термоэмиссионный способ преобразования тепловой энергии в электрическую

Формула изобретения

ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ, включающий заполнение парами легкоионизирующего вещества пространства между эмиттером и коллектором преобразователя, выполненными из материалов, удовлетворяющих выражению

_C< _E,

где _C и _E - соответственно работа выхода коллектора и эмиттера в рабочем режиме,

нагрев эмиттера и одновременное охлаждение коллектора, отличающийся тем, что давление паров легкоионизирующегося вещества выбирают из выражения

d < _e,

где d - величина межэлектродного зазора;

- длина свободного пробега электронов,

эмиттер, соединенный с коллектором индуктивностью, выбранной из выражения

R_l < U/I_н,

где R_l - омическое сопротивление индуктивности;

U - контактная разность потенциалов (_E- _C);

I_н - ток насыщения преобразователя,

нагревают до температуры, выбранной из выражений

П_D<d,



W_p= KТ(1+2_p)/2 ,

где n^o_e⁺ - концентрация эмиттированных электронов вблизи эмиттера;

_P - безразмерный потенциал плазмы;

e - заряд электрона;

T - температура эмиттера;

K - постоянная Больцмана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается проблем преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано для создания эффективных источников электрической энергии, например, для питания бортовой аппаратуры космических аппаратов, автономного снабжения электроэнергией удаленных объектов и на транспорте. В технике преобразования тепловой энергии в электрическую известен термоэмиссионный способ получения электрической энергии, в котором преобразователь является источником постоянного тока. Для преобразования постоянного тока в переменный могут быть использованы полупроводниковые преобразователи, но из-за высоких температур и высокого уровня радиации полупроводниковые элементы необходимо располагать на далеком расстоянии от реактора-преобразователя. Чтобы избежать омических потерь, приходится соединения выводить с помощью толстых шин, что сильно увеличивает массогабаритные характеристики преобразователя. Поэтому для преобразования постоянного тока в переменный используют плазменные управляемые ключевые элементы или плазменные модуляторы, которые являются дополнительными устройствами в термоэмиссионных преобразователях энергии, что приводит к снижению надежности работы преобразователя и также к увеличению массогабаритных характеристик. Известен способ получения переменного тока на основе термоэмиссионных преобразователей в ТRACE-реакторе. Недостатками такого способа является сложная коммутация термоэмиссионных преобразователей в TRACE-реакторе и необходимость наличия специальных устройств для подачи мощных управляющих импульсов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является термоэмиссионный способ преобразования тепловой энергии в электрическую, в котором ток генерируется за счет эмиссии с горячего эмиттера, а напряжение образуется за счет разности работ выхода горячего эмиттера и относительно холодного коллектора. Межэлектродное пространство заполнено парами легко ионизующегося вещества (обычно цезия), ионы которого используются для компенсации пространственного заряда электронов.

Недостаток этого способа заключается в том, что он дает возможность получать только постоянный ток с довольно низким (около 1В) напряжением и высокой плотностью тока. Для получения высоких напряжений преобразователи коммутируют последовательно с помощью толстых шин. При таком способе коммутации снижается надежность работы преобразователя и увеличиваются его массогабаритные характеристики.

Цель изобретения -получение переменного тока и повышение напряжения.

Это достигается тем, что в известном способе выбирают режим, обеспечивающий развитие апериодической неустойчивости Пирса, причем давление паров легкоионизующегося вещества выбирают из условия

_е>d, где _е - длина свободного пробега электронов; d - величина межэлектродного зазора,

а эмиттер, соединен с коллектором индуктивностью, удовлетворяющей условию

R_L U/I_н, где R_L - омическое сопротивление индуктивности; U= _E- _C, _Е и _С - работа выхода эмиттера и коллектора в рабочих условиях; I_н - ток насыщения преобразователя, который нагревают до температуры, удовлетворяющей условию

_D<d, где _D - дебаевский радиус в плазме; _D= (W_p/(2 e²_p))^1/2; n_р=n^o_e⁺exp(_p)(1-erf; W_p=kT (1+2_p)/2; n_e⁰⁺- концентрация эмиттированных электронов вблизи эмиттера; _p - безразмерный потенциал плазмы; е - заряд электрона; Т - температура эмиттера; k - постоянная Больцмана.

Изобретение позволяет получать переменный ток непосредственно в термоэмиссионном преобразователе. В основе способа лежат теоретические исследования нестационарных процессов в кнудсеновском диоде с поверхностной ионизацией. Разработан метод решения самосогласованной системы нестационарных кинетических уравнений и уравнения Пуассона, показывающий, что характерной особенностью ТЭП в кнудсеновском режиме является развитие неустойчивости в плазме. За счет самоорганизации на определенной стадии процесса в плазме образуются структуры, которые приводят к резкому ограничению тока. Эти структуры оказываются достаточно устойчивыми, распространяются с ионной скоростью и, как правило, исчезают только на электродах. Время, необходимое для возникновения такой структуры, оказывается исключительно малым (несколько наносекунд) и определяется временем развития апериодической неустойчивости типа Пирса. Практически в момент развития этой неустойчивости происходит резкий обрыв тока. Необходимым условием для развития неустойчивости является условие _е>d, т.е. режим для электронов должен быть бесстолкновительным. Включение столкновений приводит к разрушению плазменных структур и исчезновению неустойчивости. Это условие выполняют за счет подбора давления паров легкоионизующегося вещества и величины межэлектродного зазора. Для достижения высоких удельных мощностей необходимо повышать давление паров легкоионизующегося вещества и, следовательно, уменьшать величину межэлектродного зазора. Однако _D<d, где _D=(W_p/(2 e²n_p))^1/2 - дебаевский радиус в пучковой квазинейтральной плазме; W_p - средняя энергия электронов в плазме; n_p - их средняя концентрация.

Это условие следует из модели Пирса для кнудсеновского диода с поверхностной ионизацией (КДПИ), по которой величина _D является порогом развития неустойчивости. Это условие достигают повышением температуры эмиттера. При этом происходит сильное увеличение тока и концентрации плазмы, что является основным фактором, который приводит к резкому уменьшению дебаевского радиуса.

Экспериментально установлено, что в ТЭП в кнудсеновском режиме с поверхностной ионизацией на вольтамперной характеристике (ВАХ) в области насыщения развиваются колебания электронного тока большой амплитуды, причем амплитуда в некоторых случаях достигает 80% от предельного значения. Период колебаний изменяется пропорционально зазору и близок к времени пробега ионов через зазор. Наибольшая амплитуда колебания тока на ВАХ достигается при напряжениях, близких к точке короткого замыкания. Для того, чтобы войти в область колебаний, подбирают нагрузку с достаточно малым омическим сопротивлением из условия

R< Соединяя эмиттер и коллектор индуктивностью или первичной обмоткой трансформатора с малым омическим сопротивлением, добиваются сильной положительной обратной связи, что приводит к полному обрыву тока. Индуктивность или вторичная обмотка трансформатора могут быть элементом широтно-импульсного преобразователя (см. чертеж). Величина индуктивности выбирается из условия

L=U/If, где f - частота колебаний. После обрыва тока магнитная энергия, накопленная на индуктивности, выделяется в виде высоковольтного импульса обратной полярности. Этот импульс проходит через диод и накапливается на емкости С, с которой энергия снимается на нагрузочное сопротивление.При отборе энергии из индуктивности ток в цепи ТЭП - индуктивность падает до низкого уровня и рабочая точка на вольтамперной характеристике смещается в окрестность точки холостого хода. После отпирания ТЭП ток в цепи ТЭП - индуктивность начинает возрастать, причем скорость возрастания определяется величиной индуктивности. По достижении неустойчивой точки на вольтамперной характеристике процесс повторяется.

Таким образом, в предлагаемом способе преобразование тепловой энергии в переменный ток осуществляют за счет развития процессов неустойчивости в плазме. Для возникновения апериодической неустойчивости необходимо подобрать режимы так, чтобы с одной стороны величина межэлектродного зазора d была меньше длины свободного пробега электронов d< _e, а с другой - больше дебаевского радиуса d > _D. Для того, чтобы произвести накопление магнитной энергии и попасть в точку на вольтамперной характеристике, где развиваются наибольшие колебания, эмиттер и коллектор соединяют индуктивностью, с достаточно малым омическим сопротивлением R_L<< U/I_н. Решение указанной задачи достижимо при наличии совокупности выше описанных признаков.

В термоэмиссионном преобразователе в кнудсеновском режиме с поверхностной ионизацией плазма оказывается сильно неравновесной и в ней при определенных условиях развиваются колебательные процессы. В результате на вольтамперной характеристике появляются участки с резкими колебаниями тока. Особенно большие по амплитуде колебания наблюдаются при напряжениях по абсолютной величине близких или меньших контактной разности потенциалов

UU_крп, где U_крп= _Е- _С. Вблизи контактной разности потенциалов находится также и точка максимальной мощности. Колебания тока мешают получению максимальной мощности и воспринимаются как высокочастотные шумы. Поэтому от них стараются избавиться разными способами. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют изучить структуру колебательных процессов и найти условия, при которых они могут быть использованы для получения переменного тока. В предлагаемом способе впервые использован эффект самоорганизации в плазме, в результате которого можно получить переменный ток.

В известных в настоящее время способах постоянный ток, получаемый в термоэмиссионном преобразователе, преобразуется в переменный с помощью дополнительных устройств: управляемых плазменных триодов или диодов-модуляторов. В предлагаемом же способе преобразование тепловой энергии в энергию переменного тока осуществляют непосредственно в самом термоэмиссионном преобразователе, что также является существенным отличием. Известен способ вывода энергии переменного тока из реактора непосредственно на первичную обмотку трансформатора, предложенный ранее в проекте TRACE-реактора. Однако в этом проекте для создания переменного тока предлагалось использовать внешний импульсный разряд между эмиттером и коллектором, а импульс тока снимать с ТЭП за время распада плазмы в межэлектродном промежутке.

Предлагаемый способ проверен и подтвержден экспериментально в термоэмиссионном преобразователе с цезиевым наполнением. В диапазоне давления паров цезия от 10^-4 до 10^-2 тор наблюдаются нелинейные колебания. При этих давлениях длина свободного пробега электронов меняется от 20 см до 2 мм. Величину межэлектродного зазора варьируют от 0,2 до 2 мм так, чтобы выполнить условие _е>d. Температуру эмиттера изменяют от 2000 до 2500 К, а величину плотности проходящего тока - от 0,5 до 50 А/см². При этих условиях радиус Дебая _D не превышает 10 мкм и много меньше d. Омическое сопротивление индуктивности выбирается достаточно малым (как правило, меньше 0,5 Ом), и в исследуемом диапазоне токов всегда можно выполнить условие R<. Величину индуктивности меняют 1-100 мкГн.

На чертеже показана схема включения элементов внешней цепи, поясняющая способ. При параметрах давление цезия 10^-4 тор, температура эмиттера 2500К, температура коллектора 1400К, величина зазора 1 мм, _е20 см, а _D 3 мкм. Величина индуктивности 75 мкГн и имеет омическое сопротивление 0,3 Ом. После прерывания тока в преобразователе энергия, запасенная в индуктивности, передается на накопительную емкость С и на нагрузку R_н. Диод предотвращает разряд емкости через индуктивность после прекращения тока в преобразователе. При увеличении тока, снимаемого с ТЭП, величина индуктивности, необходимой для промежуточного накопления энергии, становится меньше. При токе 100 А характерная индуктивность оказывается порядка 1 мкГн.

Таким образом, экспериментальные результаты подтверждают, что предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в переменный ток можно реализовать на практике.

В предлагаемом способе ТЭП становится источником переменного тока и в отличие от прототипа допускается любой вариант коммутации. Переменное напряжение может быть трансформировано в более высокое напряжение с меньшим током и передаваться к потребителю по более тонким шинам. В результате повышается надежность и снижаются массогабаритные характеристики преобразователя.

Несмотря на то, что возможность построения на основе ТЭП источника переменного тока не является непременным условием реализации сверхвысокотемпературного ТЭП, такое решение проблемы вывода электрической мощности высокой плотности из ТЭП является весьма заманчивым. Вывод энергии в виде высоковольтных импульсов позволяет принципиально по-новому решать архитектуру энергетической установки на основе ТЭП. В частности, возможна модульная структура установки с исключением последовательной коммутации отдельных элементов, что существенно повышает надежность работы энергоустановки.

Следует отметить, что в последнее десятилетие получены важные фундаментальные результаты в синергетике. Установлено, что в открытых системах, имеющих источники и стоки вещества или энергии, могут развиваться процессы, связанные с образованием упорядоченных структур. Особенно интересные исследования проведены применительно к химическим и биологическим системам. Однако существенных результатов в прикладном плане получено не было. Предлагаемый способ непосредственного получения переменного тока в ТЭП представляет собой реальный практический результат синергетики.