Процесс нагрева металла аналогичен закачке воды на вершину холма, где более горячий катод действует как водяной насос. Чем выше холм, тем больше энергии можно извлечь, когда вода течет вниз, и чем выше напряжение, тем больше энергии можно получить от электрона во внешней электрической цепи

Термоэлектронное преобразование энергии - это процесс, посредством которого тепловая энергия может быть преобразована в электричество.

Несмотря на то, что термоэлектронные преобразователи исторически были ограничены в использовании своей низкой эффективностью, недавние достижения в науке могут сделать термоэлектронное преобразование энергии в определенных случаях конкурентоспособным способом ее генерации.

Что такое термоэлектронное или иногда называемое термоионное преобразование?

Термоэлектронный преобразователь в своей простейшей форме состоит из двух металлических элементов с разными температурами и электростатическими потенциалами. В термоэлектронном преобразователе более холодный металл, называемый анодом, - это место, куда движутся электроны, а более горячий, называемый катодом, - это место, где они генерируются и испускаются в процессе термоэлектронной эмиссии. Для беспрепятственного прохождения электронов между анодом и катодом создается вакуум.

Катод нагревают до очень высокой температуры, позволяя электронам получать достаточно тепловой энергии для выхода из катода, преодолевая энергетический барьер (рис. 1). Испускаемые электроны движутся к аноду, и поскольку на анод передается более высокий потенциал, часть энергии, которую электроны получают от нагрева, может быть передана во внешнюю электрическую цепь.

Энергетическая схема термоэлектронного преобразователя

Рис. 1. Энергетическая схема термоэлектронного преобразователя. Электроны выходят из горячего катода (слева) и накапливаются на холодном аноде (справа). Изгиб энергетических зон катода позволяет некоторым электронам туннелировать. Источник: Simon Swifter

Простая аналогия: когда вода качается в гору, где напор соответствует ее высоте, то выход энергии происходит во время спуска воды вниз по склону. Процесс нагрева металла аналогичен закачке воды на вершину холма, где более горячий катод действует как водяной насос. Чем выше холм, тем больше энергии можно извлечь, когда вода течет вниз, и чем выше напряжение, тем больше энергии можно получить от электрона во внешней электрической цепи.

Термоэлектронное преобразование энергии не является новой концепцией. В 1958 году Уилсон описал простой термоэлектронный преобразователь с эффективностью преобразования энергии 9,2%, что означает, что на каждый джоуль тепла, поступающего в катод, из анода может быть извлечено 0,092 Дж энергии в виде электричества. [1]

Этот преобразователь имел катод и анод из вольфрама и молибдена соответственно. Они были заключены в стеклянную трубку, накачанную газом цезием, чтобы облегчить процесс термоэлектронной эмиссии. [1] С тех пор многие технологические методы и процессы были усовершенствованы.

Преимущества и проблемы преобразования термоэлектронной энергии

У термоэлектронных есть определенные преимущества перед другими преобразователями энергии, такими как традиционный тепловой двигатель Карно, который преобразует тепло в механическую энергию в форме работы.

Одним из таких преимуществ является то, что в энергетической системе отсутствуют движущиеся элементы, что позволяет добиться очень длительного срока ее эксплуатации. Кроме того, термоэлектронные преобразователи могут быть изготовлены в гораздо меньших масштабах, чем двигатель Карно, что открывает двери возможностям преобразования тепловой энергии на микроуровне.

Основной проблемой преобразования термоэлектронной энергии является низкая энергетическая эффективность по сравнению с двигателями Карно. Большие механические тепловые двигатели, такие как паровые турбины, на практике имеют эффективность около 40%. [1]

Между тем термоэлектронные преобразователи имеют практический предел энергетической эффективности около 20%. [1] Основным фактором, вызывающим проблему низкой эффективности, является работа электродов.

Доступная энергия, подлежащая извлечению, пропорциональна разнице потенциалов двух электродов. Поверхности материала электрода служат барьером для эмиссии электронов, и поэтому необходимо выбирать такой материал, чтобы избегать высоких энергетических барьеров.

Другим недостатком эффективности этих систем является то, что называется эффектом пространственного заряда. Электроны заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга. Когда происходит термоэлектронная эмиссия, электроны рассеиваются в области между катодом и анодом и выталкивают другие электроны, которые исходят от катода, препятствуя их попаданию на анод. Это резко снижает эффективность преобразователя. [2] Ранние преобразователи решили эту проблему, введя ионизированные (положительно заряженные) газы в область между катодом и анодом, однако эффективность устройства всё ещё оставалась низкой.

Последние достижения технологий в области термоэлектронной эмиссии

Пройдя долгий путь от простого термоэлектронного преобразователя Уилсона 1950-х годов, несколько технологических достижений сделали процесс термоэлектронной эмиссии коммерчески жизнеспособным вариантом генерации энергии в некоторых областях применения.

Одним из способов повышения производительности преобразователей является разработка методов улучшения проводящей способности пространства между катодом и анодом. Исследователи писали, как уменьшение расстояния между катодом и анодом может смягчить эффект пространственного заряда без необходимости использования ионизированного газа или плазмы. [2]

Однако, если зазор оказывается слишком мал, тепло может непосредственно перетекать от катода к аноду, снижая потенциальную энергию электродов. Исследователи обнаружили, что оптимальная ширина зазора находится в диапазоне от 900 нм до 3 мкм, в зависимости от температуры горячего катода. [2] Расчетная максимальная эффективность преобразования составляет 23% для катода при 1227°C, делая этот процесс пригодным для различных областей применения. [2]

Другим способом может стать использование нанотехнологий для получения необходимых свойств поверхности катода и анода, чтобы повысить эффективность процесса преобразования. Путем нанесения на материалы определенного рисунка нанометрового размера инженеры могут регулировать процесс термоэлектронной эмиссии между анодом и катодом.

Усовершенствованные материалы необходимы для извлечения как можно большего количества энергии из испускаемых электронов. Одним из примеров является гексаборид лантана, который может значительно улучшить показатели электродов. [3]

Кроме этого, изготовление преобразователя в тонких слоях или изготовление нанопроволок на поверхности эмиттера позволяет электронам туннелировать от катода к аноду, не преодолевая эмиссионный барьер, что повышает общую эффективность устройства. [4,5]

Применение термоэлектронных преобразователей энергии

Одной из областей применения термоэлектронных преобразователей является повышение эффективности электростанций, работающих на ископаемом топливе. Эти установки работают при температуре свыше 1700°C, а турбинам обычно требуется всего 530-1030°C. [5] Избыточное сбросное тепло может использоваться для питания термоэлектронного преобразователя, повышая общую эффективность энергетических установок.

В 1973 году было подсчитано, что эффективность устройства термоядерного синтеза может быть увеличена с 41,3% до 47% за счет применения термоэлектронных преобразователей. [5]

Еще одним применением термоэлектронной энергии является оптимизация энергопотребления в доме. Избыточное тепло от водогрейных котлов или газовых горелок может быть преобразовано в электричество, позволяя экономить на счетах за коммунальные услуги.

Заключение

Термоэлектронное преобразование энергии - перспективное направление. Проблемы пространственного заряда и сложность в поиске подходящих материалов частично были решены за счет последних технологических достижений и сделали ее действующим методом преобразования энергии в промышленных и жилых помещениях.

Несколько компаний пытаются коммерциализировать эту технологию, чтобы конкурировать с традиционными формами преобразования тепловой энергии, например, с паровыми турбинами.

 

Источник:

Simon Swifter. «Термоэлектронный преобразователь как источник чистой энергии»

Ссылки:

[1] V. C. Wilson, «Преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектронной эмиссии», J. Appl. Phys. 30, 475 (1959).

[2] J. H. Lee и соавторы, «Оптимальный зазор излучатель-коллектор для термоэлектронных преобразователей», Appl. Phys. Lett. 100, 173904 (2012).

[3] Ahmed, H. и Broers, A. N. «Лантан гексаборидный электронный эмиттер» J. Appl. Phys. 43, 21852192 (1972).

[4] T. Zeng, «Термоэлектронно-туннельные многослойные наноструктуры для производства электроэнергии, применение», Appl. Phys. Lett. 88, 25 (2006).

[5] K. A. A. Khalid, T. J. Leong, и K. Mohamed, «Обзор термоэлектронных преобразователей энергии», IEEE Trans. Electron Dev. 63, 2231 (2016).

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

  • Дата:23.06.2020
  • Просмотры:288
  • Источник: Stanford University

Другие публикации по теме