1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (Нетрадиционные возобнавляемые источники энергии. А.М. Магомедов, 1996u), страница 36

В лучших лабораторных образцах эта величина достигает 15'А, и есть предположение, что она может быть увеличена до 20-25'/о. Из-за высокой стоимости ТЭГ не используются в крупной стационарной энергетике. Область их применения — сравшпельно мелкие автономные источники электроэнергии. По-внлимому, н в перспективе они будут применяться только в автономных установках небольшой мощности, 170 ГЛАВА )Х. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1 Е КПД ТЕРМОЭМИССИОННОГО ПРЕОБРАВОВАТЕМ Термозмиссионное преобразование энергии основано на использовании двух физических явлений — термоэлектронной эмиссии и контактной разности потенциалов, возникающей между поверхностями двух разнородных тел, электрически связанных друг с другом и имеющих разные работы выхода электрона.

Максимально возможная при данной температуре поверхности и отсутствии электрических полей плотность тока эмиссии определяется по уравнению Ричардсона )в = АТ2ехр(-4р/КТ), (1) где А = 4яшекз)гэ = 120,4 А(смзКз) — универсальная постоянная Ричардсона; т и е — масса и заряд электрона; )с — постоянная Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура поверхности; и— постоянная Планка; э — истинная ра- 2 бота выхода однородной поверхности.

эВ, представляющая собой разность Я э между энергией электронов в точке а Е б минимального удаления и химическим г:2-":ф С=-:-~> потенциалом электронов в проводни- т ~ т. я' ке. Для электронного газа внутри мегалла химический потенциал равен 1 энергии Ферми. Теоретическая формула (1) дает а 7 ния тока эмиссии. Поэтому на практике пользуются формулой, в которой въа и . Ял. пв вл а альп ааааа Р эмпасаового праобрааоватааа: пРедставлЯет РичаРдсоновскУю РаботУ 1 ва мп в „. з „рмвтп выхода, а константа А=Ав определяет- вмя авэптн з -вматтан 4- мавлаатвж бся экспериментально.

пвлволвмав теплова б - атволпмав вввлв- Принципиальная схема простей ™т м"ВУ'пм щего термоэмнссионного преобразователя энергии (ТЭП) приведена на рис. 54. Важнейшими характеристиками ТЭП являются работы выхода эмиттера н коллектора. Идеальным ТЭП называется вакуумный диод, в котором электроны, покидающие эмиттер, беспрепятственно достигают коллектора, отсутствуют джоулевы потери энергии в электродах и токовводах, эмиттер является изотермическим, а температура коллектора настолько низка, что эмиссионным током с его поверхности можно пренебречь. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)'(рис.55) идеального диода определяется распределением электрического - 4 ~ ,саа 3 потенциала в межзлектронном зазоре ъь (рис.56).

М Увеличение сопротивления нагрузкн и возрастание У (рис. 55, участок ВС; 1т $ т е рнс.56, в) приводит к тому, что ток с эмнттера уменьшается в соответствии с . Рмрл 'т' Рис. йя. вольт-ампсртпаа тарнстернстпка тЭХ$ формулой ~ (У- „)'1 ) м)тоехр — . (2) кт Коэффициент полезного действия идеального диода в режиме максимальной мощности где Е- эффективный коэффициент излучения металла в системе эмнттер-коллектор; а = 5,67 10'Вт/(м'Кс) — постоянная Стефана-Больцмана"„ е- заряд электрона. Эпониае ~иеипиус Рис. 56. Распределение електуическото потенпнала а мемтлектролном зазоум а - ремам коуоткото замыкании Роо; 6- ремни максимальное моапомтн: а - уеапсм с )к) Протекание тока через ТЗП связано с наличием в зазоре между эмитгером и коллектором большого количества электронов.

Этн электроны создают в зазоре так называемый отрицательный пространственный заряд, приводящий при достаточной его плотности к возннкнове- тодов. Наиболее простои метод заключается в уменьшении расстояния между эмнт- Ю тером н коллектором: для получения приемлемой тр » мощности (несколько ватт на смз) необходимо иметь зазор щ"$ о не более 0,01 мм. ма При высоких. Т» вследст- /я.е вие коробления или разбуха- М ния поверхности выдерживать такой малый зазор в те- челне длительного времени р„е. лт. эви»км»вима п»к напонмниа е поаеркочень трудно.

Кроме того, в во»та аоаьфрама при ратдичнь»х тиачевиах твииастоящее время отсутствуют ператтрм ами ра и даааениа варов ~а материалы, пригодные для работы в вакуумном режиме достаточно длительное время. Материалы с высокой эмиссией (около 10 А/смт/ прн Т2300К имеют недопустимо вы- точке ее м сокую скорость испарения, Скорость испарения металлов в вакууме пропорциональна е.т хт, эмиссионнаа способность пропорциональна еевич». Поэтому чем больше отноше- ние Р/д», тем более пригоден материал для эмиттера ТЭП. Другой метод заключается в увеличении скорости частиц, движущихся между электродами.

Он основан на принципе работы магнетрона в запертом рерт во и а р ка ри дэ жиме го ревима ТЭП» Ь$3»- нрикатодама екачок нотенниава", В отдельную группу выде- О,о» - амкодвое ванравенве ТЭП ляются методы, где используется компенсация отрицательного объемного заряда положительными ионами, каким-либо способом полученными в зазоре, В зависимости от образования ионов различаются рс- нию в зазоре потенциального барьера высотой б, как это показано на рис.5б,в (реальное распределение).

Для получения высокого КПД ТЗП необходимо устранить или скомпенсировать пространственный заряд в межэлектродной области, для чего используют ряд ме- хтря хааа та яр мю г к жимы с поверхностной и объемной ионизацией. В первом случае в межэлектродном промежутке создается атмосфера паров Сз.

За счет высокой работы выхода тугоплавких металлов (для ж, д > 4эВ) каждый атом цезия, попадающий на его поверхность, ионизируется. Пары цезия играют в ТЭП троякую роль. Во-первых, из атомов Сз создаются ионь1 Сз, компенсирующие отрицательный объемный заряд электронов. Во-вторых, атомы Сз, адсорбируясь на поверхности коллектора, понижают их работу выхода и смещают ВАХ влево (рис.57, 58). В-третьих, при больших давлениях паров Сз атомы его могут адсорбироваться и на поверхности горячего эмиттера, также снижая работу выхода.

Возможны три основных режима работы ТЭП с парами цезия: 1) кваэивакуумный; 2) диффузионный; 3) дуговой. Для практических расчетов эффективную работу выхода тугоплавких металлов в парах цезия удобно представить в виде зависимости ср (ТЛс), где Т- температура поверхности. Для значения Т/Тс,>2,7 можно использовать эмпирическую формулу 1 хп )3 таблица Б Значения констант в формуле (4) для некоторых материалов эмиттеров 5 2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЭП Вакуумный, квазивакуумный н диффузионный рпкимы в настоящее время хорошо изучены, и теоретическое описание их увязывается с экспериментом.

В дуговом режиме много неясных вопросов и пока отсутствует теоретическая модель, достаточно хорошо согласующаяся с экспериментом. Хотя этот режим является одним из наиболее перспективных, при расчете генератора приходится основываться болыне на экспериментальныхданных, чем натеоретических характеристиках. При разработке реального ТЭП важнейшими проблемами являются: 1) создание электродов с определенной работой выхода, минимальной испаряемостыо и малым сопротивлением; 2) регулирование и поддержание необходимого вакуума н давления паров наполнителя (Сз, Сз+К, Сз+Ва); 3) разработка коррозионно-стойкой оболочки корпуса ТЭП, надежного соединения различных частей преобразователя; 4) подвод к змнттеру теплового потока 10-20 Вт/смз и отвод его с коллектора ТЭП. Эмнттерный узел ТЭП обычно состоит из эмиттера н токоввода, с помощью которого эмиттер присоединяется либо к токоведущей шине и гермовводу, либо к коллектору соседнего ТЭП: Рабочие температуры эмиттера обычно лежат в диапазоне 1бОО- 2100 К.

Токоввод эмитгера обеспечивает'перепад температур до 1500 К. Эмиттерный узел в большинстве случаев находится в среде паров цезия при Рс до 2 10э Па. Через эмнттер могут проходить токи порядка 50-100 А. Материал эмиссионного покрытия должен иметь температуру плавления 2000 К, а материал оболочки — не менее 2700 К. Скорость испарения материала эмиттера не должна превышать 10 мхи(год, что соответствует давлению паров эмитгера не более 10ч Па. В качестве материалов эмиттерного узла используются тугоплавкие металлы„сплавы, соединения: Ж,Ве,Та, Мо, ХЬ,ПС,ЕгС, ПХ.

Коллекторный узел ТЭП обычно включает в себя коллектор и защитный чехол, герметично отделяющий межэлектродную полость ТЭП от внешней полости, которая может быть вакуумнрована илн заполнена газами илн охлаждающими жидкостями. Рабочие температуры коллекторного узла составляют обычно 700-1300К. Через коллектор н защитный чехол могут проходить электрические токи до 500А.

Температура плавления материалов коллектора н защитного чехла должна быть не ниже 1300 К, работа выхода коллектора — примерно 1,б эВ, нспаряемостьоколо 1О'з и/с, давление пара-приблизительно 1ОмПа. Результаты экспериментов показывают, что в качестве материалов коллектора можно использовать: нержавеющую сталь, медь и медь, покрытую М, Мо, ХЪ и сплав ниобия с 1% цнркония, никель, реиий. В качестве конструкционных материалов может использоваться медь и ее сплавы, никель н его сплавы, нержавеющие стали.

Для связывания выделяющихся в процессе работы ТЭП газов во внутреннем объеме ТЭП размещаются газопоглотители — геттеры. В качестве гетгеров обычно используют активные металлы, такие как ХЬ„Т1, Хг, Ва, а также сплавы Ух-А1, Ег-А!-М, Хг-Т1 и др. В качестве изоляционных материалов в ТЭП используются чаще всего материалы на основе оксидов А1эОз, ВеО, УзОм МОО, Термоэмиссионные преобразователи удачно сочетаются с атомным реактором. Многочисленные расчеты показали, что масса и габаритные Х'ЛАВА Х. МГД-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Ф 1, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МГД-ГЕХХКРАТОРА Магнитогндродннамнческнй генератор (рнс.59) представляет собой устройство, преобразующее кинетическую энергию злектропроводящего потока, движущегося в поперечном магнитном поле, в электроэнергию. В потоке индуцируется электрическое поле с напряженностью Е„„, = (УВ], где У- скорость потока;  — магнитная яндукцня.