Конспект лекцій до самостійного вивчення розділів з дисципліни

Вид материала

Конспект

Содержание Актуальність: ознайомлення з принципом дії термоелектричних генераторів Електричний струм - це рух вільних електронів, не пов'язаних з атомами, як це буває в іонізованому газі. В ідеальному ізоляторі усякий електрон міцно пов'язаний зі своїм атомом. Отже, у напівпровідниках можна отримати термо-е.р.с. набагато більшою ніж у металах Радіолампи розрізняють за числом електродів: діод має два електроди (анод і катод); тріод - три електроди, тетрод - чотири і т.д Зворотною емісією Просторовий заряд V (до визначеної межі); 3) низька температура анода; 4) мала величина роботи виходу з анода U V зростає не нескінченно, а досягає деякого максимуму при визначеній величині V Катодний матеріал Анодний матеріал Контрольні запитання

Подобный материал:

• Короткий конспект лекцій для самостійного вивчення дисципліни „ухвалено, 1135.56kb.
• Конспект самостійного вивчення з навчальної дисципліни, 929.88kb.
• Конспект лекцій з дисципліни „Радіоекологія для студентів спеціальності 040106  „Екологія,, 1393.76kb.
• Конспект лекцій вступ метою дисципліни "Економіка підприємства", 822.54kb.
• І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Менеджмент», 620.87kb.
• І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Маркетинг», 454.74kb.
• Методичні рекомендації з дидактичним забезпеченням до самостійного вивчення дисципліни, 942.14kb.
• Навчально-методичний посібник для самостійного вивчення модуля дисципліни, 3343.26kb.
• Конспект лекцій Удвох частинах Частина 2 Суми, 1998.47kb.
• Конспект лекцій Удвох частинах Частина 1 Суми, 2323.63kb.

ЛЕКЦІЯ № 5. Термоелектричні генератори .

Актуальність: ознайомлення з принципом дії термоелектричних генераторів


План :

1. Електрони у металах.

2. Напівпровідники.

3.Термоелектричне перетворення енергії у напівпровідниках

4. Високі температури і пов'язані з ними проблеми.

5.Використання ядерних реакторів для термоелектричного генерування струму.

6. Ситуація сьогодення та перспективи.

7. Питання для самоконтролю.

1. Електрони у металах.
   

Добре відомо, що більша частина металів при кімнатній температурі є прекрасними провідниками струму. Електричний струм - це рух вільних електронів, не пов'язаних з атомами, як це буває в іонізованому газі. Але як ми помітили, щоб відірвати електрони від атомів у газі, треба запасти енергію (наприклад, теплову). А в металах існує багато вільних електронів навіть при кімнатній температурі. Так, у 1 см³ металу, який добре проводить електричний струм, число вільних електронів дорівнює приблизно 6*10²¹, іншими словами, майже по одному вільному електрону на будь-який атом металу.

Ці вільні електрони рухаються хаотично. У міру підвищення температури їх рух стає все більш енергійним. Отже, якщо один кінець металевого стрижня підігріти, то електрони на цьому кінці будуть рухатися енергійніше, ніж до підігрівання. У результаті встановиться переважаюче переміщення електронів від підігрітого кінця стрижня до охолодженого, як це показано на рис. 5.1.




Рис. 5.1.


У результаті подібного регулярного переміщення електронів у стрижні, звичайно, з’являється електричний струм, про який можна впевнено сказати, що він викликаний підігріванням одного з кінців стрижня. Отже, перед нами найпростіший прилад з прямого перетворення теплоти в електричну енергію: один кінець стрижня нагрівається і ним проходить електричний струм. Усе це виглядає надто просто. Але ця простота, як ми побачимо, мінлива, якщо проаналізувати, що ж вийде, коли ми спробуємо використати струм для здійснення корисної роботи. Термоелектричний метод генерування електрики, заснований на використанні ефекту Зеебека, вважався у ті часи можливим конкурентом батарей; у 1843р. на ім'я Мозеса Пула було видано патент на прилад, названий термоелектричною батареєю, який було призначено для заміни вольтової батареї.

Термоелектрична батарея складається з кількох послідовно з'єднаних термопар. При цьому е.р.с. усіх термопар додається. На жаль, при цьому збільшується і внутрішній опір батареї, тому частина загальної напруги іде на подолання цього опору й не може бути використана для виконання зовнішньої роботи. Але шляхом правильного підбору різних металів, з метою можливого підвищення е.р.с. і зведення до мінімуму внутрішнього опору термоелектричних батарей, вдалось підвищити ККД до 3%, тобто перевищити ККД існуючих тоді парових машин. З того часу минуло сторіччя, але не дивлячись на те, що термопари широко використовуються для вимірювання температур, підвищити їх ККД так і не вдалось. Мабуть, тут вже досягли межі.

2. Напівпровідники.

У другій половині минулого століття ситуація істотно змінилася у зв'язку з відкриттям та розробкою напівпровідників, які стоять за своїми властивостями між провідниками та ізоляторами.

В ідеальному ізоляторі усякий електрон міцно пов'язаний зі своїм атомом. Він обертається визначеною орбітою навколо ядра атома, але вирватись на волю і блукати, як електрони у металі, він не може. Таких ідеальних ізоляторів у природі не існує, але є багато матеріалів (скло, янтар і т.п.), у яких концентрація вільних електронів настільки мала, що вони фактично не проводять електричний струм і практично, у більшості призначень, можуть вважатись абсолютними ізоляторами. Мабуть, у подібних матеріалах один вільний електрон припадає приблизно на 10¹² атомів, тоді як у деяких металах, які мають більш вищу електропровідність, майже на кожен атом припадає по вільному електрону. А у напівпровідниках один вільний носій заряду припадає приблизно на 1000 атомів. У напівпровідникових матеріалах носіями зарядів можуть бути не тільки електрони. Напівпровідники, у залежності від характеру провідності, поділяються на три категорії: напівпровідники n-типу, напівпровідники р-типу і власне напівпровідники. Напівпровідникам n-типу властиві носії негативних зарядів, напівпровідникам р-типу - носії позитивних зарядів, а у справжніх напівпровідниках існує рівне число носіїв зарядів обох знаків. Носії негативних зарядів у напівпровідниках, як і у металах - це, звичайно, електрони. Носії ж позитивних зарядів утворюються через нестачу електронів у визначених точках кристалічної решітки. Така місцева нестача негативного заряду виявляє себе як позитивний заряд і достатньо чітко називається "позитивною діркою". Ці дірки здатні переміщуватись подібно бульбашкам у рідині, завдяки чому утворюється перенос позитивних зарядів.

Розглянута схема напівпровідників, яка вірна у загальних рисах, усе ж за необхідністю надзвичайно спрощена. Зокрема, уважний читач міг би сказати, що з нашої розповіді про напівпровідникові матеріали р-типу виходить, що вони несуть великий сумарний позитивний заряд, оскільки в 1 см³ матеріалу р-типу існує близько 6*10¹⁸ позитивних дірок. Але такого надлишкового заряду у мікроскопічному масштабі ми не спостерігаємо, тому що місцева нестача електронів, що веде себе подібно носію позитивних зарядів, компенсується надлишком електронів десь ще у кристалі, а сам кристал залишається у цілому нейтральним.

Виробництво напівпровідників стало великою самостійною галуззю промисловості. Концентрацією та знаком носіїв зарядів часто вдається керувати, вводячи відповідні домішки у матеріал і тим самим змінюючи його склад у потрібному напрямі. Деякі напівпровідники, наприклад, пропускають електричний струм переважно в одному напрямку. Ця здатність напівпровідникових матеріалів виправляти струм дозволила використовувати їх у транзисторах портативних радіоприймачів і т.д. Інші напівпровідникові матеріали, особливо кремній, знаходять усе більш розширене використання у фотоелектричних елементах для прямого перетворення сонячного світла в електроенергію.


3. Термоелектричне перетворення енергії

у напівпровідниках

Цей розділ ми розпочали з розповіді про металевий стрижень, що підігрівається з одного кінця. Таке нагрівання викликає переміщення електронів від гарячого кінця стрижня до холодного, завдяки чому між кінцями стрижня виникає різниця напруги. Як показали досліди Столєтова, ця різниця завжди пропорційна різниці температур кінців стрижня незалежно від того, з якого металу він виготовлений. Пізніше, коли з'явились напівпровідники, було встановлено, що стрижні, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, володіють подібними властивостями: якщо один кінець такого стрижня нагріти, то виникає різниця напруги (термо-е.р.с.), яка пропорційна різниці температури кінців стрижня.

Але є одна важлива відмінність між термо-е.р.с. у напівпровідниках і у металах. При одній і тій же різниці температур у напівпровідниках виникає термо-е.р.с., у 40 з надлишком разів перевищуюча термо-е.р.с. у металах. Так, якщо у типовому металі різниці температур у 55°С відповідає термо-е.р.с. 0,2 - 0,3 мВ, то в такому поширеному напівпровіднику, яким є телурид вісмуту, тому ж перепаду температур відповідає термо-е.р.с. близько 10 мВ. Із зростанням різниці температур термо-е.р.с. зростає і в металах, і у напівпровідниках, при будь-якій різниці температур термо-е.р.с. у напівпровіднику завжди у 40-50 разів більша ніж у металі.

Отже, у напівпровідниках можна отримати термо-е.р.с. набагато більшою ніж у металах. Тут можуть заперечити, що цю перевагу отримано ціною використання матеріалів, що мають більш високий електричний опір, ніж метали. Отже, у напівпровідниковому термоелектричному генераторі внутрішній опір повинен бути більшим. Але шляхом досконалого регулювання процесів виготовлення присадки домішок і т.д. можна без збитку для величини термо-е.р.с. напівпровідника досягти, щоб його електричний опір залишався достатньо низьким. Звичайно, доводиться миритись з тим, що опором напівпровідники поступаються металам, але цей недолік компенсується різким підвищенням термо-е.р.с.

Ще однією цінною властивістю напівпровідників з точки зору їх використання у термоелектричних генераторах є те, що вони володіють достатньо доброю теплоізолюючою властивістю. Метали проводять тепло так само добре, як і електричний струм. Це означає, що тепло, яке проводиться гарячим спаєм металевої термопари, без труднощів поширюється до холодного спаю. Це тягне за собою вирівнювання температур обох спаїв і, отже, зниження величини генеруючої термо-е.р.с., оскільки вона пропорційна різниці температур. Ідеальним був би матеріал, який являвся б ідеальним провідником електричного струму, будучи у той час ідеальним теплоізолятором.

Генератор, створений на основі подібного матеріалу був би, як це очевидно, надзвичайно економічним, оскільки у ньому був би відсутній внутрішній опір і він міг би працювати при дуже великих різницях температур гарячого і холодного спаю. Навряд чи можна казати, що такого ідеального матеріалу не існує, але у цілому напівпровідники надзвичайно ближче до нього, ніж метали. Гаряча плазма різних видів ще більше наближена до нього, і “плазмові термопари” уже створені.

З метою суттєвого підвищення вихідної потужності й економічності термоелектричних генераторів можна використовувати ще одночасно напівпровідники обох типів (n і р). В обох гілках носії зарядів переміщуються від гарячого спаю до холодного. Оскільки, напрямок електричного струму прийнято вважати напрямком руху позитивного заряду (протилежний руху негативного заряду), це означає, що гілкою з р-напівпровідника струм піде від гарячого спаю до холодного, а у гілці з n-напівпровідника - навпаки, від холодного спаю до гарячого. У результаті струми обох гілок складаються. Якщо ж носії зарядів в обох гілках позитивні або негативні, то тоді струми у них взаємопротилежні.

Домовленість про те, що напрямок струму вважається напрямком руху позитивних зарядів була нами прийнята тільки заради зручності.

Результати анітрохи не змінюються, якщо ми змінимо напрямок руху всіх струмів на протилежні. Як і раніше, у першому випадку струми в обох гілках посилюють один одного, а в останніх двох - залишаються взаємопротилежними.


4. Високі температури і пов'язані

з ними проблеми.

Практично напівпровідниковий термоелектричний генератор повинен складатись з багатьох термопар, з'єднаних послідовно.

Справа ускладнюється тим, що властивості напівпровідників змінюються з температурою, тому для будь-якого даного матеріалу найкраще поєднання властивостей існує тільки у невеликому інтервалі температур. З іншого боку, як ми вже знаємо, щоб отримати високу корисну напругу на виході з термопари, потрібна велика різниця температур між гарячими та холодними спаями. Цю складність можна подолати шляхом створення термоелектричної батареї, у якій гілки розділені на ступені, виготовлені з двох різних матеріалів, кожен з яких найбільш ефективний у своєму діапазоні температур. Напівпровідники для роботи при температурах до 535°С уже створені. Але, очевидно, знадобиться температуру гарячого спаю довести до рівня понад 1100°С, зручного для промислового термоелектричного генератора.

При таких високих температурах усі відомі нам напівпровідники виявляють тенденцію до перетворення у власне напівпровідники, тобто до переходу у такий стан, у якому носії і позитивних, і негативних зарядів присутні порівно незалежно від того, який тип носія переважав при низьких температурах. Побачимо, що відбувається у тому випадку, коли вздовж напівпровідника, який перейшов у стан власне напівпровідника, існує перепад температури. Позитивні і негативні заряди почнуть переміщуватись у рівних кількостях від гарячого кінця до холодного. У результаті сумарний заряд ніде накопичуватись не буде, оскільки позитивні та негативні заряди врівноважують один одного. Таким чином, у напівпровіднику, який став власне напівпровідником, термо-е.р.с. не виникає. Тому така речовина повністю непотрібна для цілей термоелектричного генерування струму.

Але ще перед тим, як напівпровідник стане власне напівпровідником, властивості, пов'язані з належністю напівпровідника до того чи іншого типу, стають усе менш яскраво вираженими у результаті появи додаткових носіїв зарядів. Тому не можна казати про величину термо-е.р.с. речовини безвідносно до визначеного інтервалу температур. Таким чином, зроблений нами дещо раніше висновок про властивості телуриду вісмуту був неповним: якщо при звичайних температурах це поєднання має високу термо-е.р.с., то при температурах понад 150°С воно цю властивість втрачає, оскільки матеріал стає власне напівпровідником.

Зрозуміло, що є вагомі причини, які спонукають створити такі напівпровідники, які не перетворились би у власне напівпровідники при температурі близько 1100°С. Одним з найперспективніших способів є присадка у малій кількості ретельно підібраних домішок до речовин, які у природному стані володіють властивостями ізоляторів. Так, чистий окис нікелю - ізолятор, але якщо до нього увести 3% літію, то він стане напівпровідником. Очевидно, присутність літію веде до послаблення сил, утримуючих електрони на орбітах навколо ядер атомів нікелю. У результаті під дією нагрівання ці електрони легко відриваються і стають носіями зарядів.

Поки що пошуки подібних нових напівпровідників ведуться у відомій мірі всліпу. В одних випадках введення визначених домішок дає потрібний ефект, а в інших не дає нічого. До речі важливо не тільки знайти потрібну домішку, бо тут вирішальну роль відіграє пропорція, у якій ця домішка додається. Елементарна теорія напівпровідників, яка була викладена тут у загальних рисах, не завжди дає задовільне пояснення подібним примхам у поведінці матеріалу. Потреба у створенні нової, більш точної теоретичної картини визнається вже майже всіма спеціалістами, що працюють у цій сфері.

Подальші труднощі пов'язано з виготовленням термопар з цих нових матеріалів і з подальшим їх збиранням у термоелектричні батареї. Ці операції, зрозуміло, потрібно виконувати так, щоб величина опору у місцях контакту різних матеріалів була б якомога меншою, оскільки великий контактний опір діяв так само, як і внутрішній опір речовини, тобто знижував би економічність генератора.

При температурах 260-310°С термоелектричні батареї потрібно ізолювати від повітря, щоб передбачити корозію, яка тягне за собою забруднення спаїв.

Гарна конструкція передбачає разом з тим вибір найкориснішої форми термоелектричної батареї, щоб і теплові, й електричні збитки у ній не були надмірними. Так, для того щоб теплові збитки були малими, кожен елемент повинен мати невеликий поперечний надріз. Це дозволяє скоротити витік тепла від гарячого спаю до холодного. З іншого боку, площу поперечного надрізу не можна зробити надто малою, бо вона буде заважати електричному струму. У цілому кажучи, для будь-якого матеріалу треба шукати своє найбільш ефективне вирішення на шляху до компромісу.


5. Використання ядерних реакторів

для термоелектричного генерування струму.

Те, що говорилось до цих пір, у рівній мірі додамо і на термоелектричні генератори, які використовують тепло від атомного реактора. В останньому випадку, до ускладнень, що викликаються корозією та високими температурами, додається ще й небезпека радіаційного руйнування матеріалів.

Поки що дуже мало відомо про те, як поводять себе термоелектричні матеріали під впливом тривалого інтенсивного ядерного опромінення, тобто в умовах, які існують у великому енергетичному реакторі. Однією з основних причин такого стану справ була нестача реакторів, у яких можна було б термоелектричні матеріали піддати тривалим випробуванням в умовах, що відтворюють реальні умови експлуатації. Правда, деякі матеріали, наприклад, окис нікелю, оброблений літієм, піддавались опроміненню у дослідних реакторах і ніяких помітних змін своїх термоелектричних властивостей при цьому і в подальшому не мали. Але не можна забувати, що багатомісячне опромінення у невеликому дослідному реакторі може бути еквівалентним тільки декільком добам або навіть годинам опромінення у великому енергетичному реакторі, у якому потік випромінювань, здатних породити радіаційне пошкодження, значно інтенсивніше.

Якщо вдасться знайти такі термоелектричні матеріали, які під дією тривалого ядерного випромінювання при високих температурах не будуть понадміру забруднюватись і скільки-небудь істотно поглинати нейтрони, то атомний реактор як джерело тепла повинен володіти значними перевагами, у порівнянні з існуючими способами спалювання палива. Спалювання звичайного палива вимагає кисню. Це означає, що до горілок повинен подаватись безперервний потік повітря або кисню. Гарячі газоподібні продукти згорання виходять у димову трубу, тому тепло, яке виходить з ними, уже не використовується для нагрівання гарячих спаїв термоелектричної батареї. Можна створити установку такої конструкції, у якій частина тепла газів, що виходить, використовувалась би на підігрівання допоміжних котлів і т.д. Але, зрозуміло, ще більш економно було б взагалі виключити витік тепла у димову трубу.

Це можливо у ядерному реакторі, де тепло утворюється у процесі ядерного ділення всередині тепловиділяючих елементів. На відміну від хімічної реакції горіння, процес ядерного поділу у підводі кисню не потребує. Завдяки цьому можливим є безпосередній контакт гарячого спаю з ядерним паливом. До речі, на практиці буває і так, що подібна оболонка не потрібна.

У кінці кінців, можна зробити ще один крок, помістивши ядерне паливо всередину термоелектричної батареї. Як це вже відмічалось у попередньому розділі, подільний газ можна використовувати у якості робочого тіла для МГД-генераторів; неважко уявити собі і термоелектричну батарею з тепловиділяючими (твердими) термоелементами. У даному випадку можливі були б і такі матеріали, як сульфіди урану і торію, оскільки вони одночасно є і подільними речовинами, і володіють напівпровідниковими властивостями. Правда, поки ще не відомо, як довго вони здатні зберігати свої термоелектричні властивості в умовах працюючого ядерного реактора. Відмітимо, що у ній нема окремого елемента з ядерним паливом, оскільки тепло виділяється у процесі розділення ядер у самих напівпровідниках n- і р-типів, що використовуються в термоелектричній батареї.

У термоелектричних батареях внутрішні спаї гарячі, а ті, що омиваються охолоджувачем - холодні. Якщо підтримувати температуру гарячих спаїв на рівні, скажімо, 1100°С, то для так званих холодних спаїв цілком достатньою є температура близько 540⁰С. У цьому випадку охолоджувач, який омиває спаї, нагріється достатньо для того, щоб його можна було використовувати для виробництва пари, яка приводить до обертання звичайний турбогенератор.

Існує інша схема, у якій термоелектричний генератор сам використовує відходи тепла від звичайного турбогенератора. Ці відходи тепла є ні що інше, як відпрацьована пара, температура якої складає всього близько 100⁰С. При такому істотному обмеженні температури гарячих спаїв термоелектричний генератор не може бути достатньо економічним при роботі на “останній сходинці” установки. З іншого боку, такі низькі температури і відсутність радіаційних впливів набагато спрощують задачу створення потрібних матеріалів.


6. Ситуація сьогодення та перспективи.

Як уже відмічалось, у стрижні з добрими термоелектричними властивостями при різниці температур на кінцях, рівною 55°С, утворюється термо-е.р.с. близько 10 мВ. Якщо різницю температур довести, наприклад, до 550°С, то термоелектричні властивості матеріалу зникають. Але давайте уявимо, що у нас є термопара, у якій обидві гілки складені з коротких кусків різних матеріалів, кожен з яких ефективний у своєму інтервалі температур. Уявимо далі, що ми можемо отримати на виході з такої термопари напругу 100 мВ, підтримуючи між гарячими та холодними спаями різницю температур 550°С. Термоелектрична батарея, складена з 10 таких термопар, при послідовному поєднанні дає напругу 1В.

Звідси випливає, що з термоелектричними генераторами, рівно як і з паливними елементами, або з МГД-генераторами, пов'язано завдання перетворення постійного струму низької напруги, що отримується з генераторів, у постійний струм високої напруги, яка частіше за все потрібна у практичних потребах. Тут же потрібно відмітити, що якщо вдасться створити термоелектричні генератори, які будуть працювати всередині ядерних реакторів, то отримання постійного струму високої напруги, якщо така знадобиться, вже є не складним. У типовому енергетичному реакторі можна розмістити 40-50 тис. тепловиділяючих елементів; якщо у кожен такий елемент вмонтувати термобатарею, що виробляє струм з напругою 1-2 В, і якщо ці термобатареї поєднати послідовно, то на виході можна отримати напругу у декілька тисяч вольт.

Для опису існуючої ситуації потрібно вказати, що, коли писалась дана робота, уже демонструвались з великим успіхом лабораторні моделі термоелектричних генераторів, які давали на виході потужність від 1 Вт до 10 кВт. У цих моделях гарячі спаї підігрівались теплом від спалювання звичайного палива. Проектні розрахунки показують, що втрати тепла з продуктами згорання, які вилітають у трубу, й інші практичні недоліки повинні зменшувати економічність подібних генераторів, якщо їх потужність зробити більше 10 кВт. Для зниження великих потужностей, як бачимо, знадобиться пряме підігрівання за умови, що тепловиділяючі елементи будуть або виключені, або ж вмонтовані у термоелементи.

Створення подібних генераторів повинно залежати від результатів пошуку матеріалів, які б зберігали термоелектричні властивості в умовах тривалого ядерного опромінення при високій температурі. Було б неправильно досліджувати експериментально поспіль усі перспективні (та безперспективні) матеріали. Тому відбір матеріалів для випробувань повинен проходити у більшій мірі з теоретичних міркувань. Для цього, від фізиків-теоретиків вимагається розширити та уточнити уявлення про напівпровідники. Більш детальне розуміння того, що у них відбувається, дозволяє нам виключити з роботи зі створення нових термоелектричних матеріалів пошуки наосліп. Між іншим, не випускається з поля зору і можливість використання рідких термоелектричних матеріалів. У кінцевому рахунку вони можуть знайти собі використання при температурах, вищих за температуру розплаву кращих твердих термоелектричних матеріалів. Найбільш серйозними труднощами, які доведеться подолати для того, щоб можна було використовувати рідину при високих температурах, є корозія та конвекція. Конвекція - це перенос тепла потоками, що циркулюють у рідині: рідина стикається з гарячим спаєм, розширюється і стає менш щільною. Завдяки цьому підігріта рідина витискується більш холодною і піднімається вверх. Більш холодна рідина у свою чергу починає поглинати тепло і потім підніматись, поступаючись місцем поблизу гарячого спаю менш нагрітій рідині. Таким чином встановиться постійний відтік рідини від гарячого спаю до холодного. Звичайно, у рідині, як і у твердому тілі перенесення тепла здійснюється завдяки звичайної теплопровідності (перенесення тепла унаслідок коливань атомів, а не внаслідок переносу маси). Конвекційне перенесення тепла можливе тільки у рідинах та газах. Таким чином, у рідині діють два механізми перенесення тепла від гарячого спаю до холодного - теплопровідність і конвекція. Це істотно ускладнює задачу підтримки великої різниці температур, необхідної для створення на виході з батареї термо-е.р.с. достатньої величини.

Теоретичний максимальний ККД термоелектричного генератора визначається характеристикою використаного у генераторі термоелектричного матеріалу. Ця характеристика складається з таких властивостей, як теплопровідність і електропровідність матеріалу, а також величини термо-е.р.с., яка утворюється при даній різниці температур. При використанні наших матеріалів максимальна теоретична величина ККД рівна приблизно 20%. Окремі вчені вважають, що, виходячи з відомих даних для існуючих матеріалів, цю цифру можна довести до 30 і навіть 35%.

Важливо, однак, не плутати цей теоретично максимальний ККД з ККД, який практично досягається в існуючих приладах (5-6%). У чому причина такої різниці?

Головна причина це те, що, як ми вже бачили, у генераторах, які працюють на звичайному хімічному паливі, більша частина тепла просто виходить у трубу, не беручи участі у підігріванні гарячих спаїв термоелектричної батареї. Виробіток енергії у промислових масштабах вимагає того, щоб реальний загальний ККД зробити якомога ближче до теоретичного максимуму. У зв'язку з цим значно перспективніше у якості джерела підігрівання виглядає ядерне, а не звичайне хімічне паливо.

Більш низький ККД іноді допускається для невеликих установок, коли більш важливу роль грає не економічність, а комфорт, портативність і т.д.


Література (Л.2, стор.118 – 122).


7.Питання для самоконтролю.

1. В чому полягає природа електропровідності металів? Наведіть приклад найпростішого приладу з прямого перетворення теплоти в електричну енергію.

2. Які відмінності має провідність в напівпровідниках?

3. В чому полягає принцип дії термогенератора на напівпровідниках?

4. В чому проявляються складнощі перетворення теплової енергії в електричну в напівпровідникових термогенераторах?

5. Які складнощі має використання ядерних реакторів для термоелектричного генерування струму?

6. Які перспективи розвитку та використання мають термогенератори?


ЛЕКЦІЯ № 6. Термоіонні генератори.

Актуальність: ознайомлення з принципом дії термоіонних генераторів.


План :

1. Радіолампи як перетворювачі енергії.

2. Електрони у діоді.

3. Шлях підвищення коефіцієнта корисної дії..

4. Усунення просторового заряду.

5. Питання для самоконтролю.


1. Радіолампи як перетворювачі енергії.

Радіолампи як перетворювачі енергії. Дію звичайної радіолампи засновано на найстарішому з принципів відомих у радіоелектроніці, а саме на принципі, випадково відкритому у 1883 р. Томасом Едісоном. Коли Едісон працював над створенням електричної лампи, він робив у кожній колбочці дві незалежні нитки накалювання, включаючи в ланцюг щораз одну нитку. Коли перша нитка перегоряла, винахідник повертав лампу у патроні й у такий спосіб включав у ланцюг другу нитку накалювання. Випробовуючи ці лампи, Едісон знайшов, що і з тієї нитки, яка не включена в ланцюг, можна знімати слабкий електричний струм. З'ясувалося, що через вакуум у колбі електричної лампи від нагрітої нитки до холодної проходить певна кількість струму. Колбочка електричної лампи діяла як радіолампа, у якій при нагріванні катода з його поверхні ніби "випаровуються" електрони.

Радіолампи розрізняють за числом електродів: діод має два електроди (анод і катод); тріод - три електроди, тетрод - чотири і т.д.

Ці електрони рухаються до анода. І далі - зовнішнім ланцюгом, утворюючи електричний струм (рис. 6.1). Неважко побачити, що такий пристрій діє як прямий перетворювач, що перетворює тепло, підведене до катода, в електричний струм на аноді.

У типовій діодній радіолампі потужність, що витрачається на нагрівання катода, досягає приблизно 10 Вт, тоді як вихідна потужність, яка знімається з анода, складає близько 1 мкВт. Таким чином, потужність, витрачена на нагрівання, перевищує потужність на виході з лампи приблизно у 10⁷ разів. ККД такого діода, якщо розглядати його як термоелектричний перетворювач, дорівнює 0,00001%.

Електрони, що “випаровуються” з поверхні катода, рухаються до анода, утворюючи електричний струм.

Така винятково мала величина ККД не грає істотної ролі при використанні діода у його прямому призначенні (у якості випрямляча) у радіоапаратурі, де необхідна сила струму не перевищує декількох мікроамперів. Але при промисловому виробленні електроенергії ККД навіть у мільйон разів більше був би занадто низьким, щоб подібний пристрій можна було розглядати всерйоз. Може здатися, що це занадто важкоздійсненне замовлення - підвищити величину ККД у мільйон із зайвим разів. Проте це було зроблено. В останніх експериментах з діодними перетворювачами енергії їх ККД вдалося довести до 20%. Це вже починає виглядати досить перспективним з метою економічного вироблення електроенергії у великих масштабах.





Величина ККД, зрозуміло, не єдина проблема, що має бути вирішена. Ми ще повернемося до інших практичних труднощів (до високих температур і т.д.). Але, щоб зрозуміти, яким чином можна досягти такого колосального підвищення величини ККД, потрібно спочатку ознайомитися трохи докладніше з тим, що ж відбувається усередині діодної лампи.


2. Електрони у діоді.

Електрони у діоді. Як уже відзначалося у попередньому розділі, електричний струм у металах утворюють вільні електрони, не зв’язані з атомами, а в 1см³ гарного металевого провідника їх нараховується близько 6*10²¹. Навіть коли макроскопічний струм існує, ці електрони знаходяться в хаотичному русі, що прискорюється з підвищенням температури. При звичайних температурах електрони не можуть вилетіти з металу: їм заважає електричний потенційний бар'єр на поверхні металу. Цей потенційний бар'єр виникає у результаті того, що на електрон поблизу поверхні діє сила притягання нерухомих позитивних зарядів атомів металу. Електрон, що знаходиться у глибині металу, оточений з усіх боків позитивними зарядами, як це показано на рис. 6.2, а. Електрон не відчуває ніякого результативного притяжіння, оскільки дія будь-якого позитивного заряду, що притягує електрон, скажімо, праворуч, урівноважується дією позитивного заряду; V електрон, що притягає ліворуч, кожному позитивному заряду, розташованому над електроном чи перед ним, відповідає позитивний заряд, розташований під електроном чи за ним.

Позитивно заряджені атоми "нерухомі", тому що вони не можуть переміщатися так, як переміщаються електрони, але вони швидко коливаються біля свого середнього місцезнаходження.

А на електрон, що знаходиться у безпосередній близькості від поверхні рис. 6.2, б, припадає набагато більше позитивних зарядів, що тягнуть його назад у глиб металу, ніж зарядів, які тягли б його до поверхні. На електрон, що, вилетівши з металу, знаходиться поблизу поверхні, діє сукупна сила всіх позитивних зарядів, яка затягує його назад у метал.


Рис. 6.2


Для електрона, що знаходиться глибоко усередині металу, рівнодіюча сил притягання дорівнює нулю, а індивідуальні сили притягання навколишніх позитивних зарядів взаємно врівноважуються (а); на електрон, який знаходиться у металі біля самої поверхні, діє результуюча сила, що заганяє його у глиб металу (б); на електрон же, який знаходиться на самій поверхні зовні металу, діє сила, що притягає його до поверхні: усі позитивні заряди, які розташовуються у металі, притягають його в тому самому напрямку (в).

Таким чином, електрону, щоб безповоротно вилетіти з металу, необхідно залишити його поверхню зі швидкістю, достатньою для того, щоб видалитися за межі дії сил притяжіння. Для цього недостатньо просто залишити поверхню і залишитися у стані спокою поблизу неї. У цьому випадку електрон буде негайно притягнутий назад у метал. Енергія, необхідна для безповоротного відривання електрону від поверхні, називається роботою виходу розглянутої поверхні. Для матеріалів, з яких робляться катоди типових діодів, робота виходу дорівнює декільком вольтам.

Як уже згадувалося, при кімнатній температурі усередині катода діодної лампи немає жодного електрона, який може придбати за рахунок хаотичних зіткнень енергію, достатню для того, щоб перебороти потенційний бар'єр і відірватися від поверхні металу. Коли ж катод нагрівається, хаотичний рух електронів прискорюється до такого ступеня, що деякі електрони здобувають енергію, достатню для "випару" з поверхні катода і відходу у вакуумний простір між електродами (цей процес фактично дуже нагадує випар молекул води з поверхні киплячої води). Це "випар" електронів технічною мовою називається термоелектронною емісією. Іноді це явище на честь першовідкривача називають ще й ефектом Едісона.

З термоелектронною емісією тісно пов'язано ім'я професора Річардсона. Його знаменитий закон зв'язує щільність емісійного струму з температурою, роботою виходу і т.д. За інших рівних умов емісійний струм з підвищенням температури катода різко зростає.

Загальне уявлення про долю електронів, що вилетіли з катода діодної лампи, дає рис. 6.3, а. Потенціал усередині матеріалу катода приймається рівним нулю, а величина потенційного бар'єра поверхні (робота виходу) позначена через V. Коли катод нагрівається, електрони, енергія яких перевищує V, вилітають у простір між катодом і анодом. Коли електрон долітає до анода, він проходить через потенційний бар'єр, що відповідає анодній роботі виходу U. Але якщо анодна робота виходу менше роботи виходу на катоді, залишається певна кількість енергії V-U (у прикладі, наведеному на рис. 6.3, а, ця різниця дорівнює 2В), яку можна відвести у зовнішній ланцюг і використовувати для здійснення корисної роботи.

1. Строго кажучи, випаровування з поверхні спостерігається і для некиплячої води; при кипінні, пухирці виникають на поверхні нагрівання, а основна частина рідини випаровується усередину цих пухирців.

2. Число електронів, що випускаються щомиті з кожного квадратного сантиметра поверхні катода.

Це опис надто спрощений, оскільки ми зневажили двома явищами "зворотною емісією" і дією "просторового заряду".

Зворотною емісією називається емісія електронів з поверхні анода. Цей емісійний струм протилежний основному струму і, отже, знижує вихідну потужність діода. Зворотну емісію можна зменшити, підтримуючи анод при якомога більш низькій температурі.

Просторовий заряд виникає у результаті взаємного відштовхування електронів, що вилетіли, з катода, і виявляються в оточенні цілого роя інших електронів, що володіють такими ж за знаком зарядами. Ці електрони, природно, відштовхують один одного. У результаті велика частина електронів повертається назад на катод, так і не досягши анода.





Рис. 6.3. Графік потенційної енергії електронів у

термоіонному діоді: а - без обліку просторового заряду;

б - з урахуванням просторового заряду


таті велика частина електронів повертається назад на катод, так і не досягши анода.

Однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні заряди притягають один одного. Так, електрон, що притягається позитивними зарядами, відштовхується іншими електронами.

Більш реальний графік потенційної енергії для діода з урахуванням дії просторового заряду показано на рис. 6.3, з якого видно, що перебороти бар'єр просторового заряду і дібратися до анода можуть тільки ті електрони, енергія яких дорівнює чи більше V + W. З огляду на статистичний розподіл рівнів енергій електронів, що вилітають з катода, ми можемо допускати, що частина з них має достатню енергію для того, щоб досягти анода. Але, як правило, це незначна частка всіх електронів, що випускаються. Звідси випливає, що величина анодного струму істотно обмежується просторовим зарядом. У цьому і полягає основна причина дуже малої величини ККД звичайної діодної радіолампи.


3. Шлях підвищення коефіцієнта корисної дії.

Шлях підвищення коефіцієнта корисної дії. Тепер ми можемо перерахувати основні умови досягнення великого ККД і підвищення потужності термоіонного перетворювача:

1) висока температура катода;

2) велика робота виходу з катода V (до визначеної межі);

3) низька температура анода;

4) мала величина роботи виходу з анода U;

5) нейтралізація усунення просторового заряду.

Природно, що перераховані вище критерії не є взаємно незалежними. Тому при конструюванні реальних перетворювачів доводиться шукати компромісні рішення. Так, підвищення температури катода спричиняє підвищення температури анода, оскільки анод нагрівається тепловим випромінюванням з катода, а зменшення просторового заряду впливає на величину роботи виходу з електродів.

Сучасні пошуки матеріалів для катодів спрямовані на те, щоб об'єднати велику величину роботи виходу зі здатністю витримувати високі температури (до 2200°С) без істотного випару, чи розплавлювання інших механічних руйнувань. За критичну швидкість випару катода звичайно приймається швидкість, що відповідає випару матеріалу товщиною 0,127 мм за 1000 годин при робочій температурі; усякий матеріал, що випаровується швидше, вважається непридатним.

Докладне дослідження, що виходить за межі цієї роботи, показує, що ККД у міру збільшення V зростає не нескінченно, а досягає деякого максимуму при визначеній величині V. З іншого боку, робота виходу з анода завжди повинна бути якнайменшою, щоб запобігти зворотній емісії.

Від анодних матеріалів потрібно сполучення малої величини роботи виходу з доброю відбивною здатністю стосовно інфрачервоного (теплового) випромінювання. Остання властивість необхідна для того, щоб запобігти надмірному нагріванню анода під дією теплового випромінювання катода й у такий спосіб максимально послабити зворотну емісію. Як правило, робоча температура анода повинна бути на 550-1100°С нижче робочої температури катода.


Таблиця 1

Характеристики катодних матеріалів

Катодний матеріал	Робота виходу V, В	Температурний діапазон, °С
Вольфрам, просочений барієм	1,7	870—1200
Торій на вольфрамовій основі	2,55	1760—1980
Цезій на вольфрамовій основі	1,7	1370—1600

Таблиця 2

Характеристики анодних матеріалів

Анодний матеріал	Робота виходу U, В
Оксид барію або оксид стронцію на нікелевій основі	1,0
Цезій на основі оксиду срібла	0,75
Цезій на основі оксиду вольфраму	0.71

У табл.1 і 2 зазначено властивості деяких типових матеріалів, з яких робляться електроди. Ці цифри за необхідністю носять наближений характер, оскільки умови на поверхні електрода (а отже, і робота виходу з нього) змінюються у залежності від характеру використання катода.

4. Усунення просторового заряду.

Найважливішою обставиною, що обмежує величину ККД діода як термоелектричного перетворювача, безсумнівно, є наявність просторового заряду. Не дивно, тому що існує багато доречних пропозицій, спрямованих на усунення зменшення просторового заряду. Способи вирішення цієї задачі, що зараз серйозно вивчаються, можна розбити загалом на наступні групи: 1) скорочення відстані між електродами; 2) збільшення швидкості електронів; 3) нейтралізація позитивними іонами.

Сутність першого методу полягає у скороченні часу переміщення електронів через вакуум шляхом розміщення електродів дуже близько один від одного.


Література (Л.2, стор.122 – 124).


5. Питання для самоконтролю.

1. Які основні характеристики діодної лампи?
   
2. Що таке зворотна емісія?
   
3. Умови руху електронів у термоіонному діоді.
   
4. Шляхи підвищення ККД термоіонних генераторів.
   
5. Які матеріали використовуються для термоіонних генераторів?
   

Контрольні запитання

1. Які нетрадиційні джерела енергії є перспективними?
   
2. Назвіть середні потужності природних явищ.
   
3. Яке паливо є стратегічним у майбутньому людства?
   
4. Які перешкоди у МГД-методі генерування електричної енергії?
   
5. Які умови здійснення термоядерного синтезу?
   
6. Які переваги одержання енергії за рахунок синтезу ядер?
   
7. Історичні довідки з вітроенергетики.
   
8. Різновиди вітрових двигунів.
   
9. Режими роботи вітродвигунів.
   
10. Методи регулювання швидкості вітродвигунів.
    
11. Що таке електроліз?
    
12. Що таке гримучий газ?
    
13. Принцип дії воднево-кисневого елемента?
    
14. Які передумови роботи паливних елементів?
    
15. Вимоги до електродів паливних елементів.
    
16. Перспективи використання паливних елементів на вуглеводних газах.
    
17. Регенеративні паливні елементи.
    
18. Яким чином прискорити хімічні реакції у паливних елементах?
    
19. Біохімічний паливний елемент.
    
20. Сучасний стан та перспективи використання паливних елементів.
    
21. Передумови створення магнітно-гідродинамічних генераторів.
    
22. Генератор Кельвіна.
    
23. Як зробити газ провідником?
    
24. Що таке іонізація газів?
    
25. Які основні елементи схеми МГД-генератора?
    
26. Чим відрізняються МГД-установки відкритого і закритого циклів?
    
27. Чи можна звичайний котел замінити ядерним реактором?
    
28. Як можна відводити струм від ядерного реактора?
    
29. Які проблеми виникають при створенні МГД-генераторів?
    
30. Що відбувається з електронами металевого стрижня, якщо один кінець його нагрівати?
    
31. Яким чином збільшити ефективність термоелектричного перетворення енергії?
    
32. Температурні обмеження при використанні напівпровідників при створенні термогенераторів.
    
33. Чому термопари не використовують у якості термогенераторів?
    
34. Яку дію проявляє опір місця спаю провідників?
    
35. Перспективи використання напівпровідників для термогенераторів.
    
36. Як зменшити теплові збитки у напівпровідникових термогенераторах?
    
37. Недоліки використання атомних реакторів для термогенерування енергії.
    
38. Можливості використання ядерних реакторів для термогенерування електроенергії.
    
39. Від чого залежить ККД термогенераторів?
    
40. Ситуація сьогодення та перспективи використання термогенераторів.
    
41. Наведіть приклади термоіонних генераторів.
    
42. Принцип дії термоіонного генератора.
    
43. Який ККД у термоіонних генераторів?
    
44. У якому стані знаходяться позитивно заряджені атоми у металевих електродах ?
    
45. Які основні характеристики діодної лампи?
    
46. Що таке зворотна емісія?
    
47. Умови руху електронів у термоіонному діоді.
    
48. Шляхи підвищення ККД термоіонних генераторів.
    
49. Які матеріали використовуються для термоіонних генераторів?
    

Література

1. Веников У.А. Введение в специальность. – Электроэнергетика, 1988г.
   
2. Джо Гарднер. Электричество без динамомашин. - 2000г.
   
3. Денисенко О.Г. Преобразование и использование ветровой энергии.- Киев: Техника, 1992г.
   
4. Шестеренко В.Е. Системи електроспоживання та електропостачання електроенергії. – Вінниця: Нова книга, 2004 р.
   
5. Чабан О.Й. Загроза національній безпеці у науковій сфері енергетики. Енергетика і електрифікація. – К., 2002. - №2.
   

Конспект лекцій до самостійного вивчення розділів з дисципліни „Нетрадиційні автономні джерела енергії ”для студентів спеціальності 6.090603 «Електротехнічні системи електроспоживання» усіх форм навчання


Укладач: Пархоменко Р.О.