Перспективные технологии в энергетике

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термоэмиссионный преобразователь энергии

Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП), термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии. Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком (рис. 1). К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получает тепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит "электронный газ" (электроны "испаряются" с эмиттера - нагревателя и "конденсируются" на коллекторе - холодильнике), то кпд ТЭП не может превосходить кпд Карно цикла.

Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5- 1 в), - порядка контактной разности потенциалов, но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах (рис. 2). Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а 1 см² поверхности. Для получения оптимальных величин работы выхода эмиттера (2,5-2,8 эв) и коллектора (1,0-1,7 эв) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде (поверхностная ионизация), так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих - ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме - наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700-2000 К на катоде и 800-1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см² поверхности катода) достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%.

По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа (в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор "Топаз" электрической мощностью около 10 квт. В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением гелиоконцентраторов). Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.

Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями - отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. В настоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП свыше 40000 ч. Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например, в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термоэлектрический генератор

Термоэлектрический генератор (ТЭГ), термоэлектрогенератор, устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, принцип действия которого основан на эффекте Зеебека (см. Термоэлектрические явления). В состав ТЭГ входят: термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединённых последовательно или параллельно; теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. ТЭГ подразделяются: по интервалу рабочих температур - на низко-, средне и высокотемпературные (диапазоны температур 20-300, 300-600, 600-1000 °С; материалы термоэлементов - соответственно твёрдые растворы на основе халькогенидов элементов V группы, IV группы периодической системы Д. И. Менделеева и твёрдые растворы Si-Ge); по области применения - на космические, морские, наземные и т. д.; по типу источника тепла - на изотопные, солнечные (см. Солнечный термоэлектрогенератор), газовые и т. д. Кпд лучших ТЭГ составляет ~ 15%, мощность достигает нескольких сотен квт.

ТЭГ обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии, например турбогенераторами, отсутствием движущихся частей, высокой надёжностью, простотой обслуживания. ТЭГ применяются для энергоснабжения удалённых и труднодоступных потребителей электроэнергии (автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной защиты газо- и нефтепроводов и т. п.). К недостаткам современных ТЭГ относятся низкий кпд и относительно высокая стоимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрохимический генератор

Электрохимический генератор (ЭХГ), химический источник тока, в котором реагенты (обычно газообразные или жидкие вещества) в ходе электрохимической реакции непрерывно поступают из специальных резервуаров к электродам. ЭХГ состоит из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции, контроля и автоматического управления. В отличие от гальванических элементов, ЭХГ могут работать до тех пор, пока осуществляется подвод реагентов (топлива и окислителя) и отвод продуктов реакции.

Перспективны ЭХГ, в которых в качестве горючего используют водород, экологически чистый источник энергии. С середины 1970-х гг. в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии и др. странах ведутся работы по созданию и использованию водородно-кислородных и особенно водородно-воздушных ЭХГ. Применение такого рода источников электрической энергии в радио- и телевизионных устройствах (рис.) и на транспортных средствах должно способствовать решению проблемы сохранения чистоты окружающей среды. Кпд водородно-кислородных ЭХГ, созданных в СССР и США, достигает 70-80%. Кпд ЭХГ, работающих при постоянных давлении и температуре с поглощением тепла из окружающей среды, теоретически может превосходить 100%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

 

1.  "Большая Российская энциклопедия" Эл. Изд. Рубрикон, М. 2001г.   (http://www.rubricon.ru/)