серйозно розглядалося застосування термоелектронних ядерних паливних елементів безпосередньо в активній зоні ядерних реакторів для виробництва електроенергії в космосі. Надзвичайно висока робоча температура термоелектронних перетворювачів, що ускладнює їх практичне використання в інших застосуваннях, дає термоелектронним перетворювачам вирішальні переваги перед конкуруючими технологіями перетворення енергії в космічній енергетиці, де потрібне відведення тепла випромінюванням. Значні програми розробки термоелектронних космічних реакторів проводилися в США, Франції та Німеччині в період 1963—1973 років, а США відновили значну програму розробки термоелектронних ядерних елементів у період 1983—1993 років.

Термоелектронні системи живлення використовувалися в поєднанні з різними ядерними реакторами (БЕС-5[en], ТОПАЗ[en]) як джерело електроенергії на ряді радянських військових супутників спостереження між 1967 і 1988 роками. Див. Космос 954 для більш детальної інформації.

Незважаючи на те, що пріоритет використання термоелектронних реакторів зменшився, оскільки американські та російські космічні програми були згорнуті, дослідження та розвиток технологій у сфері термоелектронного перетворення енергії тривали. В останні роки були проведені програми розвитку технологій термоелектронних космічних енергетичних систем із сонячним нагріванням. Було розроблено прототип термоелектронних систем, що нагріваються спалюванням, для когенерації побутового тепла та електроенергії, а також для випрямлення змінного струму.

Опис Редагувати

Наукові аспекти термоелектронного перетворення енергії в першу чергу стосуються галузей фізики поверхні та фізики плазми. Властивості поверхні електродів визначають величину струму емісії електронів і електричний потенціал на поверхнях електродів, а властивості плазми визначають транспортування струму електронів від емітера до колектора. Усі практичні термоелектронні перетворювачі на сьогоднішній день використовують пари цезію між електродами, які визначають як поверхню, так і властивості плазми. Цезій використовується тому, що він найлегше іонізується з усіх стабільних елементів.

Термоелектронний генератор схожий на циклічний тепловий двигун, і його максимальна ефективність обмежена законом Карно. Це низьковольтний пристрій сильного струму, де щільність струму 25-50 (А/кв. см) досягається при напрузі 1-2 В. Енергію високотемпературних газів можна частково перетворити в електрику, якщо труби котла забезпечити катодом і анодом термогенератора з проміжком, заповненим іонізованими парами цезію.

Властивість поверхні, що представляє головний інтерес, — це робота виходу, яка є бар'єром, що обмежує струм емісії електронів з поверхні, і, по суті, є теплотою випаровування електронів з поверхні. Робота виходу визначається в основному шаром атомів цезію, адсорбованим на поверхні електродів. Властивості міжелектродної плазми визначаються режимом роботи термоелектронного перетворювача. У запаленому (або «дуговому») режимі плазма підтримується шляхом внутрішньої іонізації гарячими електронами плазми (~ 3300 К); у незапаленому режимі плазма підтримується за допомогою інжекції зовні створених позитивних іонів у холодну плазму; в гібридному режимі плазма підтримується іонами з міжелектродної області гарячої плазми, що переходять в міжелектродну область холодної плазми.

Останні роботи Редагувати

Усі програми, наведені вище, використовували технологію, в якій базове фізичне розуміння та продуктивність термоелектронного перетворювача були по суті такими ж, як і ті, що були досягнуті до 1970 року. Однак протягом періоду з 1973 по 1983 роки в США проводилися значні дослідження передової технології низькотемпературних термоелектронних перетворювачів для промислового та комерційного виробництва електроенергії на викопному паливі, які тривали до 1995 року для можливого застосування у космічних і морських реакторах[en]. Це дослідження показало, що суттєві покращення продуктивності перетворювача можна отримати при нижчих робочих температурах шляхом додавання кисню до парів цезію, шляхом придушення відбиття електронів на поверхнях електродів і роботи в гібридному режимі. Подібним чином удосконалення за рахунок використання кисневмісних електродів було продемонстровано в Росії разом із дослідженнями конструкцій систем, що використовують вдосконалені характеристики термоелектронного перетворювача. Недавні дослідження показали, що збуджені атоми Cs в термоелектронних перетворювачах утворюють кластери Cs-рідбергівської матерії[en], що призводить до зменшення роботи виходу випромінювання з 1,5 еВ до 1,0 — 0,7 еВ. Через довгоживучу природу матерії Рідберга ця низька робота виходу залишається низькою протягом тривалого часу, що істотно підвищує ККД низькотемпературного перетворювача.

Див. також Редагувати

Примітки Редагувати

  1. Rasor, N. S. (1983). Thermionic Energy Converter. У Chang, Sheldon S. L. Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering II. New York: Wiley. с. 668. ISBN 0-471-86213-4. 
  2. Hatsopoulos, G. N.; Gyftopoulos, E. P. (1974). Thermionic Energy Conversion I. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 0-262-08059-1. 
  3. Baksht, F. G.; G. A. Dyvzhev; A. M. Martsinovskiy; B. Y. Moyzhes; G. Y. Dikus; E. B. Sonin; V. G. Yuryev (1973). Thermionic converters and low-temperature plasma (trans. from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma). с. 490. 
  4. Mills, Joseph C.; Dahlberg, Richard C. (10 січня 1991). Thermionic Systems for DOD Missions. AIP Conference Proceedings 217 (3): 1088–92. Bibcode:1991AIPC..217.1088M. doi:10.1063/1.40069. Архів оригіналу за 10 липня 2012. 
  5. Gryaznov, G. M.; E. E. Zhabotinskii; A. V. Zrodnikov; Yu. V. Nikolaev; N. N. Ponomarev-Stepnoi; V. Ya. Pupko; V. I. Serbin; V. A. Usov (June 1989). Thermoemission reactor-converters for nuclear power units in outer space. Soviet Atomic Energy (Plenus Pub. Co.) 66 (6): 374–377. ISSN 1573-8205. doi:10.1007/BF01123508. 
  6. Bulletin of the Atomic Scientists. July 1993. с. 12–. 
  7. Proceedings of a Symposium Advanced Compact Reactor Systems: National Academy of Sciences, Washington, D.C., November 15-17, 1982. National Academies. 1983. с. 65–. NAP:15535. 
  8. van Kemenade, E.; Veltkamp, W. B. (7 серпня 1994). Design of a Thermionic Converter for a Domestic Heating System. Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference II. 
  9. Rasor, Ned S.; Charles Warner (September 1964). Correlation of Emission Processes for Adsorbed Alkali Films on Metal Surfaces. Journal of Applied Physics (The American Institute of Physics) 35 (9): 2589. Bibcode:1964JAP....35.2589R. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.1713806. 
  10. Rasor, Ned S. (December 1991). Thermionic Energy Conversion Plasmas. IEEE Transactions on Plasma Science 19 (6): 1191–1208. Bibcode:1991ITPS...19.1191R. doi:10.1109/27.125041. 
  11. J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, «HET IV Final Report», Volumes 1 & 2, Rasor Associates Report #NSR-71/95/0842, (Nov. 1995); performed for Westinghouse Bettis Laboratory under Contract # 73-864733; 344 pages. Also available in total as C.B. Geller, C.S. Murray, D.R. Riley, J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, «High-Efficiency Thermionics (HET-IV) and Converter Advancement (CAP) programs. Final Reports», DOE DE96010173; 386 pages (1996).
  12. N.S. Rasor, «The Important Effect of Electron Reflection on Thermionic Converter Performance», Proc. 33rd Intersoc. Energy Conv. Engr. Conf., Colorado Springs, CO, Aug., 1998, paper 98-211.
  13. Yarygin, Valery I.; Viktor N. Sidelnikov; Vitaliy S. Mironov. Energy Conversion Options For NASA's Space Nuclear Power Systems Initiative – Underestimated Capability of Thermionics. Proceedings of the 2nd International Energy Conversion Engineering Conference. 
  14. Svensson, Robert; Leif Holmlid (15 травня 1992). Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydberg matter of cesium. Surface Science. 269-270: 695–699. Bibcode:1992SurSc.269..695S. ISSN 0039-6028. doi:10.1016/0039-6028(92)91335-9. 
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Termoelektronnij peretvoryuvach pristrij dlya peretvorennya teplovoyi energiyi v elektrichnu Skladayetsya z garyachogo elektroda yakij zdijsnyuye termoemissiyu elektroniv cherez bar yer potencijnoyi energiyi do holodnishogo elektroda viroblyayuchi korisnu vihidnu elektrichnu potuzhnist Pari ceziyu vikoristovuyutsya dlya optimizaciyi robochih funkcij elektroda ta zabezpechennya podachi ioniv shlyahom poverhnevoyi ionizaciyi abo ionizaciyi elektronnim udarom u plazmi dlya nejtralizaciyi prostorovogo zaryadu Zmist 1 Viznachennya 2 Istoriya 3 Opis 4 Ostanni roboti 5 Div takozh 6 PrimitkiViznachennya RedaguvatiZ tochki zoru fizichnoyi elektroniki termoelektronne peretvorennya energiyi ce pryame virobnictvo elektroenergiyi z tepla shlyahom termoelektronnoyi emisiyi Z termodinamichnoyi tochki zoru 1 ce vikoristannya elektronnoyi pari yak robochogo tila v cikli virobnictva energiyi Termoelektronnij peretvoryuvach skladayetsya z garyachogo emisijnogo elektroda z yakogo elektroni viparovuyutsya za dopomogoyu termoelektronnoyi emisiyi i bilsh holodnogo kolektornogo elektroda v yakomu voni kondensuyutsya pislya prohodzhennya cherez mizhelektrodnu plazmu Rezultuyuchij strum yak pravilo kilka amper na kvadratnij santimetr poverhni emitera zabezpechuye elektrichnu potuzhnist do navantazhennya pri tipovij riznici potencialiv 0 5 1 volt termichnij efektivnosti 5 20 zalezhno vid temperaturi emitera 1500 2000 K i rezhimu roboti 2 3 Istoriya RedaguvatiPislya pershoyi demonstraciyi praktichnogo dugovogo termoelektronnogo peretvoryuvacha na pari ceziyu V Vilsonom u 1957 roci protyagom nastupnogo desyatilittya bulo prodemonstrovano kilka jogo zastosuvan vklyuchayuchi jogo vikoristannya z sonyachnimi dzherelami tepla dzherelami tepla z gorinnya radioizotopnimi dzherelami tepla ta yadernimi reaktorami Odnak najbilsh serjozno rozglyadalosya zastosuvannya termoelektronnih yadernih palivnih elementiv bezposeredno v aktivnij zoni yadernih reaktoriv dlya virobnictva elektroenergiyi v kosmosi 4 5 Nadzvichajno visoka robocha temperatura termoelektronnih peretvoryuvachiv sho uskladnyuye yih praktichne vikoristannya v inshih zastosuvannyah daye termoelektronnim peretvoryuvacham virishalni perevagi pered konkuruyuchimi tehnologiyami peretvorennya energiyi v kosmichnij energetici de potribne vidvedennya tepla viprominyuvannyam Znachni programi rozrobki termoelektronnih kosmichnih reaktoriv provodilisya v SShA Franciyi ta Nimechchini v period 1963 1973 rokiv a SShA vidnovili znachnu programu rozrobki termoelektronnih yadernih elementiv u period 1983 1993 rokiv Termoelektronni sistemi zhivlennya vikoristovuvalisya v poyednanni z riznimi yadernimi reaktorami BES 5 en TOPAZ en yak dzherelo elektroenergiyi na ryadi radyanskih vijskovih suputnikiv sposterezhennya mizh 1967 i 1988 rokami 6 7 Div Kosmos 954 dlya bilsh detalnoyi informaciyi Nezvazhayuchi na te sho prioritet vikoristannya termoelektronnih reaktoriv zmenshivsya oskilki amerikanski ta rosijski kosmichni programi buli zgornuti doslidzhennya ta rozvitok tehnologij u sferi termoelektronnogo peretvorennya energiyi trivali V ostanni roki buli provedeni programi rozvitku tehnologij termoelektronnih kosmichnih energetichnih sistem iz sonyachnim nagrivannyam Bulo rozrobleno prototip termoelektronnih sistem sho nagrivayutsya spalyuvannyam dlya kogeneraciyi pobutovogo tepla ta elektroenergiyi a takozh dlya vipryamlennya zminnogo strumu 8 Opis RedaguvatiNaukovi aspekti termoelektronnogo peretvorennya energiyi v pershu chergu stosuyutsya galuzej fiziki poverhni ta fiziki plazmi Vlastivosti poverhni elektrodiv viznachayut velichinu strumu emisiyi elektroniv i elektrichnij potencial na poverhnyah elektrodiv a vlastivosti plazmi viznachayut transportuvannya strumu elektroniv vid emitera do kolektora Usi praktichni termoelektronni peretvoryuvachi na sogodnishnij den vikoristovuyut pari ceziyu mizh elektrodami yaki viznachayut yak poverhnyu tak i vlastivosti plazmi Cezij vikoristovuyetsya tomu sho vin najlegshe ionizuyetsya z usih stabilnih elementiv Termoelektronnij generator shozhij na ciklichnij teplovij dvigun i jogo maksimalna efektivnist obmezhena zakonom Karno Ce nizkovoltnij pristrij silnogo strumu de shilnist strumu 25 50 A kv sm dosyagayetsya pri napruzi 1 2 V Energiyu visokotemperaturnih gaziv mozhna chastkovo peretvoriti v elektriku yaksho trubi kotla zabezpechiti katodom i anodom termogeneratora z promizhkom zapovnenim ionizovanimi parami ceziyu Vlastivist poverhni sho predstavlyaye golovnij interes ce robota vihodu yaka ye bar yerom sho obmezhuye strum emisiyi elektroniv z poverhni i po suti ye teplotoyu viparovuvannya elektroniv z poverhni Robota vihodu viznachayetsya v osnovnomu sharom atomiv ceziyu adsorbovanim na poverhni elektrodiv 9 Vlastivosti mizhelektrodnoyi plazmi viznachayutsya rezhimom roboti termoelektronnogo peretvoryuvacha 10 U zapalenomu abo dugovomu rezhimi plazma pidtrimuyetsya shlyahom vnutrishnoyi ionizaciyi garyachimi elektronami plazmi 3300 K u nezapalenomu rezhimi plazma pidtrimuyetsya za dopomogoyu inzhekciyi zovni stvorenih pozitivnih ioniv u holodnu plazmu v gibridnomu rezhimi plazma pidtrimuyetsya ionami z mizhelektrodnoyi oblasti garyachoyi plazmi sho perehodyat v mizhelektrodnu oblast holodnoyi plazmi Ostanni roboti RedaguvatiUsi programi navedeni vishe vikoristovuvali tehnologiyu v yakij bazove fizichne rozuminnya ta produktivnist termoelektronnogo peretvoryuvacha buli po suti takimi zh yak i ti sho buli dosyagnuti do 1970 roku Odnak protyagom periodu z 1973 po 1983 roki v SShA provodilisya znachni doslidzhennya peredovoyi tehnologiyi nizkotemperaturnih termoelektronnih peretvoryuvachiv dlya promislovogo ta komercijnogo virobnictva elektroenergiyi na vikopnomu palivi yaki trivali do 1995 roku dlya mozhlivogo zastosuvannya u kosmichnih i morskih reaktorah en Ce doslidzhennya pokazalo sho suttyevi pokrashennya produktivnosti peretvoryuvacha mozhna otrimati pri nizhchih robochih temperaturah shlyahom dodavannya kisnyu do pariv ceziyu 11 shlyahom pridushennya vidbittya elektroniv na poverhnyah elektrodiv 12 i roboti v gibridnomu rezhimi Podibnim chinom udoskonalennya za rahunok vikoristannya kisnevmisnih elektrodiv bulo prodemonstrovano v Rosiyi razom iz doslidzhennyami konstrukcij sistem sho vikoristovuyut vdoskonaleni harakteristiki termoelektronnogo peretvoryuvacha 13 Nedavni doslidzhennya 14 pokazali sho zbudzheni atomi Cs v termoelektronnih peretvoryuvachah utvoryuyut klasteri Cs ridbergivskoyi materiyi en sho prizvodit do zmenshennya roboti vihodu viprominyuvannya z 1 5 eV do 1 0 0 7 eV Cherez dovgozhivuchu prirodu materiyi Ridberga cya nizka robota vihodu zalishayetsya nizkoyu protyagom trivalogo chasu sho istotno pidvishuye KKD nizkotemperaturnogo peretvoryuvacha Div takozh RedaguvatiAtomna batareya Beta voltayika Optoelektrichna yaderna batareya en Magnitogidrodinamichnij generator Radioizotopnij p yezoelektrichnij generator en Radioizotopnij termoelektrichnij generator Termopara Termoelektrichnij generatorPrimitki Redaguvati Rasor N S 1983 Thermionic Energy Converter U Chang Sheldon S L Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering II New York Wiley s 668 ISBN 0 471 86213 4 Hatsopoulos G N Gyftopoulos E P 1974 Thermionic Energy Conversion I Cambridge MA MIT Press ISBN 0 262 08059 1 Baksht F G G A Dyvzhev A M Martsinovskiy B Y Moyzhes G Y Dikus E B Sonin V G Yuryev 1973 Thermionic converters and low temperature plasma trans from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma s 490 Mills Joseph C Dahlberg Richard C 10 sichnya 1991 Thermionic Systems for DOD Missions AIP Conference Proceedings 217 3 1088 92 Bibcode 1991AIPC 217 1088M doi 10 1063 1 40069 Arhiv originalu za 10 lipnya 2012 Gryaznov G M E E Zhabotinskii A V Zrodnikov Yu V Nikolaev N N Ponomarev Stepnoi V Ya Pupko V I Serbin V A Usov June 1989 Thermoemission reactor converters for nuclear power units in outer space Soviet Atomic Energy Plenus Pub Co 66 6 374 377 ISSN 1573 8205 doi 10 1007 BF01123508 Bulletin of the Atomic Scientists July 1993 s 12 Proceedings of a Symposium Advanced Compact Reactor Systems National Academy of Sciences Washington D C November 15 17 1982 National Academies 1983 s 65 NAP 15535 van Kemenade E Veltkamp W B 7 serpnya 1994 Design of a Thermionic Converter for a Domestic Heating System Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference II Rasor Ned S Charles Warner September 1964 Correlation of Emission Processes for Adsorbed Alkali Films on Metal Surfaces Journal of Applied Physics The American Institute of Physics 35 9 2589 Bibcode 1964JAP 35 2589R ISSN 0021 8979 doi 10 1063 1 1713806 Rasor Ned S December 1991 Thermionic Energy Conversion Plasmas IEEE Transactions on Plasma Science 19 6 1191 1208 Bibcode 1991ITPS 19 1191R doi 10 1109 27 125041 J L Desplat L K Hansen G L Hatch J B McVey and N S Rasor HET IV Final Report Volumes 1 amp 2 Rasor Associates Report NSR 71 95 0842 Nov 1995 performed for Westinghouse Bettis Laboratory under Contract 73 864733 344 pages Also available in total as C B Geller C S Murray D R Riley J L Desplat L K Hansen G L Hatch J B McVey and N S Rasor High Efficiency Thermionics HET IV and Converter Advancement CAP programs Final Reports DOE DE96010173 386 pages 1996 N S Rasor The Important Effect of Electron Reflection on Thermionic Converter Performance Proc 33rd Intersoc Energy Conv Engr Conf Colorado Springs CO Aug 1998 paper 98 211 Yarygin Valery I Viktor N Sidelnikov Vitaliy S Mironov Energy Conversion Options For NASA s Space Nuclear Power Systems Initiative Underestimated Capability of Thermionics Proceedings of the 2nd International Energy Conversion Engineering Conference Svensson Robert Leif Holmlid 15 travnya 1992 Very low work function surfaces from condensed excited states Rydberg matter of cesium Surface Science 269 270 695 699 Bibcode 1992SurSc 269 695S ISSN 0039 6028 doi 10 1016 0039 6028 92 91335 9 Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Termoelektronnij peretvoryuvach amp oldid 40580741