Термоемісійний перетворювач енергії

Термоемісійний перетворювач енергії (ТЕП), термоелектронний перетворювач енергії, термоіонний перетворювач енергії, пристрій для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну на основі явища термоелектронній емісії . Простий ТЕП складається з двох електродів (катода, або емітера, і анода, або колектора, що виготовляються з тугоплавких металів, зазвичай Мо, Re, W), розділених вакуумним проміжком ( мал. 1 ). До емітера від джерела тепла підводиться теплова енергія, достатня для виникнення помітної термоелектронної емісії з поверхні металу. Електрони, долаючи міжелектродний простір (декілька десятих доль мм ) , потрапляють на поверхню колектора, створюючи на нім надлишок негативних зарядів і збільшуючи його негативний потенціал. Якщо безперервно забезпечувати підведення тепла до емітера і відповідне охолоджування колектора (який отримує тепло від електронів, що досягають його), то в зовнішньому ланцюзі підтримуватиметься електричний струм і таким чином здійснюватися робота. Оскільки ТЕП є по суті тепловою машиною, робочим тілом якої служить «електронний газ» (електрони «випаровуються» з емітера — нагрівача і «конденсуються» на колекторі — холодильнику), то ккд(коефіцієнт корисного дії) ТЕП не може перевершувати ккд(коефіцієнт корисної дії) Карно циклу .

  Напруга, ТЕП (0,5— 1 в ), що розвивається, , — порядку контактній різниці потенціалів, але менше її на величину падіння напруги на міжелектродному зазорі і втрат напруги на комутаційних дротах ( мал. 2 ). Максимальна щільність струму, ТЕП, що генерується, обмежена емісійною здатністю емітера і може досягати декількох десятків а 1 см ² поверхні. Для здобуття оптимальних величин роботи виходу емітера (2,5—2,8 ев ) і колектора (1,0—1,7 ев ) і для компенсації об'ємного заряду електронів, що утворюється поблизу електродів, в зазор між ними зазвичай вводять пари Cs, що легко іонізуються. Позитивні іони цезію утворюються при зіткненні атомів Cs з швидкими і тепловими електронами як на гарячому катоді ( поверхнева іонізація ) , так і в міжелектродному об'ємі (унаслідок або однократного зіткнення атомів Cs з швидкими і тепловими електронами, або ступінчастої іонізації, при якій в результаті 1-го зіткнення з електроном атом Cs переходить в збуджений стан, а при подальших — іонізується). У останньому випадку ТЕП працює в так зване дуговому режимі — найбільш споживаному. При використовуваних в сучасних температурах ТЕП електродів (1700—2000 До на катоді і 800—1100 До на аноді) їх питома потужність (з розрахунку на 1 см ² поверхні катода) досягає десятків Вт, а ккд(коефіцієнт корисної дії) може перевищувати 20%.

  По роду джерела тепла розрізняють ядерні (реакторні і радіоізотопні), сонячні і газополум'яні ТЕП. У ядерних ТЕП використовується тепло, що виділяється в результаті реакції ядерного ділення (у реакторних ТЕП) або розпаду радіоактивного ізотопу (у радіоізотопних). У 1970 в СРСР створений перший в світі термоемісійний перетворювач-реактор «Топаз» електричною потужністю близько 10 квт . У сонячних ТЕП нагрів емітера здійснюється за рахунок теплової енергії сонячного випромінювання (із застосуванням геліоконцентраторов ) . Газополум'яні ТЕП працюють на теплі, що виділяється при спалюванні органічного палива.

  Важливі переваги ТЕП в порівнянні з традиційними електромашинними перетворювачами — відсутність в них рухомих частин, компактність, висока надійність, можливість експлуатації без систематичного обслуговування. В даний час (середина 70-х рр.) досягнутий ресурс безперервної роботи одиночного ТЕП понад 40000 ч. Перспективне використання ТЕП як високотемпературна ланка багатоступінчастих перетворювачів енергії, наприклад, у поєднанні з термоелектричними перетворювачами, що працюють при нижчих температурах. У СРСР, США, Франції і ряду ін. країн ведуться інтенсивні роботи із створення ТЕП, придатних для масового промислового використання.

  Літ.: Елісєєв Ст Би., Пятніцкий А. П., Сергєєв Д. І., Термоемісійні перетворювачі енергії, М., 1970; Термоемісійні перетворювачі і низькотемпературна плазма, М., 1973; Технологія термоемісійних перетворювачів. Довідник, під ред. С. Ст Рябікова, М., 1974.

  Н. С. Лідоренко.

Мал. 2. Розподіл потенційної енергії електронів в міжелектродному зазорі при недостатній концентрації іонів цезію (1), в умовах компенсації об'ємного заряду (2) і в дуговому режимі (3): УФК і УФА — рівні Фермі катода (емітера) і анода (колектора); E — енергія; E _До і E _А — робота виходу катода і анода; Dv ₃ , Dv _пр і V — падіння напруги відповідно на міжелектродному зазорі, на комутаційних приводах і в зовнішньому ланцюзі; е — заряд електрона; d — міжелектродна відстань.

Мал. 1. Схема термоемісійного перетворювача: До — катод, або емітер; А — анод, або колектор; R — зовнішнє навантаження; Q _До — тепло, що підводиться до катода; Q _А — тепло, що відводиться від анода; 1 — атоми цезію; 2 — іони цезію; 3 — електрони.