Сайт "Cner"

Развитие телеуправления, телеметрии, автоматики требует новых эффективных источников электроэнергии для питания выносной аппаратуры.

К таким источникам относятся термобатареи (термопары), использующие термоэлектрический эффект. Потребляя тепловую энергию солнечных лучей или другого источника, термобатареи вырабатывают электрическую энергию. Термоэлектрический генератор работает по этому принципу. Однако он имеет весьма низкий кпд (в лучшем случае 10%). Тепло хорошо распространяется по элементам термоспая, при этом наблюдаются большие потери тепла, а разность температур горячего и холодного элементов спая невелика. Этим и объясняется низкий кпд.

В последнее время появились новые преобразователи тепловой энергии в электрическую, так называемые термоэлектронные преобразователи или генераторы. По устройству они напоминают вакуумные диоды, поэтому принцип их работы можно разобрать, на примере вакуумного диода.

Электроны в горячем катоде движутся хаотически. Чем выше температура катода, тем выше средняя скорость и кинетическая энергия электронов. При некоторой температуре катода энергия электронов становится достаточной для их вылета из катода. В вакуумных диодах, применяемых в радиоаппаратуре, электроны устремляются к аноду под действием его ускоряющего поля. В термоэлектронных генераторах такого поля нет, поэтому энергия электронов должна быть достаточно большой для того, чтобы они могли попасть на анод.

Анод электровакуумного диода аналогичен коллектору термоэлектронного генератора, а катод — эмиттеру. Электроны, достигающие коллектора, создают на нем отрицательный заряд и между эмиттером и коллектором возникает тормозящее поле. Часть своей энергии электроны затрачивают на преодоление тормозящего действия этого поля. Чем выше температура эмиттера, тем большая часть электронов обладает энергией, достаточной для преодоления тормозящего поля и тем выше выходное напряжение генератора. Электроны, испускаемые эмиттером, образуют пространственный заряд, который в сильной мере ограничивает ток, протекающий через диод.

Интерес к термоэлектронным генераторам объясняется тем, что от них ожидают более высокого кпд, чем у термоэлектрических генераторов. Предполагается; что можно создать термоэлектронные генераторы с кпд, равным 30%. Это предположение основано на том, что если горячий эмиттер отделен от коллектора средой с весьма низкой теплопроводностью, то потери тепла уменьшаются, следовательно, кпд повышается.

В настоящее время усилия конструкторов термоэлектронных генераторов направлены на устранение влияния пространственного заряда. Предложено три способа, позволяющих нейтрализовать действие этого заряда.

Первый способ сводится к уменьшению зазора между эмиттером и коллектором до предельно допустимого. Это дает определенный выигрыш, поскольку плотность тока в преобразователе обратно пропорциональна величине зазора между его электродами. Уже созданы вакуумные преобразователи с зазором около 0,01 мм и плотностью тока около 1 а/см2. При этом возникают серьезные конструктивные трудности, так как крепление электродов должно быть достаточно жестким во избежание короткого замыкания между ними, в то же время материал крепления должен обладать весьма низкой теплопроводностью для уменьшения потерь тепла.



На рис. 1 изображена конструкция термоэлектронного генератора, предназначенного для преобразования тепловой энергии выхлопных газов реактивных двигателей в электрическую. Генератор состоит из тонкой изолирующей трубки 1, по которой проходят горячие газы, на трубу насажены ребра-эмиттеры 2. Каждое ребро с двух сторон охвачено коллектором 3 и вместе с ним представляет собой отдельный элемент. Все элементы могут соединяться либо последовательно, либо параллельно. Преобразователь дает кпд, равный 10%.

Суть второго способа состоит в нейтрализации отрицательного заряда электронов положительными ионами. С этой целью пространство между эмиттером и коллектором заполняется каким-либо легко ионизирующимся газом, например парами цезия. При высокой температуре эмиттера (выше 2000°С) атомы цезия ионизируются. Положительные ионы цезия в. межэлектродном пространстве вместе со свободными электронами образуют плазму. Плазма обладает высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью.

Материал эмиттера следует выбирать так, чтобы энергия электрона, достаточная для его вылета с эмиттера, была выше потенциала ионизации паров цезия.

Для образования плазмы можно использовать не только нагревание, но и гамма-излучение.

На рис. 2 изображена конструкция термоэлектронного преобразователя, так называемой лос-аламоской (по месту разработки) плазменной термопары. Источником тепловой энергии и ионизирующего гамма-излучения для этого преобразователя служила реакция в атомном реакторе. При температуре эмиттера 2700°К и коллектора 1700°К от преобразователя удалось получить полезную мощность около 30 Вт.



На рис. 3 показан созданный в США экспериментальный образец преобразователя, использующего тепловую энергию выхлопных газов ракетных двигателей. Преобразователь состоит из двух коаксиальных цилиндров длиной 300 мм и наружным диаметром 44 мм. Эмиттер — Рис. 2. внутренний цилиндр из молибдена с танталовой гильзой, для увеличения эмиссии нагревается выхлопными газами до 2500°.  Коллектор — внешний медный цилиндр с никелевым покрытием. Расстояние между цилиндрами около 1 мм и это пространство заполнено парами цезия, атомы которых ионизируются при соударении с поверхностью горячего эмиттера. Кроме того, пары цезия, оседая на холодном коллекторе, понижают его эмиссионную способность. Мощность такого преобразователя 270 Вт, выходное напряжение около 1 В, вес -1,5 кг.

По третьему способу для нейтрализации пространственного заряда предложено использовать постоянные магнитные и электрические поля. Этот способ использован в так называемом магнитном триоде (рис. 4).

Магнитный триод состоит из горячего эмиттера 1, холодного коллектора 2 и ускоряющего электрода 3. Электроны, вылетающие с горячего эмиттера, ускоряются электрическим полем между электродами 1 и 3, созданным батареей 4. Однако под действием магнитного поля, направление которого перпендикулярно направлению электрического, электроны отклоняются к коллектору. Они движутся по циклоиде. В идеальном триоде энергия батареи не должна расходоваться, поскольку затраченная на ускорение электро- -нов, вылетающих с эмиттера, она должна восполняться при падении электронов на коллектор, не должна расходоваться и энергия магнитного поля, поскольку силовые линии поля перпендикулярны направлению движения электронов.



При отсутствии пространственного заряда и столкновений с молекулами остатков газа электроны могут достигнуть коллектора, не потеряв энергии. Предполагают, что кпд такого преобразователя (50—70%) может быть выше, чем кпд преобразователей, выполненных по типу диода, так как ускоряющий электрод может служить тепловым экраном, снижающим тепловые потери. Однако практических образцов магнитных триодов пока нет, так как даже небольшой ток в цепи ускоряющего электрода при сравнительно высоком напряжении на нем вызывает большие потери энергии. Для получения практического применения магнитных триодов необходимо уменьшить ток потерь до 1% от общего тока.



В настоящее время уже ведутся опыты по практическому использованию термоэлектронных генераторов в атомных электростанциях. Это позволит упростить процесс производства электроэнергии. Атомный реактор в виде сплошного цилиндра (рис. 5) помещают внутрь системы, состоящей из нескольких пар коаксиальных цилиндров. Каждая пара таких цилиндров — термоэлектронный генератор. Генераторы могут быть включены как параллельно, так и последовательно. Предполагается, что мощность такого преобразователя (весом 560 кг) составит 27 лет. Для работы термоэлектронного преобразователя нужна довольно высокая температура (около 1100°С), что почти вдвое превышает верхний предел температуры, достигнутой в современных реакторах. Поэтому в настоящее время работают над повышением рабочей температуры реакторов и над снижением рабочей температуры преобразователей.

За рубежом делаются попытки применить термоэлектронные генераторы для питания радиоаппаратуры, установленной на ракетах. Источником тепловой энергии служат выхлопные газы реактивных двигателей.

Для повышения эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую может быть полезно сочетать термоэлектронные генераторы с термоэлектрическими, работающими при более низких температурах. Термоэлектронные источники питания только начинают выходить из научных лабораторий и охватить все возможные случаи их практического применения пока трудно.