Преобразователь тепловой энергии в электрическую: Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения

Содержание

tPOD1 — эффективный преобразователь тепловой энергии в электричество / Хабр

То, что тепловую энергию можно преобразовывать в электричество, известно очень давно. Существует и целый спектр портативных устройств, которые совершают подобные преобразования без большого числа промежуточных этапов. Но вскоре может появиться устройство, которое окажется практически идеальным преобразователем тепловой энергии в электрическую для охотников, туристов, путешественников и жителей отдаленных регионов. tPOD1 достаточно эффективен — тепла, выделяемого одной маленькой свечкой (знаете, такие мини-свечки в металлической крышечке, они еще по воде могут плавать) хватит для обеспечения энергией светодиодной лампы (на 25 светодиодов) вплоть до четырех часов.

Этот проект разработан компанией Tellurex, которая в настоящее время собирает средства на реализацию своей идеи в промышленном масштабе на Kickstarter. Всего для начала массового производства tPOD1 нужно 85 тысяч долларов США. 40 тысяч долларов США уже собрано.

Разработчики считают, что их устройство может быть полезным, в первую очередь, для жителей удаленных регионов Африки. Та же мобильная связь добралась и туда, однако иногда жителям приходится проходить несколько километров в день, только для того, чтобы зарядить свой телефон где-нибудь в более цивилизованном районе. А теперь заряжать телефон можно будет буквально «из костра». Вероятно, жители смогут и просто класть tPOD1 куда-нибудь на темный камень, нагревающийся на солнце до 70 градусов (и даже выше).

Правда, стоимость девайса чрезмерно велика для африканца — выложить придется 69-79 долларов США. Так что пока tPOD1, вероятно, станет раскупаться только туристами, рыбаками и прочими категориями граждан, регулярно совершающих путешествия.

На видео, размещенном ниже, показан принцип действия устройства. Там вначале девочка вещает, но с 20-й секунды начинается сама презентация.

Via mashable

New! Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR для ТЭС когенерационные установки малой мощности цена

 

Термоэлектрические генераторы постоянного тока KIBOR предназначены для преобразования тепла в электричество. Мы представляем готовое решение по повышению общего кпд энергетической системы  и утилизации избыточного тепла вырабатываемого в тепловых пунктах, котлах и котельных установках, ТЭЦ и ТЭС для выработки электроэнергии, что и позволяет реализовать когенерационные установки.

Термоэлектрический модуль KIBOR электрической мощностью 500 Вт/48 В

 

Цена 135 000 руб

 

Основные технические параметры:

 

Выходная электрическая мощность 500 W
Размеры (Д x Ш x В)    460×400×965 мм

Выходное постоянное напряжение 48 В

Выходной ток 12 А

Внутреннее сопротивление  4,0 Ом
Напряжение холостого хода 96 В

Входная температура и скорость потока (масло)  280℃  0,25m³ /ч
Температура охлаждения (вода) 30℃  0,5m³/ч
Диаметр коллектора 1 дюйм
Вес   72,5 кГ

Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR  преобразует бросовую тепловую энергию

высокотемпературные термоэлектрический генератор постоянного тока

в полезную электрическую. Термоэлектрический преобразователь KIBOR состоит из девяти

среднетемпературный преобразователь термоэлектрический

металлических секций. Через 3 секции циркулирует горячее масло, через 6 секций прокачивается

генератор термоэлектрический модуль цена

вода для охлаждения. В задней части модуля находится металлический резервуар с горячим

когенерационные установки цена

маслом. Выходные провода цвет: плюс – красный, минус — черный. Термоэлектрический

когенерационные установки малой мощности

преобразователь может генерировать более 500 Вт если источником тепла является температура более 280℃.

ДОСТОИНСТВА. Термоэлектрический генератор постоянного тока KIBOR:

+ Необслуживаемые системы со сроком службы не менее 10 лет.

+ Бесшумная работа.

+ Круглосуточная выработка электроэнергии.

ОТЗЫВЫ Термоэлектрические генераторы постоянного тока KIBOR

ЗАПРОСЫ, ВОПРОСЫ, ОТВЕТЫ, НОВОСТИ

1.  Для каких тепловых станций подходят термоэлектрические генераторы постоянного тока?

— термоэлектрические генераторы подходят для всех типов тепловых станций, где есть температура более 350°С, например: газовые теплостанции, на угле, газотурбинные теплоэлектростанции, бензиновые и дизельные мини электростанции,  на биогазе и пеллетах, электростанции на топливных элементах  и даже заводы по утилизации мусора (мусоросжигающие заводы), там где можно реализовать когенерационные установки.

2. Какие перспективы применения высокотемпературных среднетемпературных термоэлектрических генераторов постоянного тока?

— перспективно применение термоэлектрических генераторов постоянного тока для реализации когенерационных установок в автономных тепло электростанциях на дровах и опилках, ТЭЦ на угле, тепло электрогенераторах на пеллетах и торфе и других энергетических установках по утилизации древесных, бытовых и промышленных отходов.

3. Какой максимальный срок эксплуатации и есть ли скидки на термоэлектрические модули?

Эффективность термоэлектрических генераторов снижается через 10 лет на 5-10%, через 20 лет на 10-20%, через 30 лет снижение более 30%. Скидки на модули при заказе от 10 шт конечно есть!

4.  Какие нормативные документы по энергосбережению?

— ФЗ РФ «О теплоснабжении» от 27 июля 2010 г. N 190

статья 3: Обеспечение приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения.

— ФЗ РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» статья 14

— Постановление Правительства Российской Федерации от 31 декабря 2009 г. № 1225 «О требованиях к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности».

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

УДК 621.382.8

СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

В.

С. Семенов, А. В.

Бейльман Научный руководитель – И. В. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп.

им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития представленных технологий. Сформулированы основные направления НИР на преобразования тепловой энергии в электрическую.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь

METHODS OF DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY

V.

S. Semenov, A. V.

Beylman Scientific supervisor – I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E-mail: [email protected]

The scientific and technological analysis of development of the available installations and ways of direct transformation of thermal energy to the electric is carried out. Strategy and prospects of development of the technologies affected in article are considered.

Keywords: thermoelectric generator, electric power, thermal energy, converter.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п.

д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию – превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Термоэлектрические модули обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств: бесшумность работы; отсутствие подвижных частей; отсутствие рабочих жидкостей; работа в любом пространственном положении; малый размер и вес системы; простота управления.

Был проведен анализ термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии, работа которых основана на эффектах Зеебека, Пельтье, Томсона, Ричардсона. Патентный поиск показал, что в настоящее время существует достаточно много устройств с различными вариантами конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

1. ТЭГ как устройство для повышения эффективности использования теплоты отработавших газов. У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40% тепла уносится горячими выхлопными газами.

Одним из решений эффективной утилизации выхлопных газов является использование термогенераторов на основе энергии тепла отработавших газов [1]. ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются

Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»

термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет пресной воды.

Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебе-ка, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 8-12 %.

2. Существуют также устройства, использующиеся на авиасудах [2].

ТЭГ, использующиеся для питания электрооборудования. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодной текучей среды, например, холодного воздуха. КПД данной схемы варьируется в пределе от 8-15 %, мощность до 7 кВт, напряжение до 300 В.

3. В космической технике, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, используются радиоизотопные источники энергии, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующие её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.

В настоящее время на марсоходе «Curiosity» используется такой радиоизотопный генератор (РИТЭГ). РИТЭГ [3] применялись в навигационных маяках, радиомаяках, метеостанциях и другом оборудовании, установленном в местности, где по техническим или экономическим причинам нет возможности воспользоваться другими источниками электропитания. В настоящее время, в связи с риском утечки радиации и радиоактивных материалов, практику установки необслуживаемых РИТЭГ в малодоступных местах прекратили.

4. В 2011-2012 гг.

при исследовании редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление, заключающееся в спонтанной генерации электрического напряжения при нагреве. Актуальность заключается в том, что КПД преобразователя, работающего на основе полупроводника сульфита самария, равен «47 % при Т = 150 °С. Напряжение 0,5 В, вес всего 10 гр [4].

Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки оптимальной конструкции генератора.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфида самария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры.

Следует отметить также, что применяемый материал SmS, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150-450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2 300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, терми-сторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, электрическая промышленность, бытовая сфера.

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.

Выводы: проведен теоретический анализ методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Установлено, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую может составлять 8-47 % при мощности 0,1 Вт-7 кВт. Определены направления НИР по разработке методов преобразования тепловой энергии в электрическую для космической отрасли и метрологии на основе полупроводниковых материалов (сульфида самария, висмута, сурьмы, индия).

Библиографические ссылки

1.

Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К.

Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей // Вестн. Астрахан.

гос. техн. ун-та.

Сер. «Морская техника и технология». 2011.

№ 1. С. 84-91.

2. Пат.

№ 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф.

№ 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014.

Бюл. № 33. 11 с.

3. Железняков А.

Б. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://geektimes.ru/post/231197 (дата обращения: 28.03.2014).

4. Каминский В.

В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014.

Т. 56. В.

9. С. 131-142.

© Семенов В. С., Бейльман А. В., 2015

Среди множества приборов, которые позволяют получать электроэнергию особое место занимают устройства, позволяющие выполнять преобразование тепловой энергии в электрическую. Их основной задачей является прямое преобразование одного вида энергии в другой с минимальным количеством различных промежуточных звеньев. Одновременно, решается задача по увеличению коэффициента полезного действия данного процесса.

Устройство преобразователя

Устройство-преобразователь состоит из нагреваемых элементов и генератораэлектрической энергии. Для изготовления нагреваемых элементов используется мягкий магнитный материал, точка Кюри у которого понижена. Он теряет свои магнитные качества при нагреве и обладает фазовым переходом.

Эти элементы входят в магнитную цепь в форме буквы Ф.

В ней имеется один средний и два боковых стержня. Боковые стержни состоят из двух элементов, между которыми находятся воздушные промежутки. Они примыкают к среднему стержню и относительно него располагаются симметрично по обеим сторонам.

Соединение нагреваемых элементов осуществляется с помощью жесткой планки. Она устанавливается на шарнире, расположенном с краю среднего стержня по оси симметрии. Когда планка изменяет свое положение, нагреваемые элементы по очереди перемыкают воздушные промежутки боковых стержней.

В воздушных промежутках располагается теплопровод, с помощью которого подводится тепло от нагревателя. При отсутствии перемыкания воздушных промежутков, происходит соприкосновение нагреваемых элементов с охладителем. В среднем стержне имеется обмотка возбуждения, питающаяся от постоянного тока, генерирующие обмотки генератора располагаются на боковых стрежнях.

Практическая работа преобразователя

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется по определенной схеме. Когда питание подается к обмотке, происходит возникновение магнитного потока, расходящегося по боковым стержням.

Подвижный элемент притягивается к боковому стержню и замыкает необходимый воздушный зазор. Происходит возрастание магнитного потока, при этом, нагреваемый элемент попадает под влияние теплопровода. Он нагревается до определенной температуры, при которой происходит потеря магнитных свойств.

Подвижный элемент притягивается к зазору и магнитная цепь бокового стержня замыкается.Таким образом, в одном из боковых стержней магнитное поле растет, а в другом оно падает. Этот процесс неоднократно повторяется.

Конечным результатом всех этих действий является электроэнергия. Ее количество и мощность полностью зависят от того, с какой скоростью подается тепло и охлаждение. От этого же зависти и КПД всей системы.

Физические источники тока

Этовозможно при условии, если температуратеплоносителя достигает более 1500.

Существуетдва способа преобразования тепловойэнергии в электричество:

    Пар направляется по трубам в турбины, которые соединяются с электрогенераторомПар предварительно очищается перед попаданием в трубы, далее направляется к турбинам.

Геотермальнаястанция – это те же тепловые электростанции,в которых роль котла или ядерногореактора взяли на себя естественныеподземные источники тепла.

Энергия ветра

Ветер– это преобразованная солнечная энергия.

Солнечныелучи прогревают Землю, а отраженные –воздух. Интенсивность прогреваниявоздуха увеличивается с понижениемвлажности почвы. Так воздух в пустынеполучает от раскаленного песка в 130 разбольше тепла, чем от поверхности океанатой же широты.

Перемещениевоздушных масс происходит в вертикальномнаправлении под действием силы притяженияЗемли (более холодный стремится вниз,а теплый – наверх) и в горизонтальномнаправлении ( направление перемещениявоздушных масс зависит от неравномерностипрогрева земно поверхности).

Преобразованиеветровой энергии в электрическую.

Поднапором ветра вращается ветроколесо слопастями, передавая крутящий моментчерез систему передач валу генератора,вырабатывающий электроэнергию. Чембольше диаметр ветроколеса, тем большевоздушный поток, который захватываетсяи тем больше энергии вырабатывается.

Положительныйэффект:

Недостаток:

    Низкое КПДНебольшая мощностьШумВибрацияЗанимает большие площади

Приливная энергетика

Используетсяэнергия приливов и отливов Мировогоокеана.

Двараза в сутки уровень в океане топоднимается, то опускается. Это происходитпод действием гравитационных сил солнцаи луны, которые притягивают к себе водыокеана.

Уберега разность уровней воды приливаи отлива достигают более 10 метров. Еслив заливе на берегу моря, в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилищеможно создать запасы воды во времяприливов. А при отливе воду пропускаютчерез гидротурбины, в результате энергияпреобразуется в электрическую.

Недостатки:

    Дороговизна строительстваНеравномерность выработки электроэнергии

Солнечная энергия

Преобразованиесолнечной энергии в электрическуюпроисходит с помощью:

    ТурбогенераторовСолнечных элементов

Однаков обоих случаях необходимо иметьсобирающее устройство солнечной энергии,которое бывает в виде плоского иливогнутого зеркала. Температура наповерхности зеркала достигает более30000.

Воснову солнечной батареи входят кристаллыкремния, которые покрыты тончайщийпрозрачным для света слой металла.

Потомсолнечных фотонов проходит сквозь слойметалла и выбивает электроны из кристалла.Эти электроны концентрируются наповерхности металлов. Между слоемметалла и кристаллом кремния возникаетразность потенциалов.

Приусловии соединения 1000 фотоэлементовпараллельно – получится солнечнаябатарея, способная питать электроэнергиейпомещение.

Будущее:

Энергетика морских течений

Морскиетечения Гольфстрим, Куросио несут всекунду 83 и 55 миллионов кубическимметров воды соответственно. В настоящеевремя разрабатываются проекты использанияэтой энергии.

Как сделать стену из гипсокартона своими руками

сложные перегородки из гипсокартонаВ этом разделе все о гипсокартоне от А до Я, вы научитесь, как правильно сделать перегородку из гипсокартона далее…

Как разместить светильники на натяжном потолке

Как разместить светильники на потолке.25264 просмотровБольшинство комнат в квартирах Республики Беларусь, как правило освещает одна люстра, установленная по центру потолка. Изредка далее…

Утеплитель для труб в земле

Способы утепления водопроводных труб в землеОглавление: [ скрыть ]Как правильно утеплить водопроводные трубы, если на даче или в частном далее…

Что такое форсаж дуги на сварочном инверторе(16)

Какие потолки лучше глянцевые или матовые(10)

Стружкоотсос своими руками из улитки(8)

Общая площадь дома что входит(7)

Почему генератор выдает низкое напряжение(7)

Как поднять участок на даче(7)

Леруа мерлен поддоны для душа(5)

Вентиляция с естественным побуждением это(5)

Какие люстры подходят для натяжного потолкаПо каким критериям выбрать люстру для натяжного потолка?СодержаниеРазнообразие Какие потолки лучше глянцевые или матовыеКакой натяжной потолок выбрать? (матовый, глянцевый или сатиновый)Вы приняли решение установить Каким валиком лучше красить потолокКак правильно красить валиком потолокЕсли вы задались вопросомКак Как заделать дырку в потолкеРемонт потолка своими рукамиНатяжной потолокОтштукатуренный потолокГипсокартонный потолокЕсли у вас вдруг Как визуально сделать потолок вышеКак сделать низкий потолок визуально вышеВ большинстве типовых квартир и частных

Реконструкция старого фундаментаВ ходе эксплуатации здания может возникнуть необходимость в усилении…

Как скомбинировать обои для кухни?Одним из оригинальных дизайнерских приемов, с помощью…

Утепление стен внутри дома: достоинства и недостаткиУтепление стен внутри дома похоже…

Источники:

  • cyberleninka.ru
  • electric-220.ru
  • studfiles.net
  • www.sferatd.ru

Создан преобразователь тепла в холод

Скромных познаний в физике достаточно для того, чтобы представлять себе общую картину эффективности современных двигателей внутреннего сгорания. На полезную работу уходит всего 25-40% выделяемой при сгорании топлива энергии. Большая её часть в виде тепла «уходит» в окружающую среду. Схожая ситуация происходит на тепловых электростанциях и других промышленных объектах. Помимо повышенного расхода углеводородов, это вредит экологии и является причиной дискомфорта. Даже офисный компьютер может поднять температуру в помещении, не говоря уже про серверные стойки, которые могут нормально функционировать только под постоянным обдувом кондиционерами.

Количество искусственных источников тепла растёт с каждым днём, но, к счастью, научный прогресс не стоит на месте. Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech . При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться «возвращения» до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода. Преобразование улавливаемого тепла в электричество, к сожалению, не имеет такой эффективности, она составляет около 15-20%, хотя и это уже неплохо.

Очевидно, что подобные устройства могут быть использованы в самом широком спектре отраслей. К примеру, такую установку можно закрепить на выхлопной системе автомобиля, получая кондиционер, не требующий дополнительного расхода топлива. Бюджет Министерства Обороны США является одним из источников финансирования данного проекта, потому ведомство заинтересовано в возможности охлаждения электроники в полевых условиях, за счёт (если можно так выразиться) тепла дизельных генераторов. У специалистов университета уже имеется реально функционирующий прототип данной установки. Он работает именно так, как задумывали учёные, и продолжает совершенствоваться.

Прямое преобразование тепловой энергии деления ядер в электрическую

Страница 35 из 39

В ядерных установках тепловая энергия деления преобразуется в электрическую в основном с помощью турбин, паровых или газовых, и генераторов электрического тока. Прямое преобразование тепловой энергии деления осуществляется тремя основными способами: термоэлектрическим, термоэмиссионным и магнитогидродинамическим.

РЕАКТОРЫ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

Принцип термоэлектрического способа преобразования тепловой энергии в электрическую основан на явлении, названном по имени немецкого ученого Зеебека (1821 г.). Суть явления заключается в том, что в термоэлементе, представляющем собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из разнородных материалов, возникает ЭДС, если точки контактов имеют разные температуры.
Термоэлектродвижущая сила, В, определяется разностью температур горячего и холодного контактов и свойствами материалов, составляющих термоэлемент, и равна Е=а(Тi—Г2), где а — удельная термоэлектродвижущая сила пары, В/К; Тi и Тг — температуры горячего и холодного контактов соответственно.
Термоэлементы могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми. Металлические термоэлементы нашли широкое применение для измерения температур, но они непригодны в качестве генераторов из-за высокой теплопроводности материалов цепи и связанных с этим больших потерь тепла, что не позволяет достичь высоких величин КПД (КПД металлических термоэлементов не превосходят десятых долей процента).
Прогрессивные методы изготовления полупроводников, а возникающие в них термоэлектродвижущие силы в сотни раз выше, чем в металлах и сплавах, позволили реально поставить вопрос о создании экономически выгодных генераторов. КПД термоэлементов из различных полупроводников сравним с КПД тепловых машин.
Для преобразования ядерной энергии в электрическую удобно использовать цепь батарей из последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых термоэлементов. Они нашли и находят применение в ядерных энергетических установках, предназначенных для питания многочисленных приборов метеорологических станций, космических установок, навигационных служб.
Термобатареи могут быть размещены непосредственно в активной зоне ядерного реактора или вынесены за ее пределы, где горячие спаи нагреваются теплоносителем реактора. На рис. 9.1 и 9.2 показан общий вид активной зоны и термоэлектрического преобразователя ядерной установки «Ромашка» (СССР), в которой реактор и преобразователь скомпонованы в одном агрегате, и конструкция термоэлектрического реактора-преобразователя.
Реактор имеет следующие характеристики:
Электрическая мощность, Вт………………………………………………………………………………… 800
Общая загрузка 235U, кг…………………………………………………………………..                            49
Плотность нейтронного потока в центре, нейтр/(м2*с) ……  10+17
Рабочая температура, °С:
топлива…………………………………………………………………………………………………….. 1900
на наружной поверхности бериллиевого отражателя……………………………………. 980
у основания излучающих ребер………………………………………………………………….. 550
Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора при делении 235U, путем теплопроводности передается в радиальном направлении на отражатель и далее с боковой поверхности отражателя на коаксиально расположенный, примыкающий


Рис. 9.2. Термоэлектрический преобразователь реактора «Ромашка»:

Рис. 9.1. Реактор-преобразователь «Ромашка»:

а — общий вид активной зоны; б — общий вид термоэлектрического преобразователя

  1. — регулирующий стержень; 2 — отражатель; 3 — UC2 диски в графите; 4 — Si—Ge-модуль; 5 — медные ребра для отвода тепла

к отражателю полупроводниковый преобразователь. Реактор цилиндрической формы состоит из активной зоны и отражателя (радиального и торцевых).
Активная зона реактора по высоте набирается из тепловыделяющих элементов, каждый из которых выполнен из графитового корпуса и топливных пластин из дикарбида урана с обогащением 90% по 235U.
Радиальный отражатель реактора собран из коаксиально расположенных элементов из бериллия и графита. Торцевые отражатели изготовлены также из металлического бериллия. Для уменьшения утечки тепла через торцы реактора применяется теплоизоляция.

Рис. 9.3. Схема установки SNAP-10A:
1 — реактор; 2 — насос; 3 — поток теплоносителя; 4 — термоэлектрический преобразователь
В качестве термоэлектрического преобразователя в установке используется преобразователь на основе кремний-германиевого сплава. Термоэлементы представляют собой пару термостолбиков с n- и /7-проводимостью, соединенных по горячей стороне коммутационной пластинкой.
По холодной стороне отдельные пары термостолбиков коммутируются между собой в единую цепь. В целом термоэлектрический преобразователь установки разбит на четыре группы термоэлементов, каждая из которых имеет независимые силовые выводы. Внутри каждой из четырех
групп преобразователя термоэлементы коммутируются последовательно в четыре параллельные цепи. Сброс тепла с холодной стороны термобатареи осуществляется медным ребристым излучателем.
На рис. 9.3 приведена схема установки SNAP-10A (США). Активная зона реактора состоит из 37 стержневых твэлов диаметром 31,8 и длиной 330 мм с топливом из сплава U2rH* с 10% 235U. Оболочка твэла с толщиной стенки 0,35 мм изготовлена из хастелоя-N. Основные характеристики установки следующие:
Электрическая мощность, Вт………………………………………………………………… 540
Общая загрузка 235U, кг……………………………………………………………………………….. 4,3
Плотность нейтронного потока в центре, иейтр/(м2*с) ….                1,7* 10+15
Рабочее напряжение, В………………………………………………………………………….. 28,5
Ток, А………………………………………………………………………………………………….. 19
Рабочая температура, °С:
топлива……………………………………………………………………………………..               585
теплоносителя на выходе……………………………………………………………………….. 545
горячей стороны термоэлементов…………………………………………………….. 500
холодной стороны термоэлементов………………………………………………….. 315
В отличие от установки. «Ромашка» термоэлектрический преобразователь SNAP-10A вынесен за пределы активной зоны реактора, и разогрев его горячей стороны осуществляется Na—К-теплоносителем. Термоэлементы состоят из полупроводников на основе кремний-германиевых сплавов. Общее количество термоэлементов в преобразователе 1440.
Другим примером высокотемпературного реактора-преобразователя является установка SNAP-8. Реактор содержит 211 твэлов из UZrHx с обогащением 10% 235U (содержание водорода 36* 1022 атом/см3). Полная загрузка по 235U достигает 6,56 кг. Тепловая мощность реактора составляет 600 кВт. В качестве термоэлектрического материала в установке SNAP-8 используется РЬТе вместо GeSi, что вызвано более высокой добротностью этого материала и его более высоким КПД, несмотря на почти вдвое меньшую рабочую температуру (566 °С для РЬТе, 957 °С для GeSi).
В США разрабатывается реактор-преобразователь для электропитания глубоководной аппаратуры. Мощность реактора составит 2500 кВт (т.). В качестве топлива предполагается использовать низкообогащенное ядерное топливо. В активной зоне — труба высотой 711,2 мм — находится 12 топливных блоков квадратного сечения, в каждом из которых расположено 104 твэла. Обогащение ядерного топлива UO2 достигает 8,7% 235U, общая загрузка 235U 73 кг. Для управления реактором предусмотрено четыре стержня из карбида бора. Замедлителем, отражателем и теплоносителем служит обыкновенная вода.
Термобатарея состоит из трех групп, разделенных на семь блоков. Каждый блок в свою очередь состоит из 34 комплектов параллельно соединенных пяти пар термоэлементов. Блоки и группы соединены последовательно. Термоэлементы я-типа состоят из теллурида висмута на холодном конце и сплава РЬТе — SnTc на горячем конце. Термоэлементы p-типа состоят из сплава В12Тез—Sb2Te3 на холодном конце. Полезная мощность установки составляет 10 кВт, общий КПД реактора-преобразователя 5%.
Широкое распространение получили изотопные термоэлектрические преобразователи, работающие на энергии, излучаемой радиоактивными изотопами; такие преобразователи позволяют создавать надежные, компактные, не требующие обслуживания электрические установки с полезной мощностью 2—60 Вт. Установки находят применение на автоматических метеорологических и навигационных станциях, расположенных в малонаселенных местностях, а также в космических устройствах в качестве вспомогательных источников энергии.

Таблица 9.1. Некоторые характеристики изотопов

В табл. 9.1 приведены характеристики некоторых наиболее широко используемых изотопов, получаемых очисткой продуктов деления или облучением подходящих материалов. Большинство из них сильные бета- и у-излучатели, и установки с их использованием требуют с пециальной защиты. Некоторые изотопы являются а-излучателями и не требуют мощного экранирования, что позволяет резко снижать массу установки.
При использовании изотопов с малым периодом полураспада необходимо учитывать уменьшение тепловой отдачи с течением времени. Генераторы на изотопах с большим периодом полураспада (238Ри) позволяют получать практически постоянную мощность на протяжении 10 лет.
В СССР два первых изотопных ТЭГ созданы с использованием 210Ро и 144Се.

Рис. 9.4. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-1»:
1 — механизм регулирования; 2 — свинцовая пробка; 3 — биологическая защита; 4 — система сброса тепла; 5 — тепловая изоляция; 6 — изотопный блок; 7 — тепловой блок; 8 — термобатарея
Плоская ампула с 210Ро размещена между горячими концами двух термобатарей. Материалом полупроводников служит GeSi, что обусловлено хорошими прочностными, механическими и радиационными свойствами этого материала.
Тепловая мощность ампулы составляла 200 Вт. КПД всей установки 3—3,3%.
В ТЭГ с изотопом 144Се термоэлементы изготовлены из сплавов Bi2Te3 —
Sb2Te3 (/?-тип) и Bi2Te3 — Bi2Se3 (n-тип).
Установка применялась для питания автоматической метеорологической станции, за время работы выработано 25 кВт-ч.
В установке «Бета-1» источником тепла служит 144Се. Тепло отводится внешним оребрением. Тепловыделяющая мощность составляет 257 Вт. Поверхность ребер излучения 6,5 м2 (рис. 9.4.).
В США по программе SNAP была создана серия изотопных термоэлектрических генераторов. В качестве топлива использовали 144Се, 90Sr, 238Pu. Выбор материала корпуса определялся назначением установки: в установках, предназначенных для работы под водой, используются медно-бериллиевые сплавы, генератор SNAP-7C для питания метеостанций заключен в оболочку из хастелоя-С.
В радиоизотопном обогревательном аппарате для водолазных костюмов, разработанном в США, используются изотопы 170Ти и 171Ти, помещенные в защитный пакет и вырабатывающие мощность 400 Вт (тепл.). Тепло используется для подогрева воды до 43 °С, а также для работы термобатареи мощностью 5 Вт (эл.).
Устройство изотопных блоков должно удовлетворять следующим требованиям: 1) герметичность изотопного блока в условиях эксплуатации и при возможных авариях, что обеспечивается соответствующей конструкцией и выбором материала оболочки; 2) минимальные размеры изотопного блока при обеспечении заданной тепловой мощности; 3) в случаях использования короткоживущих изотопов необходимо наличие регулировки тепловой и электрической мощности.

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии. Новые источники энергии

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии

Мы говорили про «океан энергии», окружающей нас. Этот океан энергии – эфир, явление поляризации которого нам известно, как электрическое поле. Вихревые явления в эфире мы воспринимаем, как магнитные поля. Мы показали в предыдущей главе методы использования электрических и магнитных явлений для создания источников энергии.

В Природе есть прекрасные образцы подобия, например, орбиты планет и орбиты электронов. Конечно, все намного сложнее, но для понимания сути вещей надо находить малое в большом, и видеть обратные соответствия. Эфирные явления, в том числе продольные волны в эфирной среде, легко анализируются по методу подобия с процессами в воздушной среде. Такие методы получения энергии, как использование тепловых движений молекул воздуха, позволяют понять и методы использования тепловой энергии эфира, поскольку температура эфира задает температуру воздуха. Рассмотрим тему подробнее.

Тепловая энергия воздуха есть один из вариантов рассеянного (низкопотенциального) тепла окружающей среды. Кроме воздуха, этот вид энергии содержится в воде, а также в земле (геотермальные источники). Преобразование этого вида энергии в полезную работу наиболее адекватно воспринимается при обсуждении различных конструкций источников энергии, не требующих топлива, так как нам понятен первичный источник. Существуют как механические, так и электронные устройства, способные работать в автономном режиме за счет преобразования тепла среды. Ранее, данную возможность теоретики отрицали, требуя наличия двух источников температуры для совершения полезной работы. Мы такие традиционные способы тоже рассматриваем. Это обычные тепловые насосы. Кроме этого, покажем несколько способов непосредственного отбора тепловой энергии у среды, а именно, использование и преобразование кинетической энергии движения молекул воздуха. Способы различные, как механические, так и современные технологии с использованием электромагнитных явлений и специальных материалов.

Конверсией тепловой энергии окружающей среды, в России, активно занимались П.К. Ощепков, А.Ф. Охатрин, Е.Г.Опарин и другие исследователи. Павел Кондратьевич Ощепков известен, как основатель российской радиолокации. В 1967 году Ощепков создал Общественный институт по проблеме энергетической инверсии, в Москве, при Комитете по рациональному использованию материальных ресурсов.

Ощепков писал: «Едва ли не самой дерзновенной мечтой человечества является овладение процессами естественного круговорота энергии в природе. Энергия также неуничтожима, как и несотворима, поэтому совершенно естественно, что процессы рассеяния энергии и процессы ее сосредоточения существуют в единстве. Есть люди, которые утверждают, что эта идея противоречит закону термодинамики. Это неверно. Второй закон термодинамики, оправдавший себя в тысячах и тысячах случаев, указывающий путь при решении многих научных и технических задач, – безусловно правильный закон для любой замкнутой системы. Оспаривать справедливость его для этих систем просто бессмысленно. Но в реальном мире абсолютно замкнутых систем нет. Мир бесконечен во времени и пространстве, и взаимодействие между материальными субстанциями происходит по более сложным законам, чем второе начало термодинамики. Открыть эти законы суждено науке грядущего. Использование процесса естественного круговорота энергии в природе на благо человечества не несет с собой угрозы перегрева поверхности Земли, так как оно не может изменить теплового баланса нашей планеты. Оно свободно и от радиоактивной опасности, от загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Оно несет с собой несравнимое ни с чем изобилие энергии, составляющей главную основу жизни… Необходимость решения проблемы использования процессов естественного круговорота энергии в природе – это веление нашего времени».

Ощепков ввел термин «кэссор», обозначающий концентратор энергии окружающей среды. В литературе по данной теме, встречается сочетание «С-кэссор», обозначающее конденсаторный (емкостной) преобразователь тепловой энергии среды в электроэнергию.

Задачи, которые ставил Ощепков, выходят за рамки обычных тепловых насосов. «Энергетика будущего, на мой взгляд, это энергетика электронная. Она должна решить самую важную задачу – не просто брать тепло из окружающего пространства, но преобразовывать его в электроэнергию. В этом я вижу величайшую научнотехническую проблему современности. Научная и инженерно-конструкторская мысль ищут пути для ее решения». Сотрудники института Ощепкова, создали теорию, и выполнили расчеты по конструированию электронных установок для получения электрического тока в результате преобразования энергии окружающей среды. Созданы и работают несколько экспериментальных электронных установок, преобразующих энергию окружающей среды непосредственно в электрический ток. В специально созданных схемах из резисторов и особым образом обработанных полупроводниковых диодов (в них создан «грубый паллиатив» потенциального барьера) удалось создать устройство, в котором генерируется напряжение величиною более десяти вольт.

Ощепков писал: «На алтарь затратной экономики министерства и ведомства долгие годы приносили и продолжают приносить невосполнимые природные богатства – уголь, нефть, газ. Мало того, что их запасы на глазах истощаются, они и превосходное ценное сырье для химической промышленности. Их сжигают в топках электростанций, загрязняя атмосферу, что может вызвать, в конце концов, катастрофический «парниковый эффект», который с точки зрения опасности для человечества ученые ставят в один ряд с термоядерной катастрофой. Есть еще один парадокс традиционной технологии в энергетике – огромная энергия сначала производится в одном месте, а затем ее по дорогостоящим и не всегда надежным линиям электропередачи транспортируют нередко за тысячи километров к потребителю. Если это квартира, то… к лампочке. Не слишком ли сложно и расточительно? Все можно организовать иначе, проще, дешевле, надежнее, эффективнее. Пусть мощные энергосистемы обеспечивают электроэнергией крупные заводы и производства. Массового же потребителя, особенно в сельской местности Севера России и Сибири, можно снабдить мини-установками, преобразующими энергию среды в электричество мощностью один-два киловатта. Этого достаточно, чтобы обеспечить одну квартиру энергией для освещения, отопления и прочих нужд. Размер одной такой установки – не более настольной лампы. Если человечество хочет жить в гармонии с окружающей средой, оно должно сделать все, чтобы научиться получать энергию, не нарушая экологического равновесия в природе». Эти слова Профессора Ощепкова актуальны и сегодня, в 2012 году.

В журнале Техника Молодежи, № 11, 1983 год, была рассмотрена классификация основных методов инверсии тепловой энергии среды. Мы возьмем ее за основу, но дополним новыми методами.

Фотоинверсия. Известны свойства некоторых веществ (люминофоров) переизлучать падающий на них свет, но с иной, увеличенной длиной волны (так называемая «стоксова люминесценция»). Позднее были обнаружены случаи уменьшения длины волны переизлученного света, то есть увеличения энергии квантов (это так называемая «антистоксова люминесценция»). Прибавка к энергии квантов происходит здесь за счет трансформации собственной тепловой энергии люминофора в энергию люминесцентного излучения. Из-за отбора тепловой энергии люминофор охлаждается, и понижение его температуры компенсируется притоком теплоты из окружающей среды. Следовательно, энергетическая прибавка в люминесцентном излучении происходит, в конечном счете, путем концентрации тепловой энергии окружающей среды, и эта прибавка может быть очень значительной. Теоретически она может достигать 160 %, то есть люминофор может выдавать энергии на 60 % больше, чем получает ее в виде облучения. В настоящее время ведутся интенсивные работы по практическому применению этого эффекта (охлаждение объектов, люминесцентные мазеры, люминесцентное фотоумножение и прочее.).

Химическая инверсия. Энергетически открытые каталитические системы обладают способностью накапливать энергию, и существовать в неравновесном термодинамическом состоянии. Этот процесс возможен, благодаря сочетанию экзотермической реакции, протекающей на катализаторе, с эндотермической реакцией (охлаждения) катализатора. Эти, способные к самоподдержанию (и самовосстановлению) реакции, реализующиеся на поглощении рассеянной теплоты среды, открывают перспективы создания новых технологических процессов.

Существуют гальванические элементы, работающие на эндотермических реакциях. Энергия для протекания этих реакций отбирается от кристаллической решетки конструкции, в силу чего корпус элемента охлаждается (покрывается изморозью) и к нему непрерывно стекает (концентрируется) тепловая энергия окружающей среды. Следовательно, электрическая энергия в таком химическим источнике энергии, частично, обусловлена поглощением энергии окружающей среды.

Механоинверсия. Существуют различные способы использования кинетической энергии молекул воздуха. Эти устройства могут быть пассивные или активные, то есть струйные и потоковые технологии.

Гравинверсия. Поскольку гравитационное поле делает среду неоднородной, то это должно вносить «искажения» в термодинамический процесс выравнивания состояний, характеризуемый показателем возрастания энтропии.

Это обстоятельство отмечали еще Максвелл и Циолковский, которые высказали идею о том, что в атмосфере, под воздействием гравитационного поля, должен возникать вертикальный градиент температур. Циолковский предсказал, что указанный градиент должен зависеть от молекулярного состава газа.

Современная теория таких генераторов энергии подробно разработана Профессором В. Ф. Яковлевым, который рассчитал зависимость градиента температур от молекулярного состава газа. На основе этого эффекта им, совместно с Е. Г. Опариным, предложена идея принципиально нового генератора энергии, состоящего из двух труб, наполненных разными газами. рис. 205.

Рис. 205. Гравитационная инверсия тепловой энергии в схеме Яковлева – Опарина

Из схемы очевидно, что температура газов в двух трубках, в верхней части будет существенно отличаться друг от друга, и это можно использовать для получения энергии, к примеру, с помощью термоэлементов.

Термоинверсия. Рассмотрим поршневой двигатель, работающий на впрыскивании в камеру с цилиндром негорючего сжиженного газа (азот, гелий). Давление образующегося газа будет двигать поршень, при этом цилиндр будет охлаждаться, так как газ расширяется, а к нему устремится поток тепловой энергии из окружающей среды. Работа такого двигателя, в сумме, будет складываться не только из работы расширяющихся газов, но также и будет некоторая прибавка за счет использования тепловой энергии окружающей среды.

Электроинверсия. В данной области исследований, большие надежды П.К.Ощепкова были связаны с полупроводниковыми преобразователями тепла в электроэнергию. Существуют и другие методы. Николай Емельянович Заев запатентовал способ концентрации энергии окружающей среды путем использования свойств нелинейного конденсатора и нелинейного ферромагнетика. Мы рассмотрим их позже подробнее.

Покажем некоторые технологии и идеи по данной теме. Важное изобретение в области механической инверсии тепловой энергии, сделал автор из Санкт-Петербурга, Михаил Порфирьевич Бешок ([email protected]). Его статья «Энергия воздуха» опубликована в журнале «Новая Энергетика» № 1, 2003 год. В декабре 2010 мы общались по телефону, и он согласился открыто представить свою идею читателям данной книги. Суть его изобретения заключается в следующем: на поверхности пластины создается рельеф с размерами, порядка 1-10 длин свободного пробега молекулы воздуха (это размеры порядка элементов современных микросхем, около 500-50 нанометров). Другая сторона пластины имеет ровную поверхность, рис. 206. Цитирую Михаила Порфирьевича:

Рис. 206. Метод создания градиента давления воздуха

«Как известно из молекулярно-кинетической теории газов, молекулы воздуха хаотически (вне зависимости от скорости потока воздуха) движутся со скоростью 500 метров в секунду, при обычных условиях атмосферного давления и комнатной температуры. Масса одного кубического метра воздуха составляет более 1 кг. Нетрудно подсчитать, что в атмосфере содержится огромное количество энергии, ее можно было бы направить «на работу в турбину», но движение молекул воздуха хаотично, и принято считать, что энергия в такой среде может только поглощаться и рассеиваться, и процесс этот, якобы, необратимый. Действительно, в привычных мерках пространства и времени, молекулы движутся совершенно беспорядочно, количество их огромно, и процесс, сопровождающийся увеличением энтропии, в этом случае наиболее вероятен. Между тем, движение молекулы на участке «свободного пробега», в промежутке времени между столкновениями предстает как упорядоченное, линейное и предсказуемое. Среднее расстояние, которое преодолевает молекула за это время, составляет десятки нанометров.»

Отметим, что появившиеся в последние годы нанотехнологии позволяют конструировать требуемые элементы преобразователя энергии, имеющие микрорельеф, используя, например, нанотрубки. Микрорельеф порядка 100 нм – это несложная техническая задача и для изготовителя микросхем.

Далее, Михаил Порфирьевич рассматривает два случая, первый: пластину, обе стороны которой представляют собой абсолютно ровные поверхности и имеют площади S1 и S2 (рис. 206 слева наверху). В таком случае, на обе стороны пластины действуют силы, нормально направленные к пластине и численно равные суммарным импульсам. Эти импульсы передаются каждой из сторон ударяющимися молекулами воздуха. Так как суммарные импульсы пропорциональны площадям сторон, a они равны, то и силы равны. При такой ситуации нет разницы сил давления на пластину с двух сторон.

Другой вариант: предположим, что одна сторона пластины покрыта каким-либо рельефом, например, выполнена рельефной, рис. 206, внизу. При достаточно малых размерах рельефа поверхности, когда расстояние d меньше чем средняя длина свободного пробега молекулы, появляется фактор, нарушающий установленный выше баланс сил. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1 кг на 1 квадратный сантиметр, и разница давлений в один процент уже довольно значительна. Предварительные, весьма приблизительные расчеты показывают, что разница давлений может составлять десятки процентов, то есть силу на уровне 100–400 грамм на 1 квадратный сантиметр. Разместив такие пластины на роторе, мы можем получить постоянное вращение ротора электрогенератора под нагрузкой.

Должен отметить, что в моем понимании, суть данной концепции не в том, чтобы создать разную площадь S1 и S2. Тема относится к конструированию такого нанорельефа поверхностей, который позволит создавать разное давление окружающей среды на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф. Этого результата можно добиться разными способами. Например, если хаотическое движение молекул окружающей среды, благодаря нанорельефу, становится упорядоченным, то изменяется относительная скорость молекул среды и пластины, с той ее стороны, где сделан микрорельеф. В таком случае, обеспечивается подъемная сила, но в отличие от известного эффекта Жуковского – Чаплыгина, сила действует на неподвижное «нанокрыло», находящееся в неподвижной среде, молекулы которой движутся.

Итак, задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.

Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, мы уже ранее рассматривали в главе про молекулярный двигатель. Данный метод может быть разделен на два способа: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.

Предлагаемый материал назван САМ – силовой активный материал, или САНМ – силовой активный наноматериал, поскольку его функции состоят в создании активной силы, действующей на пластину за счет разного давления окружающей среды на разные стороны пластины. Сила называется «активной» поскольку она не требует реактивного отброса массы. Мы решаем задачу создания движущей силы противоположным методом. В реактивных движителях рабочая масса получает импульс, и отбрасывается от движителя, сообщая ему соответствующий импульс. В активном движителе все наоборот: движитель получает импульс, равный импульсу, отбираемому от молекул окружающей среды. Закон сохранения импульса, при взаимодействии движителя и рабочей массы, разумеется, строго выполняется. Окружающая среда, при этом, охлаждается.

Эффект «нанокрыла» создает не только активную силу, но и соответствующие изменения в окружающей среде, в частности, ее охлаждение. Это обусловлено тем, что создаваемый макроимпульс пластины должен быть эквивалентен потере величины микроимпульсов частиц среды. В связи с этим, САМ – технология открывает качественно новые перспективы в автономной энергетике. Применение нанотрубок для развития данной концепции представляется наиболее перспективным, хотя и другие способы получения микрорельефа, включая бионанотехнологии, могут найти практическое применение.

Данный проект находится в стадии формирования новой компании, приглашаются инвесторы и специалисты в области нанотехнологий. Обращайтесь к автору книги.

В работе Михаила Порфирьевича, есть важное замечание о необходимости упругого столкновения с поверхностью пластины. Это обязательное условия передачи импульса. При рассмотрении его конструкции, мной было предложена аналогичная версия, но более простая, без микрорельефа. Предлагаемый метод показан на рис. 207. Пластина, одна сторона которой выполнена из материала, обладающего упругими свойствами при взаимодействии с молекулами воздуха, а другая сторона пластины покрыта материалом, который поглощает импульс удара молекул воздуха, деформируется, и частично, преобразует импульс в тепловую энергию. Благодаря разнице в модуле суммарного импульса слева и справа, пластина получит импульс движущей силы в сторону ее неупругой поверхности. В данной конструкции, неупругая поверхность пластины всегда будет теплее упругой поверхности. Тепло необходимо отводить во внешнюю среду, при большой мощности конструкции.

Рис. 207. Метод создания градиента давления воздуха

Механические приводы, сконструированные по данной технологии, могут использоваться не только в энергетике для создания крутящего момента, но также на транспорте, для создания подъемной и движущей силы любой величины, без затрат топлива.

Расчет силы, при 10 % асимметрии атмосферного давления на силовой активный материал (САМ) с разных сторон, дает величины силы около 1 тонны на 1 квадратный метр.

Пакет таких 100 пластин, каждая толщиной 5 мм, с зазором 5 мм, займет объем в один кубометр, и сможет поднять в воздух 100 тонн.

В связи с этим, можно вспомнить идеи Максвелла о возможности создания некоего механизма, разделяющего молекулы газа на медленные «холодные» и быстрые «горячие». Такой механизм и есть специальный рельеф, позволяющий без затрат получать градиент температуры.

Отметим, что данный принцип был мной показан, в том числе экспериментально, на конференции «Новые идеи в естествознании», 1996 год, Санкт-Петербург, доклад «Концепция гравитации», и позднее, в 1998 году, на конференции «Пространство, время и гравитация», Петергоф, Университет, Сборник Докладов, часть 1, 1999 год. В сокращенном виде, статья по данной теме была опубликована в американском журнале ELECTRIC SPACECRAFT, № 27, 1997 год.

Простейший эксперимент в пользу предлагаемой концепции, известен еще с 1935 года, и впервые был описан в журнале Popular Science, № 126, 1935 год, объяснение которого было сделано в моем докладе в 1996 году. На рис. 208 показаны результаты взаимодействия двух грузов, которые «разбегаются» от центральной точки, теоретически, имея одинаковый импульс.

Рис. 208. Эксперимент по демонстрации асимметричного взаимодействия

В моем эксперименте, в начальной позиции пружина сжата, а грузики удерживаются вместе ниткой. После разрушения нитки (пережигания), они движутся в разные стороны, примерно с одинаковым импульсом. Особенности взаимодействия грузиков с опорой состоят в том, что справа, на рис. 208, грузик взаимодействует упруго, а слева, жестко, с деформацией. Таким образом, в правой части создаются лучшие условия для передачи импульса грузика опоре, чем в левой части устройства, где энергия импульса частично преобразуется в тепло. В результате ненулевого суммарного импульса, все устройство смещается в сторону упругого взаимодействия. Эксперимент легко повторим, с одинаковым результатом. Проводить его лучше на плавающей платформе, или полированном столе.

Напомню, что важность упругого взаимодействия для обеспечения передачи импульса рабочего тела корпусу ротора, мы уже отмечали неоднократно, в том числе, при рассмотрении схемы на рис. 2. Подробнее, технология САМ рассмотрена в моей книге «Новые космические технологии» 2012 год. В ней даны расчеты для конструирования авиационного транспорта грузоподъемностью 1 миллион тонн, причем, не требующего топлива.

Мы отвлеклись на рассмотрение данного эксперимента для того, чтобы лучше понять условия работы устройства, предложенного ранее и показанного на рис. 207. Коммерциализация данного изобретения сводится к поиску оптимальных материалов упругого и неупругого покрытия пластин. Это не так просто, учитывая массу и кинетическую энергию молекулы воздуха, то есть величину импульса. Однако, несомненным преимуществом данного метода является низкая себестоимость и широкое применение, в том числе, для аэрокосмического транспорта. Детали можно обсудить при рассмотрении технического проекта по данной теме, при моем участии в роли разработчика. Предлагается лицензия.

Один из методов механической конверсии тепловой энергии среды, предложил Б.М. Кондрашов ([email protected]), в статье «Струйные энергетические технологии», журнал «Новая Энергетика». Автор пишет о «параллельном присоединения» дополнительных масс воздуха к стационарной реактивной струе газотурбинного двигателя, что происходит без дополнительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора». Эти разработки относятся к технологиям «управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы», как пишут авторы данного изобретения.

Методы вовлечения атмосферного воздуха известны: пульсации активной струи создают периодическое разряжение среды (низкое давление) на входном патрубке эжекторной насадки. К данной области также относится открытие О.И. Кудрина: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». В своей статье, Кондрашов пишет: «Таким образом, за счет энергии атмосферы, преобразованной в процессе последовательного присоединения предыдущих периодов, осуществляется привод воздушного теплового насоса, при работе которого создаются условия для преобразования, в следующих периодах, низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчетной температуры.

В этом способе, отработавшая газовая масса холодная, и не содержит продуктов сгорания. Источники энергии – низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха и гравитация, создающая статическое атмосферное давление (также как в природном стохастическом процессе). Условия для преобразования энергии атмосферы создаются при расширении сжатого воздуха, сжимаемого за счет части мощности, полученной в предыдущих периодах. Поэтому устройства, осуществляющие этот способ с использованием открытых термодинамических циклов, называются «атмосферные бестопливные струйные двигатели». Работы Б.М.Кондрашова подробно можно изучить по его патентам, № 2188960 RU F 02 C 3/32, 5/12 «Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе», и международная заявка на патент PCT/RU2002/000338 F 2 C 3/32 «Способ преобразования энергии в струйных двигателях» PCT WO2004/008180A1.

Теоретические основы данных процессов, также развивают авторы работ по «ламинаризации» турбулентных потоков воздуха, газов и другой среды. Другими словами, кинетическая энергия среды в турбулентном потоке, не может быть нами использована полностью, пока мы не обеспечим хотя бы частичное выравнивание векторов движения частиц потока, то есть «ламинаризацию потока».

Солнечная станция — АльтЭнерго

Солнечные батареи (фотоэлектрический преобразователь) или ФЭП служат для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Солнечное излучение — один из наиболее перспективных источников энергии будущего. Преобразование солнечной энергии может осуществляться двумя основными способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, в электрическую).

Фотоэлектрические станции – это установки, принцип действия которых состоит в прямом преобразовании солнечного света в постоянный электрический ток. Энергия может использоваться как напрямую, так и запасаться в аккумуляторных батареях. Для получения переменного тока необходимо использовать преобразователи – инверторы.

Солнечные электростанции могут подключаться к электрическим сетям и передавать в них выработанную энергию, а также использоваться в качестве автономного или резервного источника питания.

Виды солнечных батарей

  1. Фотоэлектрические преобразователи. Полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Солнечные элементы). Несколько объединённых СЭ называются солнечной батареей.
  2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
  3. Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
  4. Органические батареи. Устройства преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.

ООО «АльтЭнерго» установило на х. Крапивенские Дворы Яковлевского района Белгородской области солнечный парк, состоящий из поликристаллических и аморфных солнечных панелей. Поликристаллические состоят из распиленного на пластины полупроводникового кремния. При попадании на их поверхность солнечного света в устройстве начинается движение электронов, вырабатывается постоянный электрический ток, который затем преобразуется в переменный.

В устройствах аморфного типа полупроводники в вакууме расщепляются на мельчайшие частицы, и воздействие света становится наиболее интенсивным, поэтому аморфные источники обладают высокой производительностью и могут работать при плохих погодных условиях и слабой освещённости.

Из электрической энергии в тепловую

Как вы думаете, что произойдет, если поместить электрический стержень в стакан с водой? Через некоторое время вода нагреется. Электрическая энергия преобразуется в тепловую. Но как? Через стержень проходит напряжение, и в его проводе генерируется ток. Электроны, сталкиваясь с атомами в проводе, передают энергию от движущихся электронов металлической решетке в проводе. Атомы этой металлической решетки колеблются из-за дополнительного увеличения этой энергии.И они вибрируют все больше и больше по мере того, как получают энергию и вырабатывается тепловая энергия.

Что такое преобразование электрической энергии в тепловую?

Как следует из названия, преобразование электрической энергии в тепловую — это не что иное, как преобразование одной формы энергии в другую.

Если устройство имеет вход в виде электрической энергии и выдает выход в виде тепла, то здесь происходит преобразование.

Пример 1: для преобразования электрической энергии в тепловую:

Преобразование энергии легко пояснить на простом примере.Вы даже можете попробовать это у себя дома. Просто возьмите электрическую лампочку и включите ее в розетку. Теперь включите свет на 5-10 мин. Теперь выключите свет и коснитесь электрической лампочки, вы почувствуете тепло в электрической лампочке. Это потому, что электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, а в электрической лампочке — энергию света.

Пример 2: для преобразования электрической энергии в тепловую:

Теперь возьмем змеевиковый нагреватель. Возьмите ведро с холодной водой, и вы даже можете проверить ее температуру с помощью термометра.Теперь включите розетку нагревателя змеевика на 10 мин. Теперь отключите розетку и проверьте температуру воды в ведре. На градуснике видно повышение температуры. Вопрос в том, как повышается температура ?? Это связано с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Как электрическая энергия преобразуется в тепловую

Электрический нагрев — это любой процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в тепло. Общие области применения включают отопление помещений, приготовление пищи, водонагревание и промышленные процессы.

Электронагреватель — это электрический прибор, преобразующий электрическую энергию в тепло. Нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя представляет собой просто электрический резистор и работает по принципу джоулева нагрева: электрический ток через резистор преобразует электрическую энергию в тепловую. В большинстве современных электронагревательных приборов в качестве активного элемента используется нихромовая проволока. Нагревательный элемент, изображенный на правом изез нихромовой проволоке поддерживается термостойким, огнеупорным, электрический изолирующим керамическими.

Некоторые примеры преобразования электрической энергии в тепловую:

  • Радиационные обогреватели
  • Конвекционные обогреватели
  • Тепловентиляторы
  • Система освещения
  • Тепловые насосы
  • Микроволновая печь

Что следует помнить
  • Преобразование энергии происходит, если энергия переходит из одной формы в другую
  • Если устройство имеет вход в виде электрической энергии и выдает выход в виде тепла, то здесь происходит преобразование.
  • Электрическая лампочка — один из примеров преобразования электрической энергии в тепловую.

Электроэнергия прочие виды

Термоэлектрический преобразователь

TEC-Chip


(инновационный термоэлектрический преобразователь (TEC) на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник-металл)

Почему так важно эффективное преобразование тепла в электрическую энергию?

Статистические данные показывают, что более 60% энергии, производимой при сжигании ископаемого топлива или на атомных электростанциях деления, теряется, в основном в виде отработанного тепла.Таким образом, высокоэффективные термоэлектрические (ТЭ) материалы, которые могут напрямую и обратимо преобразовывать тепло в электрическую энергию, в последние десятилетия привлекают все большее внимание правительств и исследовательских институтов. Во всем мире существует огромное количество тепловой энергии, которую нужно утилизировать! Не говоря уже о чистом тепле, которое Земля получает от солнца каждый день.
Термоэлектрические системы — это экологически чистая технология преобразования энергии, имеющая преимущества небольшого размера, адаптируемой формы, высокой надежности, отсутствия загрязняющих веществ и возможности работы в широком диапазоне температур.Единственным большим слабым местом доступных в настоящее время технологий ТЕС является эффективность, которая недостаточно высока, чтобы соперничать со средними показателями цикла Карно. Эффективный КПД лучших ТЭГ (ТЭ-генераторов) на основе эффекта Зеебека, имеющихся в настоящее время, фактически не превышает 5-6%.
Более того, еще и цена за ватт все еще слишком высока. На данный момент эффективность термоэлектрического преобразования невысока из-за низкой производительности термоэлектрических материалов.
Экологические преимущества для планеты и потенциальный рынок новой технологии ТЕС, предлагающей высокую эффективность по доступной цене, просто впечатляют.

Какое решение предлагает Прометеон?

Прометеон разрабатывает инновационную технологию ТЭО совместно с российским ученым, который работает над ней более пятнадцати лет в Южном федеральном университете Ростова (RU).
Это бесспорный научный факт, теоретизированный два столетия назад известными физиками, такими как Максвелл, Больцман, Клаузиус и другими, что на молекулярном уровне доступно большое количество кинетической энергии, связанной с абсолютной температурой (кинетическая теория вещества).Однако на технологическом уровне еще не было найдено способа согласовать эту энергию, чтобы ее можно было эффективно преобразовать в электрическую для практического использования, несмотря на то, что многие эксперименты уже продемонстрировали, что это возможно.

TEC-Chip — это микроэлемент, непрерывно преобразующий тепловую (кинетическую) в электрическую энергию, которая обеспечивает полезный выход энергии; Tec-CHIP буквально использует существующую внутреннюю молекулярную энергию и преобразует ее в непрерывную, безуглеродную, чистую электрическую энергию.

Эти элементы / «микросхемы», которые будут производиться методами, аналогичными производству полупроводников. Каждый TEC-Chip обеспечивает полезную мощность через небольшие корпуса размером 100 мкм * 100 мкм каждый. Массивы TEC-чипов смогут преобразовывать доступное тепло и обеспечивать электроэнергией сеть или напрямую почти любое вообразимое устройство: портативные устройства, холодильники, гибридные и электрические транспортные средства, системы кондиционирования воздуха, компьютеры, бытовые приборы,… источник энергии от непрерывного молекулярного движения, исключительный аспект этих клеток заключается в непрерывном обеспечении энергией путем преобразования тепловой энергии в электричество из любого окружающего источника.Полученные в результате продукты позволят обеспечить постоянное охлаждение или доступ к электроэнергии в любом месте по доступной цене. Технология TEC-Chip основана на надежных научных принципах и стала возможной с появлением микроэлектроники и нанотехнологий. 3

Теоретически мы ожидаем получить источники питания мощностью в несколько ватт, размеры которых не превышают размер батареи мобильного телефона.Это открывает путь к огромному количеству применений элемента TEC-Chip, от источников питания для портативных датчиков или небольших электронных устройств до более крупных и мощных источников энергии, подходящих для питания гибридных транспортных средств, домов (TEG могут быть размещены под поверхность крыш или контактирующая с котлами…), дата-центры, промышленные и коммерческие здания,…

Электрогенераторы

на основе TEC-Chip также могут применяться для рекуперации отработанного тепла промышленных процессов, двигателей, работающих на ископаемом топливе, атомных электростанций, а также для производства электроэнергии с использованием любых типов теплогенераторов.Более того, любая поверхность, подверженная воздействию солнечного света, может стать источником полезного электричества (крыши, фотоэлектрические поля, тротуары улиц, стены зданий и т. Д.).

Следующие шаги

Следующие шаги (Начальная форма TRL 3, уже достигнута).
1. Изготовление нескольких различных прототипов базовой ячейки TEC-Chip и проверка их работоспособности (TRL 4). Детальное проектирование ТЕС-ячеек уже завершено. №
2. Улучшение термоэлектрических характеристик микроструктур базовой ячейки и разработка лабораторных прототипов как охлаждающих элементов, так и термоэлектрических генераторов (TRL 5).
3. Развитие базовой ячейки TEC-Chip до оптимальных характеристик для различных целевых сред. Создание нескольких рабочих прототипов ТЭГ различных термоэлектрических генераторов, подходящих для целевых областей применения (TRL 6 и 7): преобразование / рекуперация тепла от бытовых котлов, выхлопных газов транспортных средств, отходящего тепла от электростанций и промышленных объектов, тепла, производимого человеческое тело, тепло от любой поверхности, подверженной воздействию солнца, тепло от существующих фотоэлектрических полей,…

Рисунок: TRL, определенные Комиссией ЕС.

После демонстрации действующего прототипа в докоммерческом масштабе (TRL 7) можно будет продавать права на технологию подходящим промышленным предприятиям по всему миру и совместно разрабатывать доиндустриальные прототипы (в TRL 8-9 ) обоих:
a) ячеек TEC-Chip;
b) различные виды термоэлектрических генераторов и охлаждающих устройств (например, системы кондиционирования воздуха), основанные на технологии TEC-Chip.

Эта футболка использует тепло вашего тела для выработки электричества.

Что, если во время утренней пробежки по парку вырабатывается электричество, которое затем заряжает батареи или даже заряжает ваш телефон? Возможно, вы носите подходящую футболку.

Исследователи из Университета Малаги в Испании и Итальянского технологического института разработали футболку, которая вырабатывает электричество за счет разницы температур между телом пользователя и окружающей средой. Это означает, что тепло тела, исходящее от вас, когда вы бегаете, ходите или занимаетесь спортом, — и разница между этим теплом и более холодной температурой окружающего воздуха — может быть преобразовано в тепловую энергию.

В нашей жизни есть множество примеров использования тепловой энергии — солнце согревает нашу атмосферу, горелка печи нагревает кастрюлю с водой до кипения.Но есть также много примеров потраченного впустую тепла или «отходящего тепла», которое представляет собой все неиспользованное тепло, выбрасываемое в окружающую среду машинами, электрическими процессами или даже деятельностью человека, которое может быть использовано в качестве тепловой энергии.

Вы можете использовать это тепло, используя так называемый термоэлектрический эффект, который позволяет преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение. Если два проводника соединены и одна сторона нагрета, электроны начинают перемещаться к более холодной стороне, создавая ток, который течет по цепи.Некоторые материалы действуют как проводники, которые могут преобразовывать эту разницу температур в источник энергии. По словам исследователей, эта футболка улавливает тепло, исходящее от нашего тела, которое в отличие от прохладного воздуха производит электричество.

Как правило, термоэлектрические материалы регенерируют отходящее тепло от таких вещей, как автомобили или промышленные процессы, и наиболее распространенные материалы, которые преобразуют эту тепловую энергию в электрический ток, часто являются дефицитными и не очень экологически чистыми (например, теллур, который встречается так же редко, как золото и платина).Они также дорогие, жесткие и токсичные, — объяснил по электронной почте Хосе Алехандро Эредиа, член факультета молекулярной биологии и биохимии Университета Малаги и один из авторов этого проекта. носимое приложение.

[Фото: любезно предоставлено Университетом Малаги]

Эредиа и другие исследователи хотели разработать «гибкие, биоразлагаемые и пригодные для носки материалы для [термоэлектрических] приложений, которые могут генерировать электричество просто за счет разницы температур между телом и окружающей средой», и поэтому они стремились заменить эти обычные жесткие и дорогие материалы недорогими альтернативами, такими как широко доступные углеродные наночастицы (например, графен и углеродные нановолокна), которые работают как термоэлектрические генераторы.

Проблема, однако, заключалась в том, чтобы прикрепить эти материалы к хлопковой футболке, и для решения этой проблемы исследователи создали раствор из кожуры помидоров, который мог проникать в хлопок и придавать эти электрические свойства ткани посредством биоразлагаемых веществ. Почему кожура помидора? «Это каким-то образом был клей на биологической основе», — говорит Эредиа. И есть еще один экологический бонус от использования кожуры помидоров. «Интересно, что эта кожица является недорогим побочным продуктом переработки томатов. В этом смысле, с точки зрения экономики замкнутого цикла, мы даем этому остатку вторую жизнь.

Конечным результатом является жидкий раствор, состоящий из кожуры помидора и углеродных наночастиц, который можно распылить на обычную футболку, создав «электронный текстиль». Heredia говорит, что они проверили устойчивость этих материалов к циклам стирки одежды и дали многообещающие результаты. «Тем не менее, — добавляет он, — мы уже работаем над улучшенной версией, которая будет полностью пригодна для стирки и глажки».

Для этого прототипа электронного текстиля исследователи использовали углеродную проводящую ленту для соединения футболки с внешними проводами, чтобы показать, что она может вырабатывать электричество — рубашка могла включать светодиодный свет — но в настоящее время нет возможности для этого. ткань для хранения этой энергии.Heredia надеется развить это в будущем.

«Для начала, мы думаем, что эта ткань может быть использована в нишевых приложениях, например, для сбора энергии в экстремальных ситуациях (космические и военные миссии), но потенциально, при небольшом дальнейшем развитии, она также может быть применена в индустрии моды. , — говорит Эредиа. Существует также возможность интегрировать дополнительные функции непосредственно в ткань, такие как освещение, датчики и Wi-Fi (в предыдущем исследовании они создали антенну Wi-Fi из кожи помидоров и графена).

Исследователи работают над способами зарядки сотового телефона без зарядного устройства или создания света, чтобы футболка стала светоотражающей. Эта технология также может вписаться в мир носимых устройств, питающих медицинские датчики, наручные часы и слуховые аппараты. Термоэлектрические ткани можно также использовать в качестве мгновенных охладителей тела при добавлении в спортивную одежду, офисные стулья или даже автомобильные сиденья. В конце концов, шутят исследователи, это может позволить нам надеть костюмы, подобные Железному Человеку, оснащенные датчиками, технологическими устройствами и способностью летать.

Наша одежда уже адаптируется к будущему и становится более мощной. Ученые уже ввели в одежду пьезоэлектричество, которое использует движение для выработки энергии. Эту футболку, генерирующую электричество, пока нельзя купить, но когда-нибудь, как надеются исследователи, у нас появится доступ к электронному текстилю, оснащенному всеми видами электронных устройств, что превратит нас в технологических супергероев, работающих за счет тепла нашего собственного тела.

Термогальванический процесс преобразует низкотемпературные отходы тепла в электроэнергию

Огромное количество избыточного тепла генерируется промышленными процессами и электростанциями; исследователи по всему миру потратили десятилетия на поиск способов использовать часть этой потраченной впустую энергии.Большинство таких усилий было сосредоточено на термоэлектрических устройствах, твердотельных материалах, которые могут производить электричество за счет температурного градиента, но эффективность таких устройств ограничена доступностью материалов.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета нашли новую альтернативу низкотемпературному преобразованию отработанного тепла в электричество, то есть в случаях, когда разница температур составляет менее 100 градусов Цельсия.

Новый подход, основанный на явлении, называемом термогальваническим эффектом, описан в статье, опубликованной в журнале Nature Communications постдоком Юань Янгом и профессором Ганг Ченом из Массачусетского технологического института, постдоком Сеок У Ли и профессором И Цуй из Стэнфорда, а также тремя другими .

Поскольку напряжение аккумуляторных батарей зависит от температуры, новая система объединяет циклы зарядки-разрядки этих аккумуляторов с нагревом и охлаждением, так что напряжение разряда выше, чем напряжение заряда. Система может эффективно справляться даже с относительно небольшими перепадами температур, такими как разница в 50 ° C

Сначала незаряженная батарея нагревается отходящим теплом. Затем, при более высокой температуре, аккумулятор заряжается; после полной зарядки ему дают остыть.Поскольку напряжение зарядки ниже при высоких температурах, чем при низких температурах, после охлаждения аккумулятор может вырабатывать больше электричества, чем было использовано для его зарядки. Эта дополнительная энергия, конечно, не появляется ниоткуда: она исходит от тепла, которое было добавлено в систему.

Система нацелена на сбор тепла ниже 100 C, что составляет значительную часть потенциально собираемого отработанного тепла. В демонстрации с отходящим теплом 60 ° C новая система имеет расчетную эффективность 5.7 процентов.

Основная концепция этого подхода была первоначально предложена в 1950-х годах, говорит Чен, но «ключевым достижением является использование материала, которого не было в то время» для электродов батареи, а также достижения в разработке системы.

Эта ранняя работа была основана на температурах 500 C и более, добавляет Ян; большинство современных систем рекуперации тепла лучше всего работают при более высоких перепадах температур.

Хотя новая система имеет значительное преимущество в эффективности преобразования энергии, на данный момент она имеет гораздо более низкую удельную мощность — количество мощности, которое может быть выдано при заданном весе — по сравнению с термоэлектриками.По словам Чена, для обеспечения надежности в течение длительного периода использования и повышения скорости зарядки и разрядки аккумулятора также потребуются дальнейшие исследования. «Чтобы сделать следующий шаг, потребуется много работы», — предупреждает он.

Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга и глава отдела машиностроения Массачусетского технологического института, говорит, что в настоящее время не существует хорошей технологии, которая могла бы эффективно использовать относительно низкую разницу температур, которую может использовать эта система.«У этого есть эффективность, которую мы считаем весьма привлекательной», — говорит он. «Существует так много низкотемпературного отходящего тепла, если можно будет создать и развернуть технологию для его использования».

Цуй говорит: «Практически все электростанции и производственные процессы, такие как выплавка и рафинирование стали, выделяют огромное количество низкопотенциального тепла до температуры окружающей среды. Наша новая аккумуляторная технология предназначена для использования этого температурного градиента в промышленных масштабах ».

Ли добавляет: «Эта технология имеет дополнительное преимущество, заключающееся в использовании недорогих, богатых материалов и производственного процесса, которые уже широко используются в аккумуляторной промышленности.”

Пейдонг Ян, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, который не участвовал в этой работе, говорит: «Изучая термогальванический эффект, [исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфорда] смогли преобразовать низкопотенциальное тепло в электричество с помощью приличный КПД. Это очень перспективная технология. … Это умная идея, а низкопотенциальные отходы тепла есть повсюду ».

Ян из

MIT подчеркивает этот момент: «Одна треть всей энергии, потребляемой в Соединенных Штатах, приходится на низкопотенциальное тепло.”

Работа Массачусетского технологического института была частично профинансирована Министерством энергетики США, частично через Центр преобразования твердотельной солнечно-тепловой энергии и ВВС США. Работа в Стэнфорде частично финансировалась Министерством энергетики, Национальной ускорительной лабораторией SLAC и Национальным исследовательским фондом Кореи.

Преобразование энергии — Банк знаний

Диаграмма, показывающая, как разные формы энергии могут быть преобразованы в другую форму энергии.

Преобразование энергии: передача и преобразование

Передача энергии — это перемещение энергии из одного места в другое . Например, когда электричество проходит от сетевой розетки через зарядное устройство к батарее.

Преобразование энергии — это когда энергия переходит из одной формы в другую. — как в плотине гидроэлектростанции, которая преобразует кинетическую энергию воды в электрическую.

Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общее количество энергии не изменяется — это называется сохранением энергии .

Электрическая энергия передается из настенной розетки по кабелю и накапливается в батарее телефона до тех пор, пока не будет использована.

Что такое передача энергии?

Передача энергии относится к перемещению энергии из одного места в другое.Подумайте об электричестве, которое течет из сетевой розетки, затем проходит через зарядное устройство и попадает в аккумулятор. Энергия передается от розетки к батарее.

Что такое преобразование энергии?

Один вид энергии может превращаться в другой вид энергии. Преобразование энергии означает изменение энергии от одного типа к другому, например от кинетической энергии к электрической энергии или от потенциальной энергии к кинетической энергии.

Какие примеры преобразования энергии?

Вот несколько способов, которыми энергия может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой:

Солнце преобразует ядерную энергию в тепловую и световую энергию

Наши тела преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию, необходимую нам для движения

Электрический вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую

Lightning преобразует электрическую энергию в световую, тепловую и звуковую

Что такое энергосбережение?

Есть много разных типов энергии, включая кинетическую, потенциальную, гравитационную и электрическую.

Энергия может передаваться (перемещаться из одного места в другое), и она может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой, но общее количество энергии всегда сохраняется, то есть остается неизменным.

Солнце, источник солнечной энергии, передает тепловую (тепловую) и световую энергию людям, животным и растениям.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое.

Преобразование энергии — это преобразование энергии от одного вида энергии к другому.

Энергосбережение означает, что общее количество энергии всегда остается неизменным.

Энергия никогда не может быть создана или уничтожена — она ​​может только переходить из одной формы в другую.

Когда топливо сгорает, горячий газ вырывается из ракеты из-за большого тепла и давления, создаваемых выделением химической энергии при горении.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое. Преобразование энергии — это переход энергии от одного типа к другому. Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общая энергия всегда остается неизменной.

границ | Термоэлектронное преобразование энергии в XXI веке: достижения и возможности для космических и наземных приложений

Введение

Прямое преобразование тепла в электричество без каких-либо промежуточных этапов или движущихся частей остается одним из самых многообещающих, но сложных методов производства энергии. Обещание высокой эффективности преобразования, простоты устройства и надежной работы продолжает подталкивать исследования и разработку технологий на передний край.Кроме того, из-за большого разнообразия возможных источников тепла, начиная от сжигания ископаемого или других видов топлива, ядерных реакторов, солнечного тепла или даже отработанного тепла человеческого тела, преобразователи тепловой энергии в электрическую применяются очень широко, охватывая много порядков возможных диапазонов температуры и мощности.

Термоэлектронное преобразование энергии (TEC) для прямого преобразования тепла в электрическую энергию происходит, когда электроны термически излучаются с горячей поверхности, проходят через зазор и собираются другой поверхностью.Этот процесс, начинающийся с термоэлектронной эмиссии, производит ток электронов, который впоследствии может приводить в действие электрическую нагрузку для выполнения работы. Особенно хорошо подходит для высокотемпературных применений, поскольку он был впервые предложен Шлихтером (1915), термоэлектронная эмиссия использовалась как метод выработки энергии более века (Hatsopoulos и Gyftopoulos, 1973, 1979), но редко применялась в либо космические, либо наземные приложения. Однако недавние достижения в области материаловедения и нанотехнологий, а также наше развивающееся понимание лежащих в основе физических процессов открывают новые возможности для разработки практических термоэлектронных преобразователей, оживляя эту область.

Термоэлектронное преобразование энергии имеет долгую и легендарную историю, особенно в космических программах США и бывшего Советского Союза. Однако, несмотря на то, что эта область была динамичной и в течение 1960-1980-х годов был достигнут значительный прогресс, включая демонстрации космических полетов, TEC в значительной степени был вытеснен альтернативными технологиями преобразования энергии, в частности термоэлектрическими и фотовольтаическими, как в общественном сознании, так и в сознании исследовательского сообщества. Значительная часть исследований в области термоэлектроники прекратилась после доклада Национального исследовательского совета 2001 года под названием Thermionics Quo Vadis? Оценка программы перспективных исследований и разработок в области термоэлектроники DTRA (Национальный исследовательский совет, 2001 г.) дала довольно негативный взгляд на жизнеспособность TEC.Однако с тех пор исследовательское сообщество TEC отреагировало на это открытием и изобретением новых и новаторских подходов к устройствам, материалам и эксплуатационным стратегиям, которые подчеркивают потенциал TEC для достижения высокой эффективности преобразования и производительности, предсказываемых теорией.

Поскольку потребности как в космической, так и в наземной энергии продолжают расти, разработка новых технологий для производства электроэнергии не только актуальна, но и необходима. Для космических приложений, новых миссий, в том числе на Марс, и новых технологий, таких как миниатюрные спутники (например.g., CubeSats), потребуются источники питания, обеспечивающие высокую мощность надежным и устойчивым образом в течение длительных периодов времени. С наземной точки зрения существует постоянная потребность в поиске альтернативных источников энергии, а также в повышении эффективности существующих источников энергии, работающих на ископаемом топливе, особенно с учетом растущей обеспокоенности по поводу воздействия на окружающую среду и климат традиционных угольных и мазутных электростанций. экологические и экономические проблемы, с которыми сталкивается добыча ископаемого топлива, и сохраняющаяся проблема истощения ископаемого топлива.

В октябре 2014 года семинар по термоэлектронному преобразованию энергии для космоса и Земли был проведен в Хьюстоне, штат Техас (США), чтобы собрать вместе исследователей, лидеров мнений и заинтересованных сторон для обсуждения текущего состояния TEC, возможностей и потребностей. для будущих исследований и разработок для решения проблем. Возможно, что еще более важно, семинар служил для централизации и сбора сообщества TEC, а также для того, чтобы собрать несколько независимых и изолированных исследователей за общий стол для обсуждения и продвижения этой важной энергетической технологии.Эта перспективная статья является результатом семинара и последующих дискуссий между участниками. Цель этой статьи — не только обсудить последние достижения, но и предложить некоторые взгляды на эту область с точки зрения возможностей и проблем, исходя из коллективной мудрости участников семинара. Мы действительно отмечаем, что цель статьи не состоит в том, чтобы предоставить подробный обзор недавних исследований, и для этого мы указываем читателю на другие недавние обзорные статьи (Khoshaman et al., 2014; Маккарти и др., 2014; Халид и др., 2016; Trucchi, Melosh, 2017).

Эта перспективная статья состоит из следующих разделов. «Предпосылки и основы» дает справочную информацию о термоэлектронной эмиссии и TEC, в том числе устанавливает основы TEC и терминологию, которая будет использоваться в этой статье, а также возможности для реализации TEC. «Проблемы и недавние достижения» описывают последние достижения в исследованиях ТЭО с упором на основные компоненты устройства ТЕС — эмиттер, межэлектродный зазор и коллектор.В разделе «Продвигаясь вперед» обсуждаются будущие потребности в исследованиях, в первую очередь с акцентом на необходимость разработки набора руководящих принципов для тестирования и оценки устройств ТЕС. В заключение мы приводим «Резюме и заключительные мысли», в котором предлагаются некоторые точки зрения и предложения по дальнейшему развитию.

Предпосылки и основы

Фундаментальная физика ТЕС

Основная концепция TEC представлена ​​на Рисунке 1A. По мере того как к эмиттеру (катоду) добавляется тепло и температура эмиттера повышается, электроны обладают достаточной энергией, чтобы покинуть твердое тело и свободно перемещаться в вакууме, процесс подобен испарению или выкипанию электронов.Эти электроны затем перемещаются через межэлектродный зазор к коллектору (аноду), и завершение цепи с нагрузкой производит электрическую энергию. На рисунке 1B показан процесс термоэлектронной эмиссии с точки зрения уровней энергии электронов. Для испускания электроны в эмиттере должны быть возбуждены, чтобы они находились выше вакуумного потенциального барьера эмиттера, где разность между вакуумным потенциалом и энергией Ферми называется работой выхода (ϕ). Если эффекты столкновения или пространственного заряда не ограничивают перенос электронов через межэлектродный зазор, электроны проходят через зазор и попадают в коллектор, где идеальное выходное напряжение ( В, , из ) приблизительно равно контактной разности потенциалов.

Рисунок 1 . (A) Схема процесса термоэлектронного преобразования энергии (TEC). (B) Электродвижущая диаграмма, показывающая уровни энергии электронов во время TEC.

Термоэлектронная эмиссия описывается уравнением Ричардсона-Душмана (Richardson, 1921), которое связывает плотность термоэлектронного тока ( j ) с температурой эмиттера ( T e ) следующим образом:

j = AA0Te2exp (−ϕkBTe) (А / см2), (1)

, где A 0 = 120 А / см 2 K 2 — постоянная Ричардсона, а k B — постоянная Больцмана.Параметр A — это поправочный коэффициент к постоянной Ричардсона для конкретного материала эмиттера. Если между эмиттером и коллектором приложено электрическое поле ( E ), потенциальный барьер понижается. Результирующий ток эмиссии описывается уравнением Шоттки (Schottky, 1914):

jS = j exp ((Eq3 / 4πε0) 1 / 2kBTe) [Acm2], (2)

, где q — заряд электрона, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства.

Из электродвижущей диаграммы на Рисунке 1B мы видим, что максимальное напряжение (при максимальной мощности), которое может быть достигнуто, по сути, является разницей между работой выхода эмиттера и коллектора,

Учитывая, что удельная мощность P равна

P = jVout = j (ϕe − ϕc) / e, (4)

КПД (η) — это плотность мощности, производимая термоэлектронным преобразователем, деленная на чистый тепловой поток, подаваемый на эмиттер (qe ″), который включает тепловые потери из-за эмиссии электронов, проводимости по выводам и другим путям, а также теплообмен. (преимущественно излучение) от горячего эмиттера до коллектора,

η = jVoutqe ″ = jqe ″ (ϕe − ϕce).(5)

Из этих уравнений становится ясно, что существует ряд факторов, которые напрямую влияют на количество энергии, производимой термоэмиссионным преобразователем, а также на его эффективность, которые часто находятся в прямой конкуренции друг с другом. Из уравнения. 1 (и рисунок 1B), мы видим, что плотность тока увеличивается, когда работа выхода эмиттера мала. Однако для генерации высокой мощности необходимы большие различия в работе выхода между эмиттером и коллектором, и, таким образом, работа выхода коллектора должна быть даже меньше, чем у эмиттера, что представляет собой серьезную материальную проблему.Практически работа выхода коллектора должна составлять ~ 0,5 эВ, что чрезвычайно мало по сравнению с работой выхода большинства природных материалов. Кроме того, чтобы генерировать ток, достаточный для обычных материалов эмиттера, температура эмиттера должна быть очень высокой и обычно намного выше 1500 К. Однако это приводит к большим тепловым потерям из-за излучения и проводимости, что снижает эффективность термоэлектронной аппаратуры. конвертер. Есть также дополнительные фундаментальные проблемы в TEC, которые не появляются непосредственно в этих уравнениях, и главная из них — эффект пространственного заряда.При достаточно высокой плотности тока электроны накапливаются в межузельном зазоре между электродами и создают барьер пространственного заряда, который ограничивает ток до значения, описанного законом Чайлда-Ленгмюра (Child, 1911; Langmuir, 1913), в отличие от уравнение Ричардсона – Душмана. Следовательно, управление переносом электронов через межэлектродный зазор также является важным аспектом конструкции ТЭО.

История ТЕС

Первое устройство термоэлектронного преобразования было предложено Шлихтером в 1915 году (Schlichter, 1915), но первые демонстрации практических уровней выработки электроэнергии не проводились до 1950-х годов, когда и США, и бывший Советский Союз (СССР) как западноевропейские страны, всерьез начали изучать TEC для применения в космосе (Rasor, 1991).Ранние разработки в Соединенных Штатах были нацелены на солнечную энергию и радиоизотопы в качестве источников тепла, а в рамках программы Jet Propulsion Laboratory Solar Energy Technology были разработаны термоэлектронные преобразователи, которые работали при ~ 1900 K и ~ 150 Вт с КПД 7-11% в течение ~ 11000 часов. Однако современное состояние в то время оказалось неконкурентоспособным с появляющимися стратегиями преобразования фотоэлектрической и термоэлектрической энергии, и программа была прекращена в 1970-х годах. В 1960-х годах акцент сместился на ядерные источники тепла и разработку внутризонных и внеполярных термоэмиссионных преобразователей с цезиевой (Cs) плазмой, которые часто вводились для преодоления ограничений пространственного заряда.В то время как Соединенные Штаты добились значительного прогресса в улучшении характеристик термоэмиссионного ядерного топливного элемента (TFE), что привело к созданию реактора Mark III, который работал при 1900 K в течение почти 12500 часов, программа разработки термоэмиссионного реактора была в конечном итоге отменена в 1973 году. перешла на использование тепловых источников на земном ископаемом топливе, но с умеренным успехом и без каких-либо серьезных изменений. Интерес к TFE возобновился в 1980-х годах благодаря программе SP-100, совместным усилиям НАСА, Министерства энергетики и Министерства обороны.Программа проверки термоэмиссионных тепловыделяющих элементов произвела ряд анализов, которые показали, что срок службы может составлять от 3 до 7 лет, но не было продемонстрировано никаких крупных реакторов. СССР в первую очередь сосредоточился на разработке полномасштабных термоэмиссионных реакторов и в 1970 году разработал реактор TOPAZ мощностью 5 кВт (русское сокращение от термоэмиссионного эксперимента с конверсией в активной зоне) (Benke, 1994; Грязнов, 2000), с модификацией 6 кВт, работающей на спутник военно-морской разведки в 1987 году был одним из двух единиц, которые в конечном итоге были взяты в воздух.За это время их более целенаправленные исследовательские усилия также привели к значительным достижениям в области материалов и конструкции преобразователей, опередив многие достижения Соединенных Штатов (Национальный исследовательский совет, 2001).

Жизнеспособность TEC

Несмотря на вышеупомянутые проблемы с объемным зарядом и материалами (работой выхода), а также сокращение объема исследований, TEC по-прежнему остается привлекательным подходом к производству электроэнергии. Как и другие подходы к прямому преобразованию энергии, он не требует движущихся частей и, таким образом, имеет потенциал для длительного срока службы с минимальным обслуживанием или без него.Кроме того, он может генерировать высокую мощность, но обычно требует небольших объемов и легкого веса, поэтому его высокая удельная мощность делает его особенно привлекательным для космических приложений.

Термоэлектронные преобразователи энергии — это самые простые и понятные преобразователи тепла в электроэнергию, что является основной причиной того, что процесс преобразования протекает довольно близко к термодинамическому равновесию (Fitzpatrick et al., 1997). Производство энтропии остается небольшим, потому что избегаются ненужные процессы, которые увеличивают производство энтропии.Как и у всех тепловых двигателей, эффективность преобразования энергии абсолютно ограничена КПД Карно, но есть несколько других неотъемлемых ограничений для эффективного производства энергии, при этом преобладающими потерями являются тепловые потери. Таким образом, по крайней мере в идеале, термоэлектронный преобразователь может приблизиться к КПД Карно. Кроме того, учитывая, что термоэлектронная эмиссия при высоких температурах совместима, эта эффективность может быть относительно высокой. Например, «стандартный» преобразователь может работать с эмиттером 1800 К и коллектором 1000 К, что дает КПД Карно 44%.По сравнению с другими технологиями, такими как термоэлектрические преобразователи, возможность работы при высоких температурах особенно привлекательна для генерации большой мощности. В конечном счете, несмотря на то, что существуют практические проблемы при реализации эффективных и действенных термоэлектронных преобразователей, они не ограничиваются никакими физическими или химическими средствами. То есть нет никакой физической / химической причины, по которой термоэлектронный преобразователь не может работать с КПД Карно при генерации большой мощности. Следовательно, необходимо продолжать развивать технологии TEC.

Термоэлектронные преобразователи энергии привлекательны тем, что их можно комбинировать с другими технологиями для извлечения неиспользованной тепловой энергии, и это интересный путь вперед. Эти стратегии сбора отработанного тепла можно разделить на три категории: когенерация, циклы доливки и устройства для замены. Когенерация использует существующий неиспользованный источник тепла, такой как отработанное тепло из камеры сгорания, используемой в промышленных условиях, для выработки электроэнергии без значительного воздействия на процесс.Фитцпатрик и др. (1997) рекомендуют процесс когенерации, в котором коллектор охлаждается газами, поступающими в камеру сгорания, одновременно нагревая ее, а после сгорания отработанный газ проходит над эмиттером, создавая разницу температур. Термоэлектронные преобразователи также могут использоваться в циклах долива, помещая преобразователь между высокотемпературным источником и системой, используемой для выработки энергии, требующей более низкой входной температуры (нижний цикл), с примерами возможных нижних циклов, включая циклы Ренкина паровой турбины на электростанциях. и циклы Стерлинга для солнечной энергии (Fitzpatrick et al., 1997). С развитием термоэлектронной эмиссии, усиленной фотонами, или ПЭТЭ (Schwede et al., 2010), как обсуждалось в разделе «Эмиссия», объединение систем солнечных концентраторов с усиленными фотонами термоэлектронных преобразователей в качестве цикла дозаправки дает возможность производить высокоэффективные системы ( Voesch et al., 2017). Однако, если сложность, стоимость или вес не позволяют использовать несколько систем, то термоэлектронные преобразователи энергии могут непосредственно использоваться для преобразования солнечной тепловой энергии в электрическую благодаря их более высокому возможному КПД.Например, экспериментальная лаборатория High-Power Advanced Low Mass, созданная Исследовательской лабораторией ВВС США, изучала возможность замены фотоэлектрических преобразователей на концентрированные солнечные термоэлектронные преобразователи (Adams, 2006). Эти различные варианты использования подчеркивают возможные преимущества включения термоэлектронных преобразователей энергии в экосистему производства электроэнергии, сокращения потерь энергии и повышения эффективности систем генерации.

Проблемы и последние достижения

Как отмечалось в разделе «Предпосылки и основы», есть две основные проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются все термоэлектронные преобразователи энергии.Во-первых, как показано в формуле. 3, выходное напряжение, а вместе с ним и выходная мощность термоэмиссионного преобразователя масштабируются в зависимости от разницы между работой выхода эмиттера и коллектора. Поскольку работа выхода эмиттера должна быть достаточно мала, чтобы обеспечить большой ток эмиссии при рабочей температуре, для этого требуется, чтобы работа выхода коллектора была еще ниже и как можно меньше, что расширяет пределы материалов. Во-вторых, объемный заряд, который по своей сути ограничивает ток эмиттер-коллектор, представляет собой реальную проблему, которую необходимо решить любому устройству TEC для достижения практической выходной мощности.Дополнительные проблемы существуют для конкретных приложений, таких как способность эффективно нагревать катод с помощью солнечного света в солнечной термоэлектронике. Чтобы решить эти проблемы, необходимо усовершенствовать технологию всех компонентов термоэмиссионного теплового двигателя: эмиттера, архитектуры межэлектродного зазора и коллектора. В этом разделе мы обсуждаем проблемы и достижения для каждого из этих компонентов, обрисовывая в общих чертах некоторые из основных требований к дизайну для успешности, исторические и недавние разработки в отношении этих требований, а также будущие потребности.

Эмиссия

Требования

Эмиттер является источником электронов в системе ТЕС, и, как показано в формуле. 1, термоэлектронная эмиссия подчиняется соотношению Ричардсона – Душмана. Работа выхода, ϕ, и постоянная Ричардсона (или эмиссия), A , являются параметрами, связанными с материалами, которые определяют плотность тока эмиссии электронов. Работа выхода обычно описывается как энергетический барьер между уровнем Ферми металла и уровнем вакуума для покоящегося электрона, который нужно отделить от поверхности.Для металлов работа выхода хорошо определена и достаточно хорошо известна, а измерения с помощью фотоэмиссии или фотоэлектрического эффекта обычно хорошо согласуются со значением, полученным из анализа плотности тока термоэлектронной эмиссии Ричардсона-Душмана (Фоменко, 1966). Полупроводниковые материалы также недавно стали рассматриваться в качестве термоэлектронных эмиттеров с низкой работой выхода. Для полупроводников уровень Ферми может контролироваться легирующими примесями. Более того, искривление зон из-за поверхностных состояний может существенно повлиять на положение уровня Ферми на поверхности.Следовательно, работа выхода для конкретного полупроводника не имеет единственного значения, а имеет диапазон значений, который зависит от легирования, поверхностных состояний и температуры. Однако сродство к электрону, которое связывает положение уровня вакуума с минимумом зоны проводимости, обычно не зависит от легирования и изгиба зон и может использоваться для описания поверхностного барьера для электронной эмиссии (Schwede et al., 2010).

В то время как подходящее поверхностное окончание снижает работу выхода металлических поверхностей (Jenkins, 1969), для полупроводника подходящее поверхностное окончание снижает сродство к электрону или положение уровня вакуума относительно минимума зоны проводимости (Jenkins, 1969).В некоторых случаях уровень вакуума может быть расположен ниже минимума зоны проводимости, что приводит к отрицательному сродству к электрону (NEA). Для полупроводника с NEA предполагается, что электронная эмиссия возникает из минимума зоны проводимости, а барьер Ричардсона-Душмана будет находиться между уровнем Ферми и минимумом зоны проводимости, хотя могут иметь место и другие процессы эмиссии. Наличие NEA на эмиттере или коллекторе приводит к снижению барьера пространственного заряда.Этот эффект понятен, поскольку электроны, испускаемые из зоны проводимости полупроводника, будут иметь кинетическую энергию, равную или превышающую значение NEA, что позволяет им преодолевать эквивалентный энергетический барьер.

Помимо требований к работе выхода, необходимо учитывать дополнительные аспекты. К ним относятся прочность и стабильность материала и / или поверхностной заделки при высоких температурах, высокая токовая нагрузка и возможность высокого напряжения, а также тепловые свойства материала.Например, тепловое излучение — это процесс потерь в TEC, который снижает общую эффективность, и, таким образом, подготовка поверхности с низким коэффициентом излучения может повысить эффективность системы. Мы суммируем эти различные требования в таблице 1, в которой основное внимание уделяется только эмиттеру. Обратите внимание, что они также могут влиять на другие аспекты устройства ТЕС, такие как излучатель с низкой работой выхода, неявно накладывающий требования на работу выхода коллектора.

Таблица 1 . Требования и преимущества излучателя, а также требования, связанные с устройством.

Современное состояние и последние достижения

Поскольку эмиттер играет решающую роль в работе ТЕС, значительный объем исследований был сосредоточен на разработке соответствующих эмиссионных материалов. Таким образом, в настоящее время рассматривается широкий спектр материалов для термоэлектронной эмиссии и систем TEC. Некоторые из них кратко изложены ниже.

Огнеупорные металлы с Cs

Тугоплавкие металлы по-прежнему являются предпочтительным материалом для изготовления высокотемпературных излучателей ТЭО.Исследования показали преимущества монокристаллических поверхностей тугоплавких металлов, включая ниобий, рений, вольфрам, молибден и их сплавы (Фоменко, 1966; Бакшт и др., 1978). Достижения в области химического осаждения из паровой фазы позволили создать неплоские конфигурации (Macdonald et al., 1989). Эти поверхности обычно используются в ТЭО с зажженной плазмой Cs, поскольку Cs, адсорбированный на поверхности эмиттера, снижает работу выхода до значений ~ 1,5 эВ (Wilson, 1959; Aamodt et al., 1962; Norris, 1964).

Излучатели для дозирования скандатов и бария (Ba)

Ранние исследования показали, что свободный Ba снижает работу выхода оксидных поверхностей, а различные комбинации оксидов Ba – Sr – Ca приводят к снижению работы выхода (Jenkins, 1969). Эти материалы были включены в эмиттеры с металлической опорой для улучшения подачи электричества через оксиды с высоким удельным сопротивлением. Типичные эмиттеры формируются из пористого вольфрама, пропитанного оксидами Ba – Sr – Ca (Jenkins, 1969; Gibson et al., 1989). При высокой температуре Ва испаряется и его необходимо заменить, что ограничивает срок службы источников. Включение слоя оксида скандия (Sc 2 O 3 ) на поверхность пропитанного эмиттера обеспечивает существенное увеличение плотности тока эмиссии, что объясняется более низкой работой выхода. Хотя Ba является необходимым компонентом излучателей скандатов, детали структуры поверхности все еще изучаются.

Алмазные и широкозонные полупроводники

Полупроводники с широкой запрещенной зоной из алмаза, нитрида бора (BN) и нитрида алюминия (AlN) имеют высокие температуры плавления, показали отрицательное или небольшое сродство к электрону и были рассмотрены для приложений электронной эмиссии (Nemanich et al., 1996; Сугино и др., 2002). Для монокристаллического алмаза было установлено, что поверхности с концевыми водородными группами демонстрируют NEA, а характер n-типа получается за счет легирования азотом или фосфором (рис. 2) (van der Weide et al., 1994; Diederich et al., 1998; Катаока и др., 2010). В алмазе, легированном азотом и фосфором, наблюдаются глубокие донорные уровни ~ 1,7 и 0,6 эВ соответственно. Термоэлектронная эмиссия от легированных азотом поверхностей монокристаллов алмаза и пленок поликристаллического алмаза показала работу выхода ~ 2.0 и ~ 1.4 эВ соответственно (Koeck et al., 2009; Nemanich et al., 2010). Более высокая работа выхода от поверхности монокристалла объясняется эффектами изгиба зон. Поверхности имеют более низкую, чем ожидалось, плотность тока, что может быть связано с удельным сопротивлением материала и / или постоянной Ричардсона. Эмиссионная нестабильность может быть связана с десорбцией водорода. Примечательно, что аналогичные результаты были получены несколькими группами (Ristein, 2000; Koeck et al., 2009). Существует согласие, что кубический BN, обработанный водородной плазмой, демонстрирует NEA, который, по-видимому, стабилен до температур ~ 800 ° C.Надежное легирование n-типа все еще остается проблемой. Чистые поверхности AlN демонстрируют небольшой или NEA, но сродство к электрону увеличивается с воздействием кислорода (Grabowski et al., 2001). Сообщалось о получении AlN n-типа с легированием кремнием (Zeisel et al., 2000). Из этих материалов коммерчески доступны выращенный в лаборатории кристаллический алмаз и подложки из AlN. Недавние сообщения показывают, что концевые соединения из оксидов металлов могут обеспечивать стабильные поверхности NEA-алмаза (Tiwari et al., 2014), и такие же окончания могут оказаться подходящими для BN и AlN.

Рисунок 2 . Характеристики термоэлектронной эмиссии между выращенным образцом алмаза с включенным азотом (A), и тем же образцом (B) после воздействия низкоэнергетической водородной плазмы. Было обнаружено, что такая гидрогенизационная обработка значительно увеличивает ток термоэлектронной эмиссии, в первую очередь за счет улучшения постоянной Ричардсона эмиттера. Предполагается, что эти результаты связаны с увеличением поверхностной и объемной концентрации водорода при гидрировании.Поскольку такие образцы выращиваются в среде, богатой водородом, вероятно, небольшое количество водорода присутствует в объеме и на поверхности алмаза (C) . Поскольку водород снижает сродство к электрону (и, следовательно, работу выхода) алмаза, большая часть излучения будет происходить из этих участков поверхности. После гидрирования концентрация водорода на поверхности увеличивается, что приводит к появлению большего количества мест для выбросов (D) . Кроме того, повышенная объемная концентрация водорода снижает удельное сопротивление образца, обеспечивая больший поток электронов, движущихся перпендикулярно поверхности.Это объяснение, по-видимому, объясняет наблюдаемое большое увеличение постоянной Ричардсона с небольшим изменением работы выхода после гидрирования. (A, B) Перепечатано с разрешения Paxton et al. (2012). Авторское право 2012 г., Американское вакуумное общество. (C, D) Изображения любезно предоставлены У. Ф. Пакстоном.

Nanotips / 1D материалы

Углеродные нанотрубки — это характерный одномерный материал, который демонстрирует низкое электрическое сопротивление и сильную полевую электронную эмиссию при слабом приложенном поле (Saito et al., 1997). Однако они демонстрируют относительно высокую работу выхода, но в сочетании с материалом с низкой работой выхода, таким как алмаз p-типа, легированный B, могут обеспечить идеальную конфигурацию для конкретных применений эмиттера. Были разработаны новые подходы к осаждению, которые позволили выращивать B-легированный алмаз на многослойных подложках из нанотрубок (Zanin et al., 2014).

В дополнение к продолжающейся разработке материалов, специфичных для выбросов, ряд новых достижений был направлен не только на снижение работы выхода, но и на увеличение выбросов с помощью других механизмов.Ниже перечислены некоторые из этих недавних открытий.

Термоэмиссия, усиленная фотонами (PETE)

Термоэмиссия с усилением фотонов (ПЭТЭ) — это комбинированный процесс излучения, в котором поглощение фотонов сочетается с тепловым излучением. Эффект ПЭТФ для эмиттеров, которые включают полупроводниковый поглощающий слой, использует как полную энергию потока фотонов, так и поток фотонов с энергией, достаточной для возбуждения электронов непосредственно в зоне проводимости эмиттера (Schwede et al., 2010, 2013). Эффект обеспечивает существенное увеличение плотности тока эмиттера для умеренных температур (то есть при температурах ниже точки, где преобладает чистая термоэлектронная эмиссия). Об эффекте ПЭТФ сообщалось для поверхностей из нитрида галлия: цезия и для двухслойных структур кремний / алмаз (Schwede et al., 2010; Sun et al., 2014). Роль поверхностной и интерфейсной рекомбинации также исследовалась в гетероструктурах III-V (Schwede et al., 2013). Поведение, подобное ПЭТФ, также наблюдалось в массивах углеродных нанотрубок (Vahdani Moghaddam et al., 2015).

Излучатели / коллекторы NEA для уменьшения космического заряда

Исследования установили, что уменьшение уровня вакуума ниже минимума зоны проводимости (т.е. поверхности NEA) должно уменьшать барьер пространственного заряда (Smith et al., 2006; Smith, 2013). Эффект связан с кинетической энергией электронов, испускаемых с поверхности NEA, которая будет больше, чем значение NEA. Например, для поверхности алмаза с H-концом уровень вакуума более чем на 1 эВ ниже минимума зоны проводимости.Это означает, что электроны, испускаемые из минимума зоны проводимости, будут иметь кинетическую энергию более 1 эВ, что может позволить преодолеть потенциальный барьер пространственного заряда. Моделирование показало, что барьер пространственного заряда уменьшается на величину NEA для термоэлектронной эмиссии электронов зоны проводимости.

Тепловая ловушка в одномерных материалах

Ограничение приложенной тепловой энергии к области термоэлектронной эмиссии с низкой работой выхода может оказаться решающим для эффективной работы определенных эмиттерных структур.Исследования показали, что одномерные материалы, такие как углеродные нанотрубки, могут легко поддерживать чрезвычайно высокий температурный градиент (во всех направлениях), поскольку перенос тепла между нанотрубками низок, а перенос тепла вдоль нанотрубки ограничен рассеянием фононов и узким поперечным сечением. (Рисунок 3) (Yaghoobi et al., 2011, 2012).

Рисунок 3 . (A) Схематическое изображение солнечного источника электронов (не в масштабе). Сфокусированный солнечный свет вызывает локальный нагрев леса нанотрубок до температур термоэлектронной эмиссии, а анод, расположенный над лесом, собирает испускаемые электроны.Из-за эффекта «тепловой ловушки» в лесах из углеродных нанотрубок очень легко локально нагреть эти проводящие материалы до температур термоэлектронной эмиссии, используя низкую оптическую мощность. (B) Это позволило недавно продемонстрировать компактные солнечные термоэмиссионные устройства. На фотографии показана экспериментальная установка солнечного источника электронов на открытом воздухе. Серийная линза диаметром 50 мм использовалась для концентрации солнечного света на пятне размером ~ 700 мкм на боковой поверхности леса углеродных нанотрубок (помещенном внутри стеклянной вакуумной трубки).Электрометр Keithly 6517A использовался для подачи собирающего напряжения и измерения тока эмиссии электронов (на вставке показано накаливание от локализованного горячего пятна на лесу из нанотрубок, в то время как окружающие участки леса остаются холодными). По материалам Yaghoobi et al. (2012) по лицензии Creative Commons Attribution 3.0.

Молекулярная / ионно-усиленная эмиссия

Вместо того, чтобы использовать межэлектродные элементы для уменьшения объемного заряда в ТЭО, этот подход использует межэлектродные молекулы / ионы, чтобы внести вклад в перенос заряда через зазор.Этот процесс применим к термоэлектронному преобразователю с узким зазором. Концепция основана на образовании отрицательного иона, когда нейтральная молекула контактирует с поверхностью эмиттера, десорбции иона, так что он проходит через межэлектродный зазор, и нейтрализации иона при контакте с поверхностью коллектора. Эффект наблюдался для атомарного водорода и аммиака (NH 3 ) в термоэлектронном преобразователе с поверхностью алмаза, легированного азотом. Эти молекулы имеют связанные состояния отрицательных ионов около 0,75 эВ, что, по-видимому, совпадает с электронными состояниями эмиттера легированного алмаза.Результаты показали увеличение плотности мощности на порядок при введении водорода или аммиака в планарную ячейку ТЕС на основе алмаза (Koeck et al., 2011). Если термоэлектронные преобразователи работают с ионизированным фоновым газом, перенос заряда от эмиттера к коллектору голыми электронами можно заменить переносом через ионы . Этот механизм имеет то преимущество, что уровни энергии атомов, молекул или ионов могут быть соответствующим образом согласованы с уровнями энергии в эмиттере или коллекторе, чтобы обеспечить улучшенный перенос заряда между электродами и газом, например, с помощью поля, усиленного ионами. выброса (Го, Венкаттраман, 2014).

Квантовое туннелирование / излучение теплового поля

Термоэлектронная эмиссия обычно представлена ​​электронами, испускаемыми с энергией, превышающей энергию вакуумного барьера. Однако приложение поля может обеспечить значительную эмиссию из-за понижения барьера (т. Е. Эффекта Шоттки в уравнении 2) и квантово-механического туннелирования (т. Е. Туннелирования с термической поддержкой). Исследования показали, что нано-выступы могут приводить к усиленной термоэлектронной эмиссии, связанной с туннельными эффектами и снижением барьера (Spindt et al., 1976; Бармина и др., 2012).

Будущие потребности и возможности

Несмотря на то, что был достигнут значительный прогресс в разработке эмиттерных материалов, а также в новых подходах к увеличению излучения, все еще остаются значительные препятствия на пути использования этих материалов в функциональных устройствах ТЕС с высокими характеристиками и длительным сроком службы. Мы указываем на несколько направлений будущих исследований, которые могут помочь преодолеть этот пробел.

Материалы и покрытия эмиттера

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в поиске новых материалов с низкой работой выхода, таких как широкозонные полупроводники NEA из алмаза, BN и AlN (Powers et al., 1995; Неманич и др., 1996). Стабильные поверхностные заделки NEA существенно повлияют на применимость этих материалов в приложениях TEC. Первоначальные отчеты предполагают, что для алмаза подходит однослойная окись металлов. Фактически, однослойные и двухслойные окончания, которые оптимизируют поверхностный диполь, могут влиять на большую группу материалов, которая может включать карбиды и другие керамические материалы. Недавние разработки в области атомно-слоистого осаждения тонких оксидов могут быть своевременными для этих новых материалов.Монокристаллические или крупнозернистые поликристаллические подложки могут значительно улучшить стабильность и эффективность, а роль дефектов или примесей может быть установлена ​​более тщательно.

Комплексная теория / моделирование выбросов

Несмотря на то, что разработка материалов заняла центральное место, многое еще не решено в фундаментальных аспектах термоэлектронной эмиссии. Например, коэффициент Ричардсона A все еще преимущественно определяется только путем подбора эмпирической кривой и не может быть хорошо предсказан теоретически для большинства материалов (Hatsopoulos и Gyftopoulos, 1979).В будущем роль теории и моделирования будет иметь двоякую задачу: (1) связать свойства материалов с излучением, стабильностью и учесть новые механизмы, такие как ПЭТЭ, NEA и квантовые эффекты, и (2) предоставить рекомендации. об эффектах системного уровня, которые включают теплопередачу, связь фотонов и общие рабочие характеристики системы. Для конкретных материалов решающее значение будет иметь обеспечение фундаментального понимания работы выхода поверхности и постоянной Ричардсона для различных поверхностных окончаний и материалов.Разработка базы данных материалов и поверхностей с теоретической основой также может иметь большое значение для руководства разработкой новых систем. Один из примеров использования квантово-механических расчетов для наноразмерных излучателей показан на рисунке 4.

Рисунок 4 . Модель неравновесной функции Грина использовалась для исследования эмиссионного тока как функции длины и ширины иглы. (A) Расчетная локальная плотность состояний для нескольких материалов с работой выхода. (B) Нижний график представляет собой эмиссионный ток для ряда значений ширины наконечника. Пунктирные линии обозначают кончик, а сплошные линии — тонкопленочные. Изображения любезно предоставлены Т. Мушо.

Новые механизмы выброса

Ряд новых механизмов эмиссии, упомянутых ранее, находится на очень ранних стадиях понимания или даже подтверждения концепции. Термоэлектронная эмиссия, усиленная фотонами (PETE), NEA для уменьшения барьера пространственного заряда, квантовое туннелирование из наноструктур, фокусировка тепловой энергии с помощью одномерных материалов и перенос заряда с образованием ионов — все это, по-видимому, имеет значительные преимущества для конкретных конфигураций.Необходимы исследования, чтобы сопоставить эти новые механизмы с новыми материалами, указанными выше. Этот процесс следует продвигать согласованно с теорией и моделированием. Кроме того, многие из этих идей бросают вызов традиционной концепции термоэлектронной эмиссии, основанной на нагретом простом металле. Подобно тому, как полупроводниковые электронные и оптоэлектронные устройства учитывают полосы и вклады от конкретных электронных состояний и колебательных мод, вполне могут быть возможности квантовой инженерии конкретных состояний электронного транспорта, которые могут повысить эффективность системы ТЭО.

Зазор между электродами

Требования

Межэлектродный зазор — это область, в которой происходит существенный перенос электронов, и поэтому она может существенно повлиять на характеристики ТЭО. Благодаря своему кулоновскому заряду электроны, проходящие от эмиттера к коллектору, создают отрицательный электростатический потенциал, который отталкивает другие электроны. Этот потенциал легко может достигать нескольких вольт. Поскольку он масштабируется с плотностью электронов, он велик при высоких плотностях тока и усиливается за счет малых скоростей носителей.Как отмечалось ранее, например, если концентрация электронов в зазоре превышает критический предел, отрицательный объемный заряд отрицательно влияет на ток эмиссии, как описано в законе Чайлда-Ленгмюра (Child, 1911; Langmuir, 1913). В стандартной диодной конфигурации, работающей в вакууме, этот объемный заряд не дает электронам покидать эмиттер и тем самым снижает ток эмиттер-коллектор до нулевых значений. Снижение эффекта пространственного заряда было основной проблемой для применений термоэлектронных преобразователей за счет уменьшения вдвое их эффективности и, таким образом, предотвращения их наземного использования (Moyzhes and Geballe, 2005).Поразительно, что на протяжении столетия существование обычных космических зарядов было единственным препятствием для разработки приложений, возможно, высокоэффективных термоэмиссионных процессов.

Помимо эффектов пространственного заряда, тепловая связь через зазор является критическим каналом потерь для термоэлектронных преобразователей. Тепловая связь в основном вызвана тепловым излучением, которое для d > ~ 1 мкм не зависит от расстояния между эмиттером и коллектором d , поскольку эффекты излучения в ближней зоне для этих расстояний незначительны (см.г., Ли и др., 2012а). Тепловая связь также обеспечивается теплопроводностью по паразитным каналам, если таковые существуют, например, по проставкам, установленным между эмиттером и коллектором. Для преобразователей, работающих с фоновым давлением газа или плазмы, перенос тепла этими газами увеличивает тепловую связь.

Необходимость в четко определенном и равномерном зазоре, который будет стабильным при рабочей температуре на протяжении всего срока службы термоэмиссионного преобразователя, составляет одну из наиболее серьезных проблем при проектировании термоэмиссионных преобразователей.Деформация и изгиб эмиттера и коллектора, а также изменения ширины зазора во время нагрева могут вызвать катастрофические контакты между эмиттером и коллектором, а также, что менее серьезно, неоднородное распределение температуры и тока. Очевидно, что для повышения эффективности и долговечности эти неоднородности необходимо ограничить. Если оно присутствует, набухание ядерного топлива может, кроме того, усугубить сложности поддержания стабильного зазора.

Прижатие эмиттерного и коллекторного электродов к прокладкам, разделяющим два электрода, позволяет удерживать их совмещенными и на желаемом расстоянии при любых температурах.Возможными материалами, которые могут быть использованы для прокладок при высоких температурах и больших температурных градиентах, являются, например, диоксид кремния (SiO 2 ) и оксид алюминия (Al 2 O 3 ). Плотность прокладки должна обеспечивать баланс между допустимым изгибом электродов и тепловыми потерями. Реакции или взаимная диффузия между прокладками и электродами, в частности эмиттером, должны быть допустимыми. В течение срока службы преобразователя прокладки, которые подвергаются значительному температурному градиенту, должны быть электрически изолирующими в своем объеме и на своих поверхностях, в контакте с электродами, а в рабочей атмосфере зарядка прокладки может стать причиной проблема.Поскольку теплопроводность прокладок зависит от их площади и обратно пропорциональна их длине, для меньших тепловых потерь желательно использовать меньшее количество прокладок и большее расстояние эмиттер-коллектор.

Современное состояние и последние достижения

Исторически много внимания уделялось уменьшению эффектов пространственного заряда и созданию очень однородных зазоров между электродами. Ниже приводится краткое изложение многих из этих прошлых усилий, а также некоторых более поздних стратегий, которые имеют значительный потенциал.

Межэлектродная плазма

Поскольку ранее было невозможно решить проблему пространственного заряда без снижения эффективности преобразователей, альтернативной стратегией было введение положительных ионов в межэлектродный зазор для нейтрализации эффекта пространственного заряда (Baksht et al., 1978 ), принимая во внимание существенный недостаток снижения КПД на ~ 30–50%. Поскольку скорость ионов намного ниже скорости электронов, пропорционально меньший ионный ток достаточен для нейтрализации зарядов электронов.Катионы цезия (Cs + ) оказались предпочтительным ионом, поскольку Cs имеет небольшую энергию ионизации (3,9 эВ). Кроме того, Cs снижает работу выхода коллектора, что является значительным преимуществом. Менее привлекательно то, что работа выхода всех других поверхностей, на которые осаждается Cs, также снижается, что может вызвать проблемы с нежелательными процессами электронной эмиссии и неоптимальной работой выхода эмиттера. Требуемая непрерывная подача Cs требует резервуара Cs, который ограничивает срок службы преобразователя, если резервуар не может быть пополнен.Поставки Cs для реакторов ТОПАЗ в количестве ~ 1 кг ограничили их срок службы ~ 1 годом. Для процесса ионизации Cs были исследованы различные подходы, из которых использовалась только ионизация низковольтным дуговым разрядом паров Cs. Мощность, необходимая для поддержания разряда, снижает эффективность таких преобразователей на 30–50% (Национальный исследовательский совет, 2001; Moyzhes, Geballe, 2005). Поэтому недавно было предложено создать Cs + для компенсации пространственного заряда с помощью подходящей комбинации сеточного электрода и приложенного магнитного поля (Moyzhes and Geballe, 2005).Эта процедура ионизации заслуживает экспериментального исследования, поскольку она была разработана так, чтобы потреблять меньше энергии, чем современный низковольтный дуговый разряд. Из-за небольшого КПД, вызванного ионизацией Cs, термоэлектронные преобразователи на Земле не использовались.

Микромасштабные зазоры между электродами

Второй подход, который, как было признано, предлагает решение проблемы пространственного заряда, заключается в размещении эмиттера и коллектора так близко друг к другу, чтобы зазор эмиттер-коллектор был слишком мал для накопления достаточного количества электронов и образования вредного пространства. обвинять.Для этого требуются расстояния эмиттер-коллектор менее ~ 5–10 мкм (Национальный исследовательский совет, 2001), которые должны выдерживаться с жесткими допусками. Было сложно построить механически стабильную опорную конструкцию электрода, и было обнаружено, что она отводит слишком много тепла от излучателя (Национальный исследовательский совет, 2001). Тем не менее, к 2001 году в России был построен термоэмиссионный преобразователь с зазором 6 мкм, который работал хорошо, но был механически нестабильным (Национальный исследовательский совет, 2001). Таким образом, современные технологии микротехнологии и производства полупроводников в настоящее время исследуются для стабилизации этих расстояний с помощью прокладок, которые выдерживают рабочую температуру и большие температурные градиенты между эмиттером и коллектором (Lee et al., 2012б, в, 2014; Белбачир и др., 2014). Этому способствует использование модульных структур преобразователя, состоящих из относительно небольших сборок эмиттер-коллектор. Были изготовлены тестовые сборки с поперечными размерами 500 мкм (Lee et al., 2012b, c, 2014), которые успешно продемонстрировали стабильность в течение нескольких часов при 900–1400 K ( d = 100 мкм). Кроме того, испытания проводились при d = 1,6 мкм с использованием спейсеров в виде микрогранул (Littau et al., 2013). В Belbachir et al. (2014), расстояние между эмиттером и коллектором d = 10 мкм было реализовано с использованием разделителей SiO 2 , разделяющих пластины SiC и Si с эффективной площадью 7 мм × 20 мм, хотя и с очень большими тепловыми потерями. через проставки (~ 0.4 Вт / К для T E ~ 830 ° C и T C ~ 370 ° C).

Промежуточные электроды затвора

Третий подход к решению проблемы пространственного заряда заключается в использовании дополнительного электрода, затвора или сетки для рассеивания облака пространственного заряда путем перемещения электронов из облака в коллектор. В прошлом этот метод был признан безуспешным (Hatsopoulos and Gyftopoulos, 1973). Однако в 2013 году были продемонстрированы термоэлектронные преобразователи, в которых проблема пространственного заряда была решена в безионном подходе путем рассеивания облака пространственного заряда с помощью положительно заряженного затвора (рисунок 5) (Meir et al., 2013). Необходимо подавить токи затвора, что можно сделать с помощью магнитных полей или использования материалов затворов, прозрачных для электронов (Wanke et al., 2016), причем последние дают возможность реализовать преобразователи чрезвычайно малого веса. Этот вариант термоэлектронного преобразования энергии называется термоэлектронным генерированием энергии, поскольку он не зависит от механизма излучения и, кроме того, в качестве активных частиц используются только электроны, а не ионы (Meir et al., 2013; Wanke et al., 2017). В термоэлектронных устройствах оптимальные расстояния эмиттер – коллектор составляют порядка 100 мкм.В то время как потери на затворе и, возможно, генерация магнитных полей постоянными магнитами или сверхпроводящими катушками с высоким значением напряжения заслуживают рассмотрения, электрод затвора обеспечивает возможность настройки устройств, например, для электронной регулировки выходной мощности или температура эмиттера. Термоэлектронные преобразователи являются многообещающими кандидатами, поскольку для них не требуется Cs-плазма, но они работают с большими расстояниями между эмиттером и коллектором, что обеспечивает долговечность, относительную надежность и возможность работы при очень высоких температурах эмиттера.

Рисунок 5 . Использование ворот для решения проблемы пространственного заряда. В термоэлектронных генераторах, как показано на панели (A) , напряжение затвора обеспечивает эффективную работу при больших расстояниях между эмиттером и коллектором, d ec . (B) Измеренные данные (точки данных) вместе с результатами численного моделирования (линии) для различных диаметров отверстия ( w ) затвора. По материалам Meir et al. (2013) под лицензией Creative Commons Attribution 3.0.

Будущие потребности и возможности

Эти последние достижения в конструкции устройств, использующие преимущества новых возможностей микротехнологии, открыли возможность преодоления проблемы космического заряда, которая исторически преследовала устройства ТЕС. Тем не менее, требуется дополнительная работа для воплощения этих и других новых идей в практическую работу. Мы резюмируем несколько возможностей в будущем, которые потребуются, чтобы это произошло.

Микромасштабные зазоры между электродами

Доступность технологий микропроизводства и производства полупроводников, а также достижения в области материаловедения открывают большие возможности для изготовления интегрированных термоэмиссионных преобразователей с микромасштабными зазорами между электродами.Во-первых, были созданы и исследованы тестовые устройства с микромасштабными зазорами с помощью полупроводниковых технологий (Lee et al., 2012b, c, 2014; Belbachir et al., 2014). Следующим большим шагом будет демонстрация эффективности и производительности в реальных условиях эксплуатации. Использование технологий изготовления пластин с вакуумной капсулой открывает новые возможности для создания модульных и легких конструкций, которые, в принципе, также можно изготавливать экономичным способом. Поскольку устройства имеют небольшую массу, они могут быть надежными и экономичными, что характерно для устройств типа MEMS.Кроме того, сборки эмиттера и коллектора могут быть изготовлены стандартными тонкопленочными процессами, и возможности для создания устройств с микромасштабными зазорами огромны. Их необходимо использовать как возможные пути к устройствам с небольшими тепловыми потерями и желаемой долговременной стабильностью.

Промежуточные электроды затвора

Как и для устройств с микромасштабными зазорами, для термоэлектронных устройств исследуется использование технологий микростроения и производства полупроводников для интеграции электродов затвора в устройства с большими расстояниями эмиттер-коллектор (~ 100 мкм).Модельные расчеты показывают высокую эффективность при таких больших расстояниях между эмиттером и коллектором, что еще необходимо продемонстрировать экспериментально. Одной из ключевых проблем является конструкция затворов, обеспечивающая высокую прозрачность для электронов и, следовательно, малые токи затвора для минимизации потерь затвора. Другой ключевой вопрос — разработка методов изготовления интегрированных устройств с желаемым расстоянием между эмиттером и коллектором и небольшими тепловыми потерями. Использование оптимизированных материалов для затворов, микромасштабного структурирования затворов и, возможно, магнитных полей открывает возможности для реализации таких устройств в полупроводниковой технологии на основе флип-чипа.В таких устройствах может использоваться наноструктурирование эмиттерных или коллекторных электродов для согласования микроструктуры затвора для оптимальной работы устройства, например, путем направления электронной эмиссии через отверстия затвора.

Новые идеи и области исследований

Как отмечалось в разделе «Текущее состояние и последние достижения», одна новая и новая концепция эмиссии — это использование атомов или молекул для переноса зарядов от эмиттера к коллектору. Эта радикально новая концепция требует изучения ее преимуществ, в частности возможного синергизма с микроплазмой или низкотемпературной плазмой (Go and Venkattraman, 2014).Фундаментальные вопросы, касающиеся передачи энергии между электродами, потерь и роли пространственных зарядов, еще предстоит исследовать. Как и в случае с технологией микроплазмы, за последние годы в науке о микроплазме были достигнуты большие успехи (Becker et al., 2006). Были представлены новые и многообещающие идеи по уменьшению этих потерь за счет оптимизированной генерации плазмы (Moyzhes and Geballe, 2005), но, насколько нам известно, еще не исследованы экспериментально. Из-за малых расстояний эмиттер-коллектор термоэлектронных преобразователей управление и оптимизация плазмы, ограниченной зазором эмиттер-коллектор, являются сложной задачей.Сегодняшние знания о микроплазме могут быть применены для разработки новых архитектур преобразователей на основе Cs, возможно, даже в импульсном режиме, или для разработки совершенно новых концепций плазменной нейтрализации пространственного заряда.

Теория и моделирование транспорта

Принципы движения электронов в пространстве, переноса тепла и плазменных разрядов известны давно. Однако в последние годы программное обеспечение для трехмерного моделирования начало предлагать огромные преимущества при проектировании термоэлектронных преобразователей, поскольку иначе трудно оценить поведение пространственных зарядов в неоднородных электромагнитных полях.Хотя существующий код уже доказал свою полезность, тем не менее требуются дальнейшие улучшения. Было бы полезно, если бы были доступны коды, которые могут моделировать работу преобразователей на системном уровне. Это должно быть основано на расчете движения электронов в пространственном заряде, возникающего из-за большого количества электронов, испускаемых в процессе, характеризующемся распределением их тепловой энергии и движущихся в неоднородных электромагнитных полях. Чтобы оценить производительность устройства на системном уровне, такие коды обязательно должны интегрировать все физические процессы, перенос электронов вместе с генерацией, распределением и потоком тепловой энергии.Такие алгоритмы должны быть итеративными, и требования к их числовой точности высоки, так как разброс скоростей электронов может быть значительным, как и разброс масштабов длины, в частности, если должны происходить процессы излучения и поглощения на наноструктурированных поверхностях. учтено. Для термоэмиссионных преобразователей, использующих плазму или газ, точный расчет производительности устройства является еще более требовательным. Обратите внимание на то, что моделирование бросают вызов неизвестные аспекты физики и не то, что алгоритмы в принципе неизвестны.Скорее, это большое количество частиц и множество задействованных масштабов длины и времени, которые препятствуют хорошему моделированию высокопроизводительного преобразователя мощности с макроскопической длиной стороны.

Коллекция

Требования

Коллектор в устройстве ТЕС часто является наиболее упускаемым из виду компонентом, но он по-прежнему напрямую влияет на общие характеристики термоэмиссионного преобразователя. Для типичных конфигураций ТЕС максимальная мощность достигается при работе при напряжении, равном разнице работы выхода эмиттера и коллектора, как показано в формуле.4. Следовательно, наличие коллектора с низкой работой выхода дает сильное преимущество. Для типичной работы электроны собираются в состояниях, превышающих работу выхода коллектора, и термализация к тепловому распределению коллектора является основным механизмом передачи тепла от эмиттера к коллектору. Туннелирование в состояния ниже уровня вакуума может оказаться преимуществом в уменьшении этого механизма потерь. Поглощение теплового излучения излучателем является вторым основным источником теплопередачи, а высокая отражательная способность коллектора в инфракрасном диапазоне может повысить эффективность системы.В некоторых рабочих условиях обратная эмиссия электронов из коллектора будет вносить вклад в барьер пространственного заряда. Данные свидетельствуют о том, что поверхность NEA на коллекторе может уменьшить барьер пространственного заряда. Электрическое сопротивление коллектора также способствует потере мощности в системе, а пониженная теплопроводность может ограничивать разницу температур эмиттер-коллектор. Предполагается, что высокая постоянная Ричардсона указывает на низкое значение отражательной способности электронов на поверхности коллектора; следовательно, желательно высокое значение.Однако, если коэффициент Ричардсона слишком высок, то обратное излучение коллектора может снизить эффективность; поэтому должно быть оптимальное промежуточное значение. В таблице 2 приведены некоторые из этих требований, необходимых для высокопроизводительного коллектора.

Таблица 2 . Требования и преимущества коллектора, а также требования к устройствам.

Современное состояние и последние достижения

Подобно эмиттеру, многие проблемы с коллекторами можно свести к проблемам с материалами.Однако коллекционеру обычно уделяется гораздо меньше внимания, чем эмиттеру. Тем не менее, следующий обзор как исторических, так и новейших подходов к коллекционному дизайну.

Материалы коллектора

Большинство материалов, указанных в разделе «Эмиссия», могут также использоваться в качестве поверхностей коллектора. Поверхности алмаза n-типа, легированные скандатом и фосфором, демонстрируют самые низкие значения работы выхода для поверхностей без цезии, о которых сообщалось на сегодняшний день (Koeck et al., 2009). Фактически, они могут быть самыми низкими в целом, и эти поверхности могут обеспечить значительные преимущества для конкретных конфигураций ТЕС. Пленки оксида скандия, интегрированные с пористым металлом, могут обеспечить как низкую работу выхода, так и низкое электрическое сопротивление, необходимые для эффективной работы коллектора в системе ТЭО (Гибсон и др., 1989). В отчетах указана термоэлектронная работа выхода 0,9 эВ для поликристаллических пленок алмаза, легированного фосфором (Koeck et al., 2009), а также очень низкая постоянная Ричардсона.Уровень донора фосфора 0,6 эВ предполагает, что может быть достигнута более низкая работа выхода. Однако результаты были получены на основе термоэлектронной эмиссии, а не сбора данных.

Коллекторные механизмы

Недавно было предложено, что сеточная структура около поверхности коллектора может позволить электронам туннелировать в состояния ниже уровня вакуума (рис. 6) (Pan et al., 2014). Этот эффект может снизить эффективную работу выхода и повысить эффективность за счет уменьшения теплопередачи термализации.Моделирование также показало, что коллектор NEA приведет к существенному уменьшению барьера пространственного заряда (Smith, 2013). Для полупроводниковых поверхностей обратная эмиссия более сложна, и вопрос о том, становится ли она важным, еще предстоит решить.

Рисунок 6 . (A) Диаграмма уровней энергии теплового двигателя с одним коллектором и сеткой, где горячей стороной является классический эмиттер с термоэмиссионным катодом и имеется сильное электрическое поле (предпочтительно> 0.1 В / нм) на коллекторе. Красная область изображает ландшафт потенциальной энергии в вакуумном зазоре, сформированный напряжением сети. Катодно испускаемые электроны с энергиями выше, но близких к уровню Ферми коллектора (зеленая линия) могут туннелировать через тонкую барьерную установку электрическим полем за пределами коллектора, минуя работу выхода коллектора (фиолетовая линия). (B) Прогнозируемая мощность в зависимости от эффективности термоэмиссионного преобразователя с одним коллектором и сеткой, который использует обратное туннелирование электронов на коллекторе электронов, с температурами T H = 1500 K, T C = 300 K, работа выхода ϕ c = 2.0 эВ, ϕ a = 1,5 эВ и переменное электрическое поле коллектора <0,4 В / нм. Нижняя кривая соответствует потерям в сети 1%. Перепечатано с разрешения Pan et al. (2014). Авторские права 2014 IEEE.

Будущие потребности и возможности

Было проведено несколько исследований свойств материалов для коллекторных применений, и они обычно связаны с конкретным эмиттером в конфигурации TEC. Хотя многие аспекты поверхности коллектора можно вывести по аналогии из характеристик эмиттера, похоже, что сосредоточение внимания на характеристиках коллектора может привести к гораздо более четко определенным оптимальным характеристикам.

Комплексная теория / моделирование коллекции

Будет важно обеспечить фундаментальное понимание того, как постоянная Ричардсона влияет на сбор электронов и, более того, можно ли оптимизировать постоянную Ричардсона с помощью различных поверхностных окончаний. Создание базы данных материалов и поверхностей с теоретической основой будет иметь решающее значение для руководства разработкой новых систем. На уровне системы потребуется моделирование тепловых свойств.

Материалы и поверхности коллектора

Исследование материалов эмиттера выявило нескольких кандидатов в коллекционеры с одними из самых низких рабочих функций, о которых сообщается. Новые исследования должны быть сосредоточены на увеличении поглощения электронов (то есть минимизации отражения электронов), и казалось бы, что поверхностные окончания должны играть важную роль.

New Collector Effects

Теоретическое исследование показало, что поверхность коллектора NEA может уменьшить барьер пространственного заряда (Smith, 2013).Есть возможности расширить исследование, чтобы определить связь с конкретными конфигурациями материалов и предоставить экспериментальные подтверждения. Точно так же есть возможность понять роль квантового туннелирования на поверхности коллектора.

Конструкции интегрированного коллектора

Особое внимание при проектировании интегрированного коллектора будет уделяться сетке или наноструктурам для усиления эффектов туннелирования и интеграции эффективного охлаждения для контроля температуры системы.

Новые концепции и комплексные подходы

Квантовое туннелирование и поверхности NEA — две новые концепции, заслуживающие дальнейшего изучения. Как отмечалось в разделе «Будущие потребности и возможности», вклады конкретных электронных состояний и колебательных мод вполне могут предоставить возможности для квантовой инженерии конкретных состояний переноса электронов, которые могут повысить эффективность коллектора и системы TEC.

Идем вперед

В предыдущих разделах были обозначены конкретные области исследований, требующиеся на уровне отдельных компонентов.Однако, помимо улучшения и оптимизации отдельных компонентов, остаются проблемы системного уровня, которые исследовательское сообщество TEC должно преодолеть.

Стандарты характеризации и испытаний

Учитывая, что технология TEC еще не достигла состояния широкого распространения, полный набор стандартов не был полностью установлен для тестирования всех аспектов изготовленных устройств или определения характеристик материалов, используемых в различных компонентах устройства, хотя значительный прогресс был достигнут в определении показатель качества работы преобразователя (Shefsiek, 2010).В этом разделе мы сначала рассмотрим основные требования к характеристикам и испытаниям в термоэлектронике, затем опишем текущее состояние дел и, наконец, обсудим будущие потребности и некоторые возможности, доступные для дальнейших исследований и разработок.

Характеристики материалов

Тщательное понимание свойств материалов, используемых для эмиттера, коллектора и других частей устройства, имеет решающее значение для оптимизации конструкции и производительности устройства.Критическим параметром как для эмиттера, так и для коллектора является работа выхода, и, вообще говоря, требуются материалы с очень низкой работой выхода или даже NEA. Однако работа выхода — это довольно сложное свойство. Это не только зависит от атомного состава и структуры массы, но также сильно зависит от морфологии поверхности и любого типа покрытия, как преднамеренного, так и непреднамеренного. Кроме того, работа выхода зависит от температуры, например, из-за теплового расширения (Olawole and De, 2016), и это может быть особенно важно для термоэмиссионных преобразователей, учитывая повышенные температуры в эксплуатации.

Другими важными факторами являются теплопроводность и электропроводность. Теплопроводность играет непосредственную роль в определении рабочей температуры, а также частично определяет нежелательную теплопередачу от излучателя к остальной части конструкции. Можно утверждать, что, если не требуется высокочастотный импульсный режим, для излучателя желательна низкая теплопроводность, чтобы свести к минимуму нежелательную теплопередачу в окружающую среду, особенно в приложениях, где можно напрямую нагревать поверхность излучателя, например, в солнечных батареях. термоэлектроника.Для коллектора ситуация может быть противоположной, поскольку тепловая нагрузка, создаваемая входящими электронами, должна быть удалена. И для эмиттера, и для коллектора необходима высокая электропроводность, и, естественно, это обычно происходит за счет высокой теплопроводности, которая может отрицательно сказаться на работе эмиттера. Поэтому важно иметь точные данные для этих значений проводимости и их взаимозависимостей в зависимости от температуры. Такие данные не всегда доступны в литературе для рассматриваемых диапазонов температур.

Подобно работе выхода, другим параметром, непосредственно влияющим на ток эмиссии, является постоянная Ричардсона для конкретного используемого материала; эта «константа» может быть разной для разных материалов. Возможно, что еще более важно, физика излучения может отличаться в новых материалах с уменьшенной размерностью, и могут потребоваться модификации закона Ричардсона-Душмана (Liang and Ang, 2015). Другими важными факторами являются температура плавления или абляции материала и его структурная целостность при высоких температурах, а также его коэффициент теплового расширения.

Возможно, уже существуют различные методы для характеристики всех интересующих свойств материалов, начиная от электронной и сканирующей зондовой микроскопии / спектроскопии с высоким разрешением для структурных исследований и изучения морфологии поверхности до четырехточечных зондовых измерений электропроводности, а также вольт-амперной характеристики. измерения (графики Ричардсона), зонд Кельвина и ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия для исследования работы выхода. Однако почти все они по существу ограничены сценариями определения характеристик материалов ex situ и и не обязательно позволяют прямое измерение или извлечение свойств при реальной работе устройства или даже в смоделированных рабочих условиях (например, при очень высоких температурах).Учитывая важность определения характеристик материалов in situ , как обсуждалось ранее, это может представлять собой существенное ограничение.

Характеристики устройства

Существует два аспекта тестирования и определения характеристик устройства: первый включает измерение внешних или рабочих параметров. В зависимости от конкретного приложения, важные параметры могут включать максимальную входную мощность, рабочую температуру, выходную мощность, мощность на единицу объема или массы, выходной ток, плотность тока, выходное напряжение, выходное сопротивление, эффективность преобразования мощности, надежность (например, , к ионизирующему излучению), стабильности и срока службы.Другой аспект характеристики устройства связан с измерением и мониторингом внутренних параметров устройства, таких как температура поверхности эмиттера и коллектора, электронный и ионный (если применимо) ток и их пространственное распределение в области зазора, падение напряжения на различные компоненты и точки контакта, а также накопление механических напряжений в различных частях устройства. Понимание этого имеет решающее значение при оценке конкретного дизайна или прототипа и его последующих улучшений.Следовательно, необходимо иметь возможность охарактеризовать эти свойства in situ (во время работы устройства или, по крайней мере, в репрезентативных условиях).

Что касается самой работы устройства, то стандарты выполнения и отчетности по измерениям, которые позволили бы проводить значимые сравнения между широким спектром устройств, требуют большего внимания, например концепция барьерного индекса как показателя качества (Shefsiek, 2010 ). Такие концепции позволят возрождающемуся сообществу термоэлектроники более кратко и эффективно сообщать о достижениях.Точно так же нетривиально сравнивать устройства, которые работают с различными типами входной энергии — отходящим теплом, ядерной, солнечной и т. Д.

Характеристика на уровне системы

На практике термоэлектронный преобразователь неизбежно будет использоваться в более крупной системе, как минимум, включая источник входной мощности и нагрузку, если он не является частью более сложной энергосистемы с динамическими характеристиками нагрузки и изменяющимися во времени требованиями, и включая сложную силовую электронную схему. Необходимо разработать меры для анализа стоимости единицы генерируемой энергии или мощности, масштабируемости / потенциала устройства и возможных проблем безопасности, возникающих в результате работы с высокой мощностью или высокой температурой или использования токсичных материалов в конструкции устройства.

Для фотоэлектрических и термоэлектрических устройств, которые уже получили широкое распространение по сравнению с термоэлектроникой, уже используются стандартные испытательные приборы / оборудование и параметры. Примеры включают солнечные симуляторы и испытательный центр Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии или параметр добротности (ZT). Если необходимо ускорить прогресс в области термоэмиссионных преобразователей, что неизбежно потребует участия многих исследователей из разных стран и географических регионов, эффективная передача результатов и сравнение полученных данных о характеристиках имеют решающее значение.Это требует разработки не только стандартного испытательного оборудования и центральных средств, но и четко определенных критериев отчетности о производительности. Например, какой параметр является более значимым для сравнения: удельная мощность или общая мощность? И, если это первое, как это точно определить? Аналогичным образом, следует ли сообщать эффективность устройства как функцию температуры эмиттера или разницы температур между эмиттером и коллектором, или значение имеет просто максимальная эффективность? Этот список можно продолжить.Ответы на многие такие вопросы далеко не тривиальны или даже уникальны и требуют тщательного обдумывания, обдумывания и достижения консенсуса.

Комплексная теория работы устройства

Существующие модели и теоретические исследования обычно ограничиваются частью термоэлектронного преобразователя, например эмиссией электронов из эмиттера или переносом через зазор. Если можно было бы разработать всеобъемлющую теорию / модель, включающую все аспекты работы от нагрева излучателя до подачи энергии на нагрузку, это могло бы позволить извлекать многие параметры устройства и свойства составляющих материалов с помощью простых и стандартных характеристик устройства (внешних / параметр производительности) измерения.Например, различные области вольт-амперных характеристик термоэлектронного устройства — режим замедления, режим объемного заряда и режим насыщения — по-разному чувствительны к различным параметрам устройства и материала. Следовательно, используя точную модель для вольт-амперных характеристик, можно выделить несколько параметров, таких как площадь пятна излучения, температура и работа выхода, подгоняя предсказания модели к вольт-амперной развертке (Khoshaman et al., 2015). Аналогичные подходы можно использовать и для извлечения других внутренних параметров устройства.

Новые идеи и направления

Это не совпадение, что исследования в области TEC в последнее время вызывают все больший интерес. Технологические достижения последних нескольких десятилетий, в частности, в области микро / наноматериалов и производственных процессов, дали нам множество инструментов, необходимых для того, чтобы наконец реализовать давно существующие идеи устройств с необходимыми материалами и структурными свойствами для достижения практически полезных уровней производительности. С появлением таких технологий произошли две другие разработки, которые могли оказать серьезное влияние на TEC: способность структурировать материалы и определять свойства материалов, ранее немыслимые, когда полвека назад применялись традиционные термоэмиссионные конструкции, и новые физические явления. это может открыть возможности для принципиально новых концепций устройств.

Создание наноструктурированных эмиттеров, использующих многообещающие свойства нанотрубок и нанопроволок, разработка новых сеточных структур для минимизации эффектов пространственного заряда (Meir et al., 2013), молекулярно-ионно-усиленная эмиссия (Koeck et al. , 2011) и использование микроплазмы (Go and Venkattraman, 2014) являются примерами первого, в то время как использование усиленной фотонами термоэлектронной эмиссии (PETE) (Schwede et al., 2010, 2013; Sun et al., 2014). ), эффективный световой нагрев одномерных материалов за счет необычной локализации тепла (тепловая ловушка), открывающий новые возможности для солнечной термоэлектроники (Yaghoobi et al., 2011, 2012), а также сочетание термоэмиссионных и туннельных явлений (автоэмиссионный тепловой двигатель) для повышения эффективности (Pan et al., 2014) являются примерами последнего.

Однако с такими разработками некоторые проблемы и возможности, описанные выше, становятся более явными, а также возникают новые. Например, измерение свойств материалов in situ в функциональных устройствах становится все более важным, поскольку большие температурные градиенты могут привести к значительным изменениям работы выхода, электрической и теплопроводности и т. Д.в пределах одного компонента устройства. Или взаимодействие между различными частями устройства, такое как туннелирование фотонов между эмиттером и коллектором при размерах зазора в микро / наноразмерном масштабе, может привести к фактически различным свойствам, которые не могут быть выведены из данных, собранных на изолированных материалах или компонентах.

Таким образом, сейчас крайне важно не только разработать новые экспериментальные и методы и стандарты определения характеристик на месте , но также обязательно создать теории, модели и инструменты моделирования, которые позволят провести точный анализ всего устройства во всестороннем Таким образом, решение обратной задачи, заключающейся в извлечении свойств материала и внутренних параметров устройства с высоким уровнем детализации и точности из измеренных характеристик внешнего устройства, также становится практической реальностью.

Резюме и заключительные мысли

Термоэлектронная эмиссия существует более века назад — возможно, старше самой вакуумной электроники. Возможно, по сравнению с отраслью электроники «обработка информации», которая добилась огромного прогресса в двадцатом веке, пережив вакуумную электронику и заменив ее твердотельной электроникой, за исключением конкретных приложений (хотя и с проблемами, с которыми сталкиваются твердотельные устройства , теперь есть повод возродить вакуумную электронику), ветвь вакуумной электроники, касающаяся «преобразования энергии», не достигла большого прогресса.Хотя термоэлектронные устройства также в значительной степени уступили место своим твердотельным аналогам, то есть термоэлектрическим устройствам, последние все еще далеки от зрелой технологии, в основном из-за сложности удержания и управления теплом и его потоком. Это отставание подчеркивает фундаментальную проблему преобразования энергии по сравнению с обработкой информации с помощью электроники, где поток двух величин — заряда и тепла — в отличие от одного — заряда — имеет первостепенное значение. Вакуум по самой своей природе создает большой барьер для теплопередачи — факт, который дает TEC фундаментальное преимущество перед термоэлектриками.С другой стороны, электроны естественным образом находятся в веществе, и вывести их в вакуум — сложный и часто тяжелый процесс. Вдобавок, когда они находятся в вакууме, заставить их вести себя так, как мы хотим, и идти туда, где это необходимо, далеко не тривиально, особенно для электронов с низкой кинетической энергией, с широким распределением энергии и высокой плотностью тока, как это часто бывает в термоэлектронике. . Как мы видели в предыдущей главе, на всех этих направлениях был достигнут большой прогресс. Продемонстрированы излучатели и коллекторы с низкой работой выхода и хорошей стабильностью.Процессы микротехнологии позволяют изготавливать устройства с очень точными размерами и размером / структурой зазора, а также проектировать пространственный заряд, умело манипулируя ландшафтом электрического поля в области зазора с помощью сеточных электродов. Таким образом, похоже, что многие из фундаментальных частей головоломки теперь готовы, чтобы мы могли, наконец, производить практические устройства с полезными уровнями производительности. Чего не хватало в недавней истории исследований и разработок в области TEC, так это согласованных усилий и сильного и сплоченного сообщества исследователей, обладающих достаточными ресурсами, чтобы продвигать столь необходимые технологические разработки и инновации.Настало время для такого крупного технологического рывка и совместных усилий по дальнейшему развитию фундаментальной науки, лежащей в основе ТЕС.

Авторские взносы

DG, JH и JG внесли свой вклад в разделы «Введение», «Предпосылки и основы» и «Резюме и заключительные мысли». JM, RW, AN и RN внесли свой вклад в разделы «Проблемы и последние достижения» и «Движение вперед».

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить всех участников семинара 2014 года по термоэлектронному преобразованию энергии для космических и наземных приложений, и особенно Уильяма Ф. Пакстона, Терренса Мушо и Тони Пэна за предоставленные рисунки 2, 4 и 6, соответственно. DG выражает признательность Национальному научному фонду под номером гранта 1254273. JH выражает признательность за поддержку как со стороны Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства в рамках стипендии НАСА по исследованию космических технологий, номер гранта NNX13AL78H, так и со стороны Фонда Артура Дж.Общество Шмитта через Президентское товарищество Артура Дж. Шмитта. AN выражает признательность за финансовую поддержку Совету по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (RGPIN-2017-04608, RGPAS-2017-507958, SPG-P 478867), Канадскому фонду инноваций, Фонду развития знаний Британской Колумбии, BCFRST / the British Колумбийский совет по инновациям и Институт перспективных исследований Питера Уолла. Это исследование было проведено частично благодаря финансированию из Канадского фонда передовых исследований, программы Quantum Materials and Future Technologies Programme.AN также благодарит CMC Microsystems за предоставление продуктов и услуг, которые способствовали проведению этого исследования. RN благодарит Управление военно-морских исследований за поддержку грантом N00014-10-1-0540.

Ссылки

Амодт Р. Л., Браун Л. Дж. И Николс Б. Д. (1962). Термоэмиссия молибдена в парах цезия и фторида цезия. J. Appl. Phys. 33, 2080–2085. DOI: 10.1063 / 1.1728899

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Адамс, С.Ф. (2006). Испытания солнечной термоэлектронной космической энергетики: историческая перспектива. Energy Convers. 813, 590–597. DOI: 10.1063 / 1.2169239

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бакшт Ф. Г., Дывжев Г. А., Марциновский А. М., Мойжес Б. Ю., Дикус Г. Ю., Сонин Е. Б. и др. (1978). Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. НАСА STI / Recon. Tech. Реп. N 80, 17579.

Google Scholar

Бармина, Е.В., Серков, А.А., Стратакис Э., Фотакис Ч., Столяров В. Н., Столяров И. Н. и др. (2012). Нанотекстурированный W демонстрирует улучшение термоэлектронных эмиссионных свойств. Заявл. Phys. А 106, 1–4. DOI: 10.1007 / s00339-011-6692-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беккер К. Х., Шенбах К. Х. и Иден Дж. Г. (2006). Микроплазмы и аппликации. J. Phys. D Прил. Phys. 39, R55 – R70. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 39/3 / R01

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бельбачир, Р.Ю., Ан, З., Оно, Т. (2014). Тепловое исследование термоэмиссионного генератора с микрозазором. J. Micromech. Microeng. 24, 85009. DOI: 10.1088 / 0960-1317 / 24/8/085009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дидерих, Л., Кюттель, О. М., Эби, П., и Шлапбах, Л. (1998). Электронное сродство и работа выхода разноориентированных и легированных поверхностей алмаза, определенные с помощью фотоэлектронной спектроскопии. Прибой. Sci. 418, 219–239. DOI: 10.1016 / S0039-6028 (98) 00718-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фицпатрик, Г.О., Бритт, Э. Дж., И Мойжес, Б. (1997). «Обновленный взгляд на потенциал термоэлектронного преобразования для удовлетворения потребностей в энергии 21 века», в материалах IECEC-97 32-й конференции по инженерии межобщественного преобразования энергии, 1997 г. , Гонолулу, штат Гавайи, 1045–1051.

Google Scholar

Фоменко, В. С. (1966). «Химические элементы», в справочнике по термоэлектронным свойствам , изд. Самсонов Г. В. (Нью-Йорк: Отдел данных прессы пленума). п. 5–68.

Google Scholar

Гибсон, Дж.W., Haas, G.A., и Thomas, R.E. (1989). Исследование скандатных катодов: эмиссионные, изготовление и активационные процессы. IEEE Trans. Электронные устройства 36, 209–214. DOI: 10.1109 / 16.21207

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Го, Д. Б., Венкаттраман, А. (2014). Микромасштабный газовый пробой: усиленная ионами полевая эмиссия и модифицированная кривая Пашена. J. Phys. D Прил. Phys. 47, 503001. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 47/50/503001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грабовский, С.P., Schneider, M., Nienhaus, H., Mönch, W., Dimitrov, R., Ambacher, O., et al. (2001). Сродство к электрону поверхностей Al x Ga 1 − x N (0001). Заявл. Phys. Lett. 78, 2503–2505. DOI: 10.1063 / 1.1367275

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грязнов, Г. М. (2000). 30-летие пуска Топаза — первого в мире термоэмиссионного ядерного реактора. At. Энергия 89, 510–515. DOI: 10.1007 / BF02673508

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хацопулос, Г.Н., и Гифтопулос Э. П. (1973). Термоэлектронное преобразование энергии Том I: Процессы и устройства . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Google Scholar

Hatsopoulos, G. N., и Gyftopoulos, E. P. (1979). Термоэлектронное преобразование энергии Том II: теория, технология и применение . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Google Scholar

Катаока, М., Чжу, К., Кек, Ф. А. М., и Неманич, Р. Дж. (2010). Термоэлектронная эмиссия гомоэпитаксиального алмаза, легированного азотом. Диаметр. Relat. Матер. 19, 110–113. DOI: 10.1016 / j.diamond.2009.09.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Халид К. А., Леонг Т. Дж. И Мохамед К. (2016). Обзор термоэмиссионных преобразователей энергии. IEEE Trans. Электронные устройства 63, 2231–2241. DOI: 10.1109 / TED.2016.2556751

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хошаман, А. Х., Фан, Х. Д. Э., Кох, А. Т., Савацки, Г. А., и Ноже, А. (2014). Наноструктурированная термоэлектроника для преобразования света в электричество: одновременное извлечение параметров устройства. IEEE Nanotechnol. Mag. 14, 4–15. DOI: 10.1109 / TNANO.2015.2426149

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хошаман, А. Х., Кох, А. Т., Чанг, М., Фан, Х. Д. Э., Могхаддам, М. В., и Ноже, А. (2015). Термионика, термоэлектрика и нанотехнологии: новые возможности для старых идей. IEEE Trans. Nanotechnol. 8, 624–632. DOI: 10.1109 / MNANO.2014.2313172

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Koeck, F.A.M., Nemanich, R.J., Баласубраманиам, Й., Хэнен, К., и Шарп, Дж. (2011). Повышенное термоэлектронное преобразование энергии и термоэлектронная эмиссия из легированных алмазных пленок под воздействием метана. Диаметр. Relat. Матер. 20, 1229–1233. DOI: 10.1016 / j.diamond.2011.06.032

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коек, Ф. А. М., Неманич, Р. Дж., Лазеа, А., и Хэнен, К. (2009). Термоэлектронная эмиссия из алмазных пленок с низкой работой выхода, легированных фосфором. Диаметр. Relat. Матер. 18, 789–791.DOI: 10.1016 / j.diamond.2009.01.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ленгмюр, И. (1913). Влияние объемного заряда и остаточных газов на термоэлектронные токи в высоком вакууме. Phys. Rev. 2, 450–486. DOI: 10.1103 / PhysRev.2.450

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Дж. Х., Баргатин И., Мелош Н. А. и Хоу Р. Т. (2012a). Оптимальный зазор эмиттер-коллектор для термоэлектронных преобразователей энергии. Заявл. Phys. Lett. 100, 173904.DOI: 10.1063 / 1.4707379

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж. Х., Баргатин, И., Гвинн, Т. О., Винсент, М., Литтау, К. А., Мабудиан, Р. и др. (2012b). «Микроэлектронный термоэлектронный преобразователь энергии из карбида кремния для выработки солнечной энергии», в 25-я Международная конференция IEEE 2012 г. по микроэлектромеханическим системам (MEMS), , Париж, 1261–1264.

Google Scholar

Ли, Дж. Х., Баргатин, И., Ивами, К., Литтау, К. А., Винсент, М., Maboudian, R., et al. (2012c). Герметичный термоэлектронный преобразователь энергии . 493–496. Доступно по адресу: http://bargatin.seas.upenn.edu/uploads/Main/bargatin 2012 Hilton Head 2.pdf

Google Scholar

Ли Дж. Х., Баргатин И., Вансил Б. К., Гвинн Т. О., Мабудиан Р., Мелош Н. А. и др. (2014). Излучатель с термоизоляцией и низкой работой выхода из микрофибры. J. Microelectromech. Syst. 23, 1182–1187. DOI: 10.1109 / JMEMS.2014.2307882

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лян, С.-J., И Анг, Л. К. (2015). Электронная термоэмиссия из графена и термоэлектронный преобразователь энергии. Phys. Rev. Appl. 3, 14002. DOI: 10.1103 / Physrevapplied.3.014002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Литтау К. А., Сахасрабуддх К., Барфилд Д., Юань Х., Шен З.-Х., Хоу Р. Т. и др. (2013). Термоэмиссионный преобразователь энергии с разделением на микрошарики и повышенным током эмиссии. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 14442–14446. DOI: 10.1039 / C3CP52895B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макдональд, Н.К., Чен, Л. Ю., Яо, Дж. Дж., Чжан, З. Л., Макмиллан, Дж. А., Томас, Д. К. и др. (1989). Селективное химическое осаждение из паровой фазы вольфрама для микроэлектромеханических структур. Сенсорные приводы 20, 123–133. DOI: 10.1016 / 0250-6874 (89) 87110-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маккарти, П. Т., Райфенбергер, Р. Г., и Фишер, Т. С. (2014). Термоэлектронная и фто-возбужденная электронная эмиссия для процессов преобразования энергии. Фронт. Energy Res. 2:54. DOI: 10.3389 / fenrg.2014.00054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Меир С., Стефанос К., Гебалле Т. Х. и Маннхарт Дж. (2013). Высокоэффективное термоэлектронное преобразование солнечной энергии и тепла в электрическую энергию. J. Renew. Поддерживать. Энергия 5, 43127. doi: 10.1063 / 1.4817730

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мойжес Б. Ю., Гебалле Т. Х. (2005). Термоэлектронный преобразователь энергии в качестве дополнительного цикла для более эффективных тепловых двигателей — новые конструкции триодов с продольным магнитным полем. J. Phys. D Прил. Phys. 38, 782. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 38/5/017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Национальный исследовательский совет. (2001). Thermionics Quo Vadis? Оценка программы DTRA Advanced Thermionics Research and Development Program . Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press. DOI: 10.17226 / 10254

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Неманич, Р. Дж., Бауман, П. К., Бенджамин, М. К., Кинг, С. В., ван дер Вейде, Дж.и Дэвис Р.Ф. (1996). Поверхности с отрицательным сродством к электрону нитрида алюминия и алмаза. Диаметр. Relat. Матер. 5, 790–796. DOI: 10.1016 / 0925-9635 (95) 00485-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Неманич, Р. Дж., Бильбро, Г. Л., Брайан, Э. Н., Кек, Ф. А., Смит, Дж. Р., и Танг, Ю. (2010). «Устройства с термоэлектронной и полевой эмиссией электронов из алмазных и углеродных наноструктур», , 2010 г., IEEE 3rd International Nanoelectronics Conference (INEC) , Hong Kong, 56–57.

Google Scholar

Норрис, В. Т. (1964). Работа выхода (110) грани тантала в парах цезия. J. Appl. Phys. 35, 467–469. DOI: 10.1063 / 1.1713395

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олаволе, О. К., и Де, Д. К. (2016). «Моделирование термоэлектронной эмиссии углеродных нанотрубок с помощью модифицированного уравнения Ричардсона-Душмана», в Proceedings Volume 9927, Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, and Devices XIII , eds E.М. Кампо, Э. А. Добиш и Л. А. Эльдада (Сан-Диего, Калифорния: Международное общество оптики и фотоники), 992716-1–992716-8. DOI: 10.1117 / 12.2231357

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пан Т., Буста Х., Горски Р., Розанский Б. (2014). «Обратное туннелирование электронов в автоэмиссионных тепловых двигателях», в техническом дайджесте — 2014 27-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике, IVNC (Энгельберг: Институт инженеров по электротехнике и электронике), 147–148.

Google Scholar

Пакстон У. Ф., Хауэлл М., Канг У. П. и Дэвидсон Дж. Л. (2012). Влияние водорода на термоэлектронную эмиссию поликристаллических пленок алмаза с включением азота. J. Vac. Sci. Technol. B Nanotechnol. Микроэлектрон. Матер. Процесс. Измер. Феном. 30, 21202. DOI: 10.1116 / 1.3684982

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пауэрс, М. Дж., Бенджамин, М. К., Портер, Л. М., Неманич, Р. Дж., Дэвис, Р. Ф., Куомо, Дж.J., et al. (1995). Наблюдение отрицательного электронного сродства к нитриду бора. Заявл. Phys. Lett. 67, 3912–3914. DOI: 10.1063 / 1.115315

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ричардсон, О. У. (1921). Эмиссия электричества из горячих тел . Лондон: Longmans, Green and Company.

Google Scholar

Ристейн, Дж. (2000). Электронные свойства алмазных поверхностей — благо или проклятие для устройств? Диаметр. Relat. Матер. 9, 1129–1137. DOI: 10.1016 / S0925-9635 (99) 00316-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сайто Ю., Хамагути К., Нишино Т., Хата К., Тодзи К., Касуя А. и др. (1997). Картины автоэмиссии однослойных углеродных нанотрубок. Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1340 – L1342. DOI: 10.1143 / JJAP.36.L1340

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schlichter, W. (1915). Die spontane elektronenemission glühender metalle und das glühelektrische element. Ann. Phys. 352, 573–640. DOI: 10.1002 / andp.19153521302

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоттки, W. (1914). Эмиссия электронов из лампы накаливания под действием тормозящего потенциала. Ann. Phys. 44, 1011–1032. DOI: 10.1002 / andp.19143491503

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schwede, J. W., Bargatin, I., Riley, D.C., Hardin, B.E., Rosenthal, S.J., Sun, Y., et al. (2010). Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия для солнечных концентраторов. Nat. Матер. 9, 762–767. DOI: 10,1038 / nmat2814

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schwede, J. W., Sarmiento, T., Narasimhan, V. K., Rosenthal, S.J., Riley, D.C., Schmitt, F., et al. (2013). Термоэлектронная эмиссия, усиленная фотонами, из гетероструктур с низкой межфазной рекомбинацией. Nat. Commun. 4, 1576. DOI: 10.1038 / ncomms2577

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шефсик П. (2010).Описание и сопоставление характеристик термоэмиссионного преобразователя: историческая перспектива. IEEE Trans. Plasma Sci. 38, 2041–2047. DOI: 10.1109 / TPS.2010.2050910

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, Дж. Р. (2013). Повышение эффективности термоэмиссионного двигателя с использованием коллектора с отрицательным сродством к электрону. J. Appl. Phys. 114, 164514. DOI: 10.1063 / 1.4826202

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, Дж. Р., Неманич, Р. Дж., И Бильбро, Г. Л. (2006). Влияние понижения барьера Шоттки и неплоской геометрии эмиттера на характеристики термоэмиссионного преобразователя энергии. Диаметр. Relat. Матер. 15, 870–874. DOI: 10.1016 / j.diamond.2005.12.057

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спиндт, К. А., Броди, И., Хамфри, Л., и Вестерберг, Е. Р. (1976). Физические свойства тонкопленочных автоэмиссионных катодов с молибденовыми конусами. J. Appl. Phys. 47, 5248–5263.DOI: 10.1063 / 1.322600

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сугино Т., Кимура К. и Ямамото Т. (2002). Электронная автоэлектронная эмиссия из нанопленок нитрида бора. Заявл. Phys. Lett. 80, 3602–3604. DOI: 10.1063 / 1.1477622

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сан, Т., Кек, Ф. А. М., Резикян, А., Трейси, М. М. Дж., И Неманич, Р. Дж. (2014). Термоусиленная фотоиндуцированная электронная эмиссия из легированных азотом алмазных пленок на кремниевых подложках. Phys. Ред. B 90, 121302. DOI: 10.1103 / PhysRevB.90.121302

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тивари, А.К., Госс, Дж. П., Бриддон, П. Р., Хорсфолл, А. Б., Райт, Н. Г., Джонс, Р. и др. (2014). Неожиданное изменение сродства к электрону алмаза, вызванное ультратонкими пленками оксида переходного металла. Europhys. Lett. 108, 46005. doi: 10.1209 / 0295-5075 / 108/46005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Trucchi, D. M., and Melosh, N.А. (2017). Электронно-эмиссионные материалы: достижения, применения и модели. MRS Bull. 42, 488–492. DOI: 10.1557 / mrs.2017.142

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vahdani Moghaddam, M., Yaghoobi, P., Sawatzky, G.A., and Nojeh, A. (2015). Непроницаемый для фотонов, проницаемый для электронов: лес углеродных нанотрубок как среда для многофотонной термофотоэмиссии. ACS Nano 9, 4064. doi: 10.1021 / acsnano.5b00115

CrossRef Полный текст | Google Scholar

van der Weide, J., Zhang, Z., Baumann, P.K, Wensell, M.G., Bernholc, J., and Nemanich, R.J. (1994). Эффекты отрицательного сродства к электрону на поверхности алмаза (100). Phys. Ред. B 50, 5803–5806. DOI: 10.1103 / PhysRevB.50.5803

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фош В., Ванке Р., Растегар И., Браун В., Крибус А. и Маннхарт Дж. (2017). Концепция накопления высокотемпературной скрытой тепловой энергии на основе термоэлектронного преобразования энергии. Energy Technol. DOI: 10.1002 / ente.201700273

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ванке, Р., Хассинк, Дж. У. Дж., Стефанос, К., Растегар, И., Браун, В., и Маннхарт, Дж. (2016). Термоэлектронное преобразование энергии без магнитного поля на основе графена и родственных ему двумерных материалов. J. Appl. Phys. 119, 244507. DOI: 10.1063 / 1.4955073

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ванке, Р., Веш, В., Растегар, И., Кириазис, А., Браун, В., и Маннхарт, Дж. (2017).Преобразование энергии в термоэлектронике: концепции и материалы. MRS Bull. 42, 518–524. DOI: 10.1557 / mrs.2017.140

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уилсон, В. К. (1959). Преобразование тепла в электричество за счет термоэлектронной эмиссии. J. Appl. Phys. 30, 475–481. DOI: 10.1063 / 1.1702391

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ягуби П., Могхаддам М. В. и Нодже А. (2011). «Тепловая ловушка»: локализованный нагрев под действием света и термоэлектронная эмиссия из массивов углеродных нанотрубок. Solid State Commun. 151, 1105–1108. DOI: 10.1016 / j.ssc.2011.05.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ягуби П., Вахдани Могхаддам М. и Нодже А. (2012). Солнечный источник электронов и термоэлектронный фотоэлемент. AIP Adv. 2, 42139. DOI: 10.1063 / 1.4766942

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zanin, H., May, P. W., Fermin, D. J., Plana, D., Vieira, S. M. C., Milne, W. I., et al. (2014). Пористые электроды из легированного бором алмаза / углеродных нанотрубок. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 6, 990–995. DOI: 10.1021 / am4044344

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zeisel, R., Bayerl, M. W., Goennenwein, S. T. B., Dimitrov, R., Ambacher, O., Brandt, M. S., et al. (2000). DX-поведение Si в AlN. Phys. Ред. B 61, R16283 – R16286. DOI: 10.1103 / PhysRevB.61.R16283

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Щелочные тепловые электрические генераторы AMTEC

Щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь (AMTEC)

AMTEC — это электрохимическое устройство для прямого преобразования тепла в электричество.Используется рециркуляционный рабочая жидкость из щелочного металла (натрия или калия), проходящая через твердый электролит в замкнутом контуре для получения поток электронов во внешней нагрузке.

Устройства

AMTEC зависят от уникальных свойств некоторых твердых керамических электролитов, таких как β «или P» оксид алюминия, которые благодаря своей кристаллической структуре очень хороши. проводники ионов, но плохие проводники электронов.

Рабочая жидкость приводится в движение по замкнутому термодинамическому циклу между источником тепла и радиатором, поддерживаемым при разных температурах, а во время паровой фазы цикла — доступная работа от изотермического расширения рабочего тела, когда оно проходит через электролит. преобразуется непосредственно в электроэнергию.

Принцип работы AMTEC

На схеме ниже показаны основные компоненты системы.

Термодинамический цикл работает следующим образом:

  • Твердоэлектролитная ОСНОВА, являющаяся проводником положительные ионы, но изолятор для электронов расположены в контуре рабочего тела натрия, и в нем поддерживается высокая разница температур.
  • Тепло добавляется на стороне анода, повышая температуру натрия до более чем 1000 ° K, вызывая его испарение и повышение его давления до более чем 20 килопаскалей.
  • На холодной стороне устройства тепло отводится, так что температура падает ниже 700 ° K, а давление, соответственно, ниже 100 Па. Несмотря на то, что это «холодная» сторона, температура все еще относительно высока, потому что натрий должен храниться в жидкой форме.
  • На анодной поверхности BASE нейтральные атомы натрия в паре ионизируются, высвобождая электроны. (Окисление — атом теряет электрон) Образующиеся ионы натрия поглощают скрытую теплоту испарения.
  • Из-за большого перепада давления на BASE и ее дифференциальная проводимость между электронами и ионами, положительные ионы натрия диффундируют через BASE к катоду, в то время как электроды обеспечивают путь проводимости для свободных электронов, которые вместо этого проходят через внешнюю нагрузку, выполняя полезную работу на своем пути к катоду где они рекомбинируются с ионами натрия для преобразования нейтрализованных паров металлического натрия.(Редукция — ион набирает электрон)
  • На холодной стороне пар выделяет скрытую теплоту испарения и конденсируется в жидкий натрий, который транспортируется обратно на горячую сторону с помощью электромагнитного насоса или в небольших системах с помощью простого пассивного фитильного механизма.
  • Вернувшись к горячей стороне, натрий снова испаряется в испарителе, и цикл начинается снова.

Выходное напряжение между электродами находится в пределах 1.4 и 1,6 В постоянного тока.

В системе нет движущихся частей, и она будет продолжать вырабатывать электроэнергию до тех пор, пока в систему поступает тепло и поддерживается разность температур на БАЗЕ.

КПД

Цикл AMTEC нагрева пара натрия для повышения его давления с последующим его расширением и падением давления в твердом электролите и последующим охлаждением может рассматриваться как тепловой двигатель, максимальная теоретическая (идеальная) эффективность преобразования энергии или КПД Карно. цикла определяется как (1-T c / T h ) * 100% , где T h — температура на горячей стороне устройства, а T c — это температура на холодной стороне устройства.В приведенном выше примере КПД Карно равен (1-700/1000) * 100, что составляет 30%, хотя 40% теоретически возможно при более высокой рабочей температуре.

Однако на практике самый высокий КПД преобразования, который был достигнут с устройствами AMTEC, составляет чуть более 20%, и это очень выгодно отличается от альтернативных устройств прямого преобразования энергии, таких как матрицы полупроводниковых термопар (ТЭГ), которые обычно имеют КПД от 5% до 7%. Это особенно важно для батарей, таких как радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG), используемых в космических аппаратах, поскольку масса радиоактивного источника тепла, необходимого устройству AMTEC для производства заданного количества электроэнергии, будет составлять только четверть массы, необходимой для эквивалентный термопарный преобразователь энергии.Это приводит к огромной экономии массы системы, количества топлива и стоимости.

Поскольку устройство AMTEC не имеет движущихся частей и использует замкнутый тепловой цикл, его общая эффективность преобразования также выгодно отличается от обычных систем преобразования энергии паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые имеют значительную неэффективность сгорания, потери на трение и в случае ДВС , насосные потери. В то время как эффективность всех трех систем страдает из-за потерь тепла, системы паровых турбин и ДВС должны работать в гораздо более высоких диапазонах температур, чтобы достичь достаточно высокого КПД Карно, чтобы компенсировать дополнительные потери.См. Также эффективность теплового двигателя.

См. Также Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (1) Термоэлектричество

История

Вернуться к Обзор электроэнергетики

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *