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热离子转换器

一月 01, 1970

热离子转换器（英語：Thermionic converter）由热电极组成，热电极通过势能垒的热辐射向较冷的电极发射电子，从而产生有用的电力输出。铯蒸汽用于优化电极的功函数，并通过等离子体中的表面电离或电子碰撞电离提供离子以中和电子空间电荷。

定义 编辑

从物理电子学的观点看，热离子能量转换是从热离子发射电子的热量中直接产生电力，而从热力学的观点看[1]，又是在发电循环中利用电子蒸气作为的工作载体。热离子转换器由热发射极和较冷的收集极组成，电子通过热离子发射从热发射极中蒸发出来，在电极间经等离子体传导后，冷凝在收集极中，通常会在发射极表面产生每平方厘米几安培的电流。根据发射极温度(1500–2000 K)和工作模式的不同，一般以0.5–1伏的电位差和5–20%的热效率向负载提供电力[2][3]。

历史 编辑

在1957年威尔逊（V.Wilson）首次演示实用电弧式铯蒸气热离子转换器后，接下来的十年中，对它的应用得到进一步体现，包括它与太阳能发电、燃烧、放射性同位素和核反应堆热源的使用。然而，最受重视的应用是将热离子核燃料元件直接集成到核反应堆的堆芯中，以便在太空中生产电力[4][5]。热离子转换器的极高工作温度使它难以在其他应用中得到实际使用，但在需要辐射散热的太空电力应用中，热离子转换器比其他能量转换技术具有决定性的优势。1963年至1973年期间，美国、法国和德国开展了大量的热离子太空反应堆开发项目，1983年至1993年期间，美国恢复了重要的热离子核燃料元件开发计划。

1967年至1988年间，前苏联将热离子动力系统与各种核反应堆(贝斯5型、托帕兹)结合使用，作为部分军事监视卫星的电源[6][7]，更多详情参见宇宙954号。

尽管随着美国和俄罗斯太空计划的削减，热离子反应堆使用的优先等级已降低，但热离子能量转换的研究和技术开发仍在继续。近年来推出了太阳能热离子太空电源系统的技术开发项目，而应用于民用热电联产和整流的燃烧-加热热离子系统原型也业已开发[8]。

说明 编辑

热离子能量转换的科学方面的研究主要涉及表面物理和等离子体物理领域。电极表面性质决定了电极表面的电子辐射电流和电势的大小，而等离子体性质决定了电子流从发射极到收集极的传输。迄今为止，所有实用的热离子转换器都在电极之间使用铯蒸汽，这是受表面和等离子体性质所决定，因为铯是所有稳定元素中最容易电离的。

热离子发生器就像一台循环热引擎，其最大效率受到卡诺定律限制。它是一种低压大电流装置，在1-2伏电压下，电流密度达到25-50(安培/厘米2)。如果锅炉的竖管是热离子发生器的阴极和阳极，且里面充满电离铯蒸汽的话，则高温气体的能量就可部分转化为电能。

主要关注的表面性质是功函数，它是限制表面电子发射电流的屏障，本质上是表面电子的汽化热，功函数主要由吸附在电极表面的一层铯原子所决定[9]；电极间等离子体的性质则由热离子转换器的工作模式所决定[10]：点燃(或“电弧”)模式下，等离子体通过热等离子体电子(~3300 K)的内部电离来维持；未点火模式下，等离子体通过向冷等离子体中注入外部产生的正离子来维持；在混合模式下，等离子体是通过从热等离子体电极区转移到冷等离子体电极区来维持。

近期的研究 编辑

以上所引用的所有应用都采用了这样的技术，即热电子转换器的基本物理理解和性能与1970年以前基本相同。但在1973年至1983年期间，美国在化石燃料工业和商业电力生产中对先进低温热离子转换技术进行了重大研究，而且对太空反应堆和海军反应堆的应用研究一直持续到1995年。这些研究表明，在较低的工作温度下，通过向铯蒸汽中增氧 [11]、抑制电极表面电子反射[12]以及通过混合模式操作，可有效改善转换器的性能。同样，俄罗斯也已证明通过使用含氧电极以及采用先进热离子转换器性能的系统设计研究所获得的改善[13]。最近的研究[14]已表明，热离子转换器中激发出的铯原子形成铯-里德堡物质团簇，使收集极的辐射功函数从1.5电子伏特降低到1.0–0.7电子伏特。由于里德堡物质的长寿型性质，这种低功函数会在很长一段时间内保持较低的水平，这从根本上提高了低温转换器的效率。

参看 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ Rasor, N. S. Thermionic Energy Converter. Chang, Sheldon S. L. (编). Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering  II. New York: Wiley. 1983: 668. ISBN 0-471-86213-4. 
  2. ^ Hatsopoulos, G. N.; Gyftopoulos, E. P. Thermionic Energy Conversion  I. Cambridge, MA: MIT Press. 1974. ISBN 0-262-08059-1. 
  3. ^ Baksht, F. G.; G. A. Dyvzhev; A. M. Martsinovskiy; B. Y. Moyzhes; G. Y. Dikus; E. B. Sonin; V. G. Yuryev. Thermionic converters and low-temperature plasma (trans. from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma): 490. 1973. 
  4. ^ {cite journal |last1= Mills |first1= Joseph C. |last2= Dahlber |first2= Richard C.|title   = Thermionic Systems for DOD Missions |journal = AIP Conference Proceedings |volume= 217 |issue= 3 |pages= 1088–92 |date= 1991-01-10 |doi= 10.1063/1.40069|bibcode = 1991AIPC..217.1088M |url = http://link.aip.org/link/?APCPCS/217/1088/1 |archive-url = https://archive.today/20120710170713/http://link.aip.org/link/?APCPCS/217/1088/1 |archive-date = 2012-07-10}}
  5. ^ Gryaznov, G. M.; E. E. Zhabotinskii; A. V. Zrodnikov; Yu. V. Nikolaev; N. N. Ponomarev-Stepnoi; V. Ya. Pupko; V. I. Serbin; V. A. Usov. Thermoemission reactor-converters for nuclear power units in outer space. Soviet Atomic Energy (Plenus Pub. Co.). June 1989, 66 (6): 374–377. ISSN 1573-8205. doi:10.1007/BF01123508. 
  6. ^ Bulletin of the Atomic Scientists. July 1993: 12. 
  7. ^ Proceedings of a Symposium Advanced Compact Reactor Systems: National Academy of Sciences, Washington, D.C., November 15-17, 1982. National Academies. 1983: 65–. NAP:15535. 
  8. ^ van Kemenade, E.; Veltkamp, W.B. Design of a Thermionic Converter for a Domestic Heating System (PDF). Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. 1994-08-07, II [2021-02-15]. （原始内容 (PDF)于2012-02-16）. 
  9. ^ Rasor, Ned S.; Charles Warner. Correlation of Emission Processes for Adsorbed Alkali Films on Metal Surfaces. Journal of Applied Physics (The American Institute of Physics). September 1964, 35 (9): 2589. Bibcode:1964JAP....35.2589R. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.1713806. 
  10. ^ Rasor, Ned S. Thermionic Energy Conversion Plasmas. IEEE Transactions on Plasma Science. December 1991, 19 (6): 1191–1208. Bibcode:1991ITPS...19.1191R. doi:10.1109/27.125041. 
  11. ^ J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, “HET IV Final Report”, Volumes 1 & 2, Rasor Associates Report  #NSR-71/95/0842, (Nov. 1995); performed for Westinghouse Bettis Laboratory under Contract # 73-864733; 344 pages.  Also available in total as C.B. Geller, C.S. Murray, D.R. Riley, J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, “High-Efficiency Thermionics (HET-IV) and Converter Advancement (CAP) programs.  Final Reports”, DOE DE96010173; 386 pages (1996).
  12. ^ N.S. Rasor, “The Important Effect of Electron Reflection on Thermionic Converter Performance”, Proc. 33rd Intersoc. Energy Conv. Engr. Conf., Colorado Springs, CO, Aug., 1998, paper 98-211.
  13. ^ Yarygin, Valery I.; Viktor N. Sidelnikov; Vitaliy S. Mironov. Energy Conversion Options For NASA's Space Nuclear Power Systems Initiative – Underestimated Capability of Thermionics. Proceedings of the 2nd International Energy Conversion Engineering Conference. 
  14. ^ Svensson, Robert; Leif Holmlid. Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydberg matter of cesium. Surface Science. 1992-05-15,. 269-270: 695–699. Bibcode:1992SurSc.269..695S. ISSN 0039-6028. doi:10.1016/0039-6028(92)91335-9. 

 

一月 01, 1970
热离子转换器, 英語, thermionic, converter, 由热电极组成, 热电极通过势能垒的热辐射向较冷的电极发射电子, 从而产生有用的电力输出, 铯蒸汽用于优化电极的功函数, 并通过等离子体中的表面电离或电子碰撞电离提供离子以中和电子空间电荷, 目录, 定义, 历史, 说明, 近期的研究, 参看, 参考文献定义, 编辑从物理电子学的观点看, 热离子能量转换是从热离子发射电子的热量中直接产生电力, 而从热力学的观点看, 又是在发电循环中利用电子蒸气作为的工作载体, 由热发射极和较冷的收集极组成, 电子通. 热离子转换器 英語 Thermionic converter 由热电极组成 热电极通过势能垒的热辐射向较冷的电极发射电子 从而产生有用的电力输出 铯蒸汽用于优化电极的功函数 并通过等离子体中的表面电离或电子碰撞电离提供离子以中和电子空间电荷 目录 1 定义 2 历史 3 说明 4 近期的研究 5 参看 6 参考文献定义 编辑从物理电子学的观点看 热离子能量转换是从热离子发射电子的热量中直接产生电力 而从热力学的观点看 1 又是在发电循环中利用电子蒸气作为的工作载体 热离子转换器由热发射极和较冷的收集极组成 电子通过热离子发射从热发射极中蒸发出来 在电极间经等离子体传导后 冷凝在收集极中 通常会在发射极表面产生每平方厘米几安培的电流 根据发射极温度 1500 2000 K 和工作模式的不同 一般以0 5 1伏的电位差和5 20 的热效率向负载提供电力 2 3 历史 编辑在1957年威尔逊 V Wilson 首次演示实用电弧式铯蒸气热离子转换器后 接下来的十年中 对它的应用得到进一步体现 包括它与太阳能发电 燃烧 放射性同位素和核反应堆热源的使用 然而 最受重视的应用是将热离子核燃料元件直接集成到核反应堆的堆芯中 以便在太空中生产电力 4 5 热离子转换器的极高工作温度使它难以在其他应用中得到实际使用 但在需要辐射散热的太空电力应用中 热离子转换器比其他能量转换技术具有决定性的优势 1963年至1973年期间 美国 法国和德国开展了大量的热离子太空反应堆开发项目 1983年至1993年期间 美国恢复了重要的热离子核燃料元件开发计划 1967年至1988年间 前苏联将热离子动力系统与各种核反应堆 贝斯5型 托帕兹 结合使用 作为部分军事监视卫星的电源 6 7 更多详情参见宇宙954号 尽管随着美国和俄罗斯太空计划的削减 热离子反应堆使用的优先等级已降低 但热离子能量转换的研究和技术开发仍在继续 近年来推出了太阳能热离子太空电源系统的技术开发项目 而应用于民用热电联产和整流的燃烧 加热热离子系统原型也业已开发 8 说明 编辑热离子能量转换的科学方面的研究主要涉及表面物理和等离子体物理领域 电极表面性质决定了电极表面的电子辐射电流和电势的大小 而等离子体性质决定了电子流从发射极到收集极的传输 迄今为止 所有实用的热离子转换器都在电极之间使用铯蒸汽 这是受表面和等离子体性质所决定 因为铯是所有稳定元素中最容易电离的 热离子发生器就像一台循环热引擎 其最大效率受到卡诺定律限制 它是一种低压大电流装置 在1 2伏电压下 电流密度达到25 50 安培 厘米2 如果锅炉的竖管是热离子发生器的阴极和阳极 且里面充满电离铯蒸汽的话 则高温气体的能量就可部分转化为电能 主要关注的表面性质是功函数 它是限制表面电子发射电流的屏障 本质上是表面电子的汽化热 功函数主要由吸附在电极表面的一层铯原子所决定 9 电极间等离子体的性质则由热离子转换器的工作模式所决定 10 点燃 或 电弧 模式下 等离子体通过热等离子体电子 3300 K 的内部电离来维持 未点火模式下 等离子体通过向冷等离子体中注入外部产生的正离子来维持 在混合模式下 等离子体是通过从热等离子体电极区转移到冷等离子体电极区来维持 近期的研究 编辑以上所引用的所有应用都采用了这样的技术 即热电子转换器的基本物理理解和性能与1970年以前基本相同 但在1973年至1983年期间 美国在化石燃料工业和商业电力生产中对先进低温热离子转换技术进行了重大研究 而且对太空反应堆和海军反应堆的应用研究一直持续到1995年 这些研究表明 在较低的工作温度下 通过向铯蒸汽中增氧 11 抑制电极表面电子反射 12 以及通过混合模式操作 可有效改善转换器的性能 同样 俄罗斯也已证明通过使用含氧电极以及采用先进热离子转换器性能的系统设计研究所获得的改善 13 最近的研究 14 已表明 热离子转换器中激发出的铯原子形成铯 里德堡物质团簇 使收集极的辐射功函数从1 5电子伏特降低到1 0 0 7电子伏特 由于里德堡物质的长寿型性质 这种低功函数会在很长一段时间内保持较低的水平 这从根本上提高了低温转换器的效率 参看 编辑核电池 射线电池 光电核电池 放射性同位素压电发电机 热传导发电机 放射性同位素热能发电机参考文献 编辑 Rasor N S Thermionic Energy Converter Chang Sheldon S L 编 Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering nbsp II New York Wiley 1983 668 ISBN 0 471 86213 4 含有內容需登入查看的頁面 link Hatsopoulos G N Gyftopoulos E P Thermionic Energy Conversion nbsp I Cambridge MA MIT Press 1974 ISBN 0 262 08059 1 含有內容需登入查看的頁面 link Baksht F G G A Dyvzhev A M Martsinovskiy B Y Moyzhes G Y Dikus E B Sonin V G Yuryev Thermionic converters and low temperature plasma trans from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma 490 1973 cite journal last1 Mills first1 Joseph C last2 Dahlber first2 Richard C title Thermionic Systems for DOD Missions journal AIP Conference Proceedings volume 217 issue 3 pages 1088 92 date 1991 01 10 doi 10 1063 1 40069 bibcode 1991AIPC 217 1088M url http link aip org link APCPCS 217 1088 1 archive url https archive today 20120710170713 http link aip org link APCPCS 217 1088 1 archive date 2012 07 10 Gryaznov G M E E Zhabotinskii A V Zrodnikov Yu V Nikolaev N N Ponomarev Stepnoi V Ya Pupko V I Serbin V A Usov Thermoemission reactor converters for nuclear power units in outer space Soviet Atomic Energy Plenus Pub Co June 1989 66 6 374 377 ISSN 1573 8205 doi 10 1007 BF01123508 Bulletin of the Atomic Scientists July 1993 12 Proceedings of a Symposium Advanced Compact Reactor Systems National Academy of Sciences Washington D C November 15 17 1982 National Academies 1983 65 NAP 15535 van Kemenade E Veltkamp W B Design of a Thermionic Converter for a Domestic Heating System PDF Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference 1994 08 07 II 2021 02 15 原始内容存档 PDF 于2012 02 16 Rasor Ned S Charles Warner Correlation of Emission Processes for Adsorbed Alkali Films on Metal Surfaces Journal of Applied Physics The American Institute of Physics September 1964 35 9 2589 Bibcode 1964JAP 35 2589R ISSN 0021 8979 doi 10 1063 1 1713806 Rasor Ned S Thermionic Energy Conversion Plasmas IEEE Transactions on Plasma Science December 1991 19 6 1191 1208 Bibcode 1991ITPS 19 1191R doi 10 1109 27 125041 J L Desplat L K Hansen G L Hatch J B McVey and N S Rasor HET IV Final Report Volumes 1 amp 2 Rasor Associates Report NSR 71 95 0842 Nov 1995 performed for Westinghouse Bettis Laboratory under Contract 73 864733 344 pages Also available in total as C B Geller C S Murray D R Riley J L Desplat L K Hansen G L Hatch J B McVey and N S Rasor High Efficiency Thermionics HET IV and Converter Advancement CAP programs Final Reports DOE DE96010173 386 pages 1996 N S Rasor The Important Effect of Electron Reflection on Thermionic Converter Performance Proc 33rd Intersoc Energy Conv Engr Conf Colorado Springs CO Aug 1998 paper 98 211 Yarygin Valery I Viktor N Sidelnikov Vitaliy S Mironov Energy Conversion Options For NASA s Space Nuclear Power Systems Initiative Underestimated Capability of Thermionics Proceedings of the 2nd International Energy Conversion Engineering Conference Svensson Robert Leif Holmlid Very low work function surfaces from condensed excited states Rydberg matter of cesium Surface Science 1992 05 15 269 270 695 699 Bibcode 1992SurSc 269 695S ISSN 0039 6028 doi 10 1016 0039 6028 92 91335 9 取自 https zh wikipedia org w index php title 热离子转换器 amp oldid 78986102, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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