Термоэмиссионный преобразователь энергии

(ТЭП) термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии (См. Термоэлектронная эмиссия). Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком (рис. 1). К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал.

Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получает тепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит «электронный газ» (электроны «испаряются» с эмиттера — нагревателя и «конденсируются» на коллекторе — холодильнике), то кпд ТЭП не может превосходить кпд Карно цикла. Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5— 1 в), — порядка контактной разности потенциалов (См. Контактная разность потенциалов), но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах (рис.

2). Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а 1 см2 поверхности. Для получения оптимальных величин работы выхода (См. Работа выхода) эмиттера (2,5—2,8 эв) и коллектора (1,0—1,7 эв) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде (Поверхностная ионизация), так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих — ионизируется).

В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме — наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700—2000 К на катоде и 800—1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см2 поверхности катода) достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%. По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа (в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор «Топаз» электрической мощностью около 10 квт. В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением Гелиоконцентраторов).

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

Лит. Елисеев В. Б., Пятницкий А. П., Сергеев Д. И., Термоэмиссионные преобразователи энергии, М., 1970. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма, М., 1973. Технология термоэмиссионных преобразователей. Справочник, под ред. С. В. Рябикова, М., 1974. Н. С. Лидоренко. Рис. 1. Схема термоэмиссионного преобразователя. К — катод, или эмиттер. А — анод, или коллектор. R — внешняя нагрузка. QК — тепло, подводимое к катоду. QА — тепло, отводимое от анода. 1 — атомы цезия. 2 — ионы цезия. 3 — электроны. Рис. 2. Распределение потенциальной энергии электронов в межэлектродном зазоре при недостаточной концентрации ионов цезия (1), в условиях компенсации объёмного заряда (2) и в дуговом режиме (3). УФК и УФА — уровни Ферми катода (эмиттера) и анода (коллектора).

E — энергия. EК и EА — работа выхода катода и анода. ΔV3, ΔVпр и V — падение напряжения соответственно на межэлектродном зазоре, на коммутационных приводах и во внешней цепи. Е — заряд электрона. D — межэлектродное расстояние..