Тепловой конвертер: цены, отзывы, продажа, доставка по Москве и РФ.

Л. Скариони

сентябрь 2003 г.

М. Клонц

март 2997

ISSN: 0341-6674

3-88314-631-5

л. Скариони, М. Клонц и Т. Фанк

2004

Л. Скариони, М. Клонц, Д. Яник, Х. Лаиз и М. Кампик

апрель 2003 г.

М.Стоянович, М. Клонц и Б. Стоянович

апрель 2003 г.

М. Клонц, Х. Лайз и Э. Кесслер

декабрь 2001

Х.Лаиз, М. Клонц, Э. Кесслер и Т. Шпигель

апрель 2001 г.

Т. Фанк, Р. Бер и М. Клонц

апрель 2001 г.

К.Такахаши, М. Клонц, Х. Сасаки и Б. Д. Инглис

апрель 1997 г.

М. Клонц и Т. Вейманн

апрель 1991 г.

М.Клонц, Т. Шпигель, Х. Лаиз и Э. Кесслер

апрель 1991 г.

Х. Лаиз

март 2991

ISSN: 0341-6674

3-89701-321-5

От:	Кому:
длина/длина/кельвин [1/K]длина/длина/градус Цельсия [1/°C]длина/длина/градус Фаренгейта [1/°F]длина /длина/градус Ренкина [1/°R]длина/длина/градус Реомюра [1/°r]	длина/длина/кельвин [1/K]длина/длина/градус Цельсия [1/°C]длина/длина /градус Фаренгейта [1/°F]длина/длина/градус Ранкина [1/°R]длина/длина/градус Реомюра [1/°r]
		Как использовать преобразователь теплового расширения Выберите единицу измерения для преобразования из в списке единиц ввода. Выберите единицу измерения для преобразования в в списке единиц вывода. Введите значение для преобразования из в поле ввода слева. Результат преобразования сразу появится в поле вывода. Закладка Преобразователь теплового расширения — возможно, он вам понадобится в будущем.
	Загрузить Преобразователь единиц теплового расширения наша мощная программная утилита, которая поможет вам легко преобразовать более 2100 различных единиц измерения в более чем 70 категориях.Откройте для себя универсального помощника для всех ваших потребностей в преобразовании единиц измерения — скачайте бесплатную демо-версию прямо сейчас! Совершите 78 764 преобразования с помощью простого в использовании, точного и мощного калькулятора единиц измерения.
	Мгновенно добавьте бесплатный виджет конвертера теплового расширения на свой веб-сайт Это займет меньше минуты, это так же просто, как вырезать и вставлять. Конвертер будет органично вписываться в ваш веб-сайт, поскольку он полностью переименован. Нажмите здесь, чтобы получить пошаговое руководство о том, как разместить этот конвертер единиц измерения на своем веб-сайте.
Ищете интерактивную таблицу преобразования теплового расширения ? Посетите наш форум, чтобы обсудить проблемы преобразования и получить бесплатную помощь! Попробуйте мгновенный поиск по категориям и единицам он выдает результаты по мере ввода!

Границы | Преобразование термоэлектронной энергии в двадцать первом веке: достижения и возможности для космических и наземных приложений

Введение

Прямое преобразование тепла в электричество без каких-либо промежуточных стадий или движущихся частей остается одним из самых многообещающих, но сложных методов производства энергии. Обещание высокой эффективности преобразования, простоты устройства и надежной работы продолжает продвигать исследования и разработки технологий на переднем крае. Кроме того, из-за большого разнообразия возможных источников тепла, начиная от сжигания ископаемого или другого топлива, ядерных реакторов, солнечного тепла или даже отходящего тепла человеческого тела, преобразователи тепловой энергии в электрическую могут применяться очень широко. много порядков возможных диапазонов температур и мощностей.

Термоэлектронное преобразование энергии (ТЭП) для прямого преобразования тепла в электрическую энергию происходит, когда электроны термически испускаются с горячей поверхности, пересекают зазор и собираются другой поверхностью.Этот процесс, начинающийся с термоэлектронной эмиссии, создает поток электронов, который впоследствии может приводить в действие электрическую нагрузку для выполнения работы. Особенно хорошо подходящая для высокотемпературных применений, поскольку она была впервые предложена Шлихтером (1915 г. ), термоэлектронная эмиссия использовалась в качестве метода выработки электроэнергии более века (Hatsopoulos and Gyftopoulos, 1973, 1979), однако редко применялась в либо космические, либо наземные приложения. Однако последние достижения в области материаловедения и нанотехнологий, а также наше растущее понимание лежащих в их основе физических процессов открывают новые возможности для разработки практических термоэлектронных преобразователей, оживляя эту область.

Термоэлектронное преобразование энергии имеет долгую и богатую историю, особенно в космических программах Соединенных Штатов и бывшего Советского Союза. Однако, несмотря на то, что эта область была динамичной и в период с 1960-х по 1980-е годы был достигнут значительный прогресс, включая демонстрации космических полетов, TEC в значительной степени был вытеснен альтернативными технологиями преобразования энергии, в частности термоэлектрическими и фотоэлектрическими, в сознании как общественности, так и исследовательского сообщества. Большая часть исследований, основанных на термоэлектронике, прекратилась после отчета Национального исследовательского совета 2001 года под названием Thermionics Quo Vadis? Оценка Программы перспективных исследований и разработок в области термоэлектроники DTRA (Национальный исследовательский совет, 2001 г.) дала довольно негативную оценку жизнеспособности TEC.Однако с тех пор исследовательское сообщество TEC отреагировало открытием и изобретением новых и новаторских подходов к устройствам, материалам и операционным стратегиям, которые подчеркивают потенциал TEC для достижения высокой эффективности преобразования и производительности, предсказанных теорией.

Поскольку потребности как в космической, так и в наземной энергии продолжают расти, разработка новых технологий для производства электроэнергии не только актуальна, но и необходима. Для космических приложений, новых миссий, в том числе на Марс, и новых технологий, таких как миниатюрные спутники (например,g., CubeSats), потребуются источники питания, которые обеспечивают высокую мощность надежным и устойчивым образом в течение длительных периодов времени. С наземной точки зрения существует постоянная потребность в поиске альтернативных источников энергии, а также в повышении эффективности существующих источников энергии, работающих на ископаемом топливе, особенно в связи с растущими опасениями по поводу воздействия на окружающую среду и климат традиционных электростанций, работающих на угле и нефти. экологические и экономические проблемы, стоящие перед добычей ископаемого топлива, и постоянная проблема истощения ископаемого топлива.

В октябре 2014 года в Хьюстоне, штат Техас (США), был проведен семинар по термоэлектронному преобразованию энергии для космоса и Земли , на котором собрались исследователи, лидеры мнений и заинтересованные стороны для обсуждения текущего состояния TEC, а также возможностей и потребностей. для будущих исследований и разработок для решения проблем. Возможно, что более важно, Семинар послужил для централизации и сбора сообщества TEC, а также для объединения нескольких независимых и изолированных исследователей за общим столом для обсуждения и продвижения этой важной энергетической технологии. Эта перспективная статья является результатом этого семинара и последовавших за ним дискуссий между участниками. Цель этой статьи состоит не только в том, чтобы обсудить последние достижения, но и в том, чтобы предложить некоторые взгляды на эту область с точки зрения возможностей, а также проблем, основанных на коллективном разуме участников семинара. Мы отмечаем, что целью статьи не является предоставление подробного обзора недавних исследований, и для этого мы отсылаем читателя к другим недавним обзорным статьям (Khoshaman et al., 2014; Маккарти и др., 2014 г.; Халид и др., 2016; Trucchi and Melosh, 2017).

Эта перспективная статья состоит из нескольких разделов следующим образом. «Предыстория и основы» дает справочную информацию о термоэлектронной эмиссии и ТЭО, включая установление основ ТЭО и терминологию, которая будет использоваться в этой статье, а также возможности реализации ТЭО. «Проблемы и последние достижения» описывает последние достижения в исследованиях ТЭО, уделяя особое внимание основным компонентам устройства ТЭО — эмиттеру, межэлектродному промежутку и коллектору. «Движение вперед» обсуждает будущие потребности в исследованиях, уделяя основное внимание необходимости создания набора руководящих принципов для тестирования и оценки устройств TEC. Мы заканчиваем «Резюме и заключительные мысли», в котором предлагаются некоторые точки зрения и предложения для дальнейшего пути.

Общие сведения и основы

Фундаментальная физика ТИК

Основная концепция TEC показана на рисунке 1A. По мере того, как к эмиттеру (катоду) добавляется тепло и температура эмиттера повышается, электроны имеют достаточную энергию, чтобы покинуть твердое тело и свободно двигаться в вакууме, процесс, подобный испарению или выкипанию электронов.Затем эти электроны перемещаются через межэлектродный зазор к коллектору (аноду), и замыкая цепь с нагрузкой, вырабатывается электроэнергия. На рис. 1В показан этот процесс термоэлектронной эмиссии с точки зрения энергетических уровней электронов. Чтобы испуститься, электроны в эмиттере должны быть заряжены, чтобы быть выше потенциального барьера вакуума эмиттера, где разница между потенциалом вакуума и энергией Ферми называется работой выхода (ϕ). Если никакие столкновительные эффекты или эффекты объемного заряда не ограничивают перенос электронов через межэлектродный промежуток, электроны пересекают этот промежуток и попадают в коллектор, где идеальное выходное напряжение ( В _из ) примерно равно контактной разности потенциалов.

Рисунок 1 . (A) Схема процесса термоэлектронного преобразования энергии (ТЭП). (B) Электродвижущая диаграмма, показывающая уровни энергии электронов во время ТЕС.

Термоэлектронная эмиссия описывается уравнением Ричардсона-Душмана (Richardson, 1921), которое связывает плотность термоэлектронного тока ( j ) с температурой эмиттера ( T _e ) следующим образом:

, где A ₀ = 120 А/см ² K ² — постоянная Ричардсона, а k _B — постоянная Больцмана.Параметр A является поправочным коэффициентом к константе Ричардсона для конкретного материала эмиттера. Если электрическое поле ( E ) приложено между эмиттером и коллектором, потенциальный барьер снижается. Результирующий эмиссионный ток описывается уравнением Шоттки (Schottky, 1914):

, где q — заряд электрона, а ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства.

Из электродвижущей схемы на рис. 1Б видно, что максимальное напряжение (при максимальной мощности), которое может быть достигнуто, по существу представляет собой разницу между работой выхода эмиттера и коллектора,

Учитывая, что плотность мощности P определяется как

эффективность (η) представляет собой удельную мощность, производимую термоэмиссионным преобразователем, деленную на чистый тепловой поток, подведенный к излучателю (qe″), который включает тепловые потери из-за эмиссии электронов, проводимости по проводам и другим путям, а также теплообмена. (преимущественно излучение) от горячего излучателя к коллектору,

Из этих уравнений становится ясно, что существует ряд факторов, напрямую влияющих на количество энергии, вырабатываемой термоэмиссионным преобразователем, а также на его КПД, которые часто находятся в прямой конкуренции друг с другом. Из уравнения 1 (и рис. 1В), мы видим, что плотность тока увеличивается, когда работа выхода эмиттера мала. Однако для выработки высокой мощности необходимы большие различия в работе выхода между эмиттером и коллектором, и поэтому работа выхода коллектора должна быть даже меньше, чем у эмиттера, что является серьезной проблемой материалов.Практически работа выхода коллектора должна составлять ~0,5 эВ, что крайне мало по сравнению с работой выхода большинства природных материалов. Кроме того, чтобы генерировать достаточный ток для обычных материалов эмиттера, температура эмиттера должна быть очень высокой и обычно намного выше 1500 К. Однако это приводит к большим тепловым потерям как из-за излучения, так и из-за проводимости, снижая эффективность термоэлектронной защиты. преобразователь. Есть также дополнительные фундаментальные проблемы в TEC, которые не появляются непосредственно в этих уравнениях, и главная из них — эффект пространственного заряда.При достаточно высокой плотности тока электроны накапливаются в промежутке между электродами и создают барьер пространственного заряда, который ограничивает ток до уровня, описываемого законом Чайлда-Ленгмюра (Child, 1911; Langmuir, 1913), в отличие от уравнение Ричардсона-Душмана. Следовательно, управление переносом электронов через межэлектродный промежуток также является важным аспектом конструкции ТЭО.

История ТИК

Первое устройство термоэмиссионного преобразования было предложено Шлихтером в 1915 году (Schlichter, 1915), но первые демонстрации практических уровней выработки электроэнергии не проводились до 1950-х годов, когда как Соединенные Штаты, так и бывший Советский Союз (СССР), а также как западноевропейские страны, начали серьезно изучать TEC для космических приложений (Rasor, 1991). Ранние разработки в США были направлены на использование солнечной энергии и радиоизотопов в качестве источников тепла, а в рамках программы «Технологии солнечной энергии» Лаборатории реактивного движения были разработаны термоэлектронные преобразователи, которые работали при температуре ~ 1900 К и ~ 150 Вт с эффективностью 7–11% в течение ~ 11 000 часов. Однако современное состояние в то время оказалось неконкурентоспособным с новыми стратегиями преобразования фотоэлектрической и термоэлектрической энергии, и программа была прекращена в 1970-х годах. В 1960-х годах акцент сместился на ядерные источники тепла и разработку термоэмиссионных преобразователей как внутри активной зоны, так и вне активной зоны с плазмой цезия (Cs), часто вводимой для преодоления ограничений пространственного заряда.В то время как Соединенные Штаты добились значительного прогресса в улучшении характеристик термоэлектронного ядерного топливного элемента (TFE), что привело к созданию реактора Mark III, который работал при 1900 K в течение почти 12 500 часов, программа разработки термоэлектронного реактора была окончательно отменена в 1973 году. перешли на наземные термальные источники ископаемого топлива, но со средним успехом, и серьезных подвижек не произошло. Интерес к TFE возобновился в 1980-х годах в рамках программы SP-100 в рамках совместных усилий НАСА, Министерства энергетики и Министерства обороны.В рамках программы проверки термоэлектронных топливных элементов был проведен ряд анализов, которые показали, что возможен срок службы от 3 до 7 лет, но никаких крупных реакторов продемонстрировано не было. В СССР основное внимание уделялось разработке полномасштабных термоэмиссионных реакторов, и в 1970 г. был разработан реактор ТОПАЗ мощностью 5 кВт (российская аббревиатура от термоэмиссионного эксперимента с конверсией в активной зоне) (Бенке, 1994; Грязнов, 2000), а версия мощностью 6 кВт летала на спутник морской разведки в 1987 году был одним из двух аппаратов, которые в конечном итоге были запущены.За это время их более целенаправленные исследовательские усилия также привели к значительным достижениям в области материалов и конструкции преобразователей, опередив многие достижения Соединенных Штатов (National Research Council, 2001).

Жизнеспособность TEC

Несмотря на вышеупомянутые проблемы с объемным зарядом и материалами (выходная функция), а также свертывание исследований, TEC по-прежнему остается привлекательным подходом к производству электроэнергии. Как и другие подходы к прямому преобразованию энергии, он не требует движущихся частей и, следовательно, имеет потенциал для длительного срока службы при минимальном техническом обслуживании или вообще без него.Кроме того, он может генерировать большую мощность, но обычно требует небольших объемов и имеет малый вес, поэтому его высокая удельная мощность делает его особенно привлекательным для космических приложений.

Термоэмиссионные преобразователи энергии являются самыми простыми и прямыми преобразователями тепла в электроэнергию, что является основной причиной того, что процесс преобразования протекает довольно близко к термодинамическому равновесию (Fitzpatrick et al., 1997). Производство энтропии поддерживается небольшим, потому что избегаются ненужные процессы, которые могли бы увеличить производство энтропии. Как и у всех тепловых двигателей, эффективность преобразования энергии абсолютно ограничена эффективностью Карно, но есть несколько других неотъемлемых ограничений эффективного производства энергии, при этом преобладающими потерями являются тепловые потери. Таким образом, по крайней мере в идеале термоэмиссионный преобразователь может приблизиться к эффективности Карно. Кроме того, учитывая высокие температуры, с которыми совместима термоэлектронная эмиссия, эта эффективность может быть относительно высокой. Например, «стандартный» преобразователь может работать с эмиттером 1800 К и коллектором 1000 К, что дает эффективность Карно 44%.По сравнению с другими технологиями, такими как термоэлектрические преобразователи, способность работать при высоких температурах особенно привлекательна для производства большой мощности. В конечном счете, несмотря на то, что существуют практические проблемы с реализацией эффективных и действенных термоэмиссионных преобразователей, они по своей природе не ограничены какими-либо физическими или химическими средствами. То есть нет никакой физической/химической причины, по которой термоэлектронный преобразователь не может работать вблизи эффективности Карно с выработкой большой мощности. Поэтому необходимо продолжать развивать технологии TEC.

Дополнительная привлекательность термоэмиссионных преобразователей энергии заключается в том, что их можно комбинировать с другими технологиями для извлечения неиспользуемой тепловой энергии, и это интересный путь вперед. Эти стратегии сбора отработанного тепла можно разделить на три категории: когенерация, циклы топпинга и сменные устройства. Когенерация использует существующий неиспользованный источник тепла, такой как отработанное тепло от камеры сгорания, используемой в промышленных условиях, для выработки электроэнергии без существенного влияния на процесс.Фитцпатрик и др. (1997) рекомендуют когенерационный процесс, при котором коллектор охлаждается газами, поступающими в камеру сгорания, одновременно подогревая ее, а после сгорания отработанный газ проходит над эмиттером, создавая разность температур. Термоэмиссионные преобразователи также можно использовать в верхних циклах, помещая преобразователь между высокотемпературным источником и системой, используемой для выработки энергии, требующей более низкой входной температуры (нижний цикл), с примерами возможных нижних циклов, включая циклы Ренкина паровой турбины на электростанциях. и циклы Стерлинга для солнечной энергии (Фитцпатрик и др., 1997). С развитием термоэлектронной эмиссии с фотонным усилением или PETE (Schwede et al., 2010), как обсуждалось в разделе «Эмиссия», объединение систем солнечных концентраторов с термоэмиссионными преобразователями с фотонным усилением в качестве верхнего цикла дает возможность производить высокоэффективные системы ( Voesch и др., 2017). Однако, если сложность, стоимость или вес не позволяют использовать несколько систем, то термоэлектронные преобразователи энергии могут быть непосредственно использованы для преобразования солнечной тепловой энергии в электрическую из-за их более высокой возможной эффективности. Например, в экспериментальной лаборатории High-Power Advanced Low Mass Исследовательской лаборатории ВВС США изучалась замена фотоэлектрических преобразователей концентрированными солнечными термоэмиссионными преобразователями (Adams, 2006). Эти различные варианты использования подчеркивают возможные выгоды от включения термоэлектронных преобразователей энергии в экосистему производства электроэнергии, сокращения потерь энергии и повышения эффективности систем генерации.

Проблемы и последние достижения

Как отмечалось в разделе «Общие сведения и основные принципы», существуют две основные проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются все термоэмиссионные преобразователи энергии.Во-первых, как показано в уравнении 3, выходное напряжение, а вместе с ним и выходная мощность термоэмиссионного преобразователя зависят от разницы между работой выхода эмиттера и коллектора. Поскольку работа выхода эмиттера должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить большой эмиссионный ток при рабочей температуре, это требует, чтобы работа выхода коллектора была еще ниже и как можно меньше, что расширяет возможности материалов. Во-вторых, пространственный заряд, который по своей природе ограничивает ток эмиттер-коллектор, представляет собой реальную проблему, которую необходимо решить для любого устройства ТЭО, чтобы достичь практической выходной мощности.Дополнительные проблемы существуют для конкретных приложений, таких как возможность эффективного нагрева катода с помощью солнечного света в солнечной термоэлектронике. Для решения этих проблем требуется совершенствование технологии всех компонентов термоэлектронной тепловой машины: эмиттера, архитектуры межэлектродного промежутка и коллектора. В этом разделе мы обсудим проблемы и достижения для каждого из этих компонентов, указав некоторые из основных требований к проектированию, чтобы быть успешными, исторические и последние разработки для удовлетворения этих требований и будущих потребностей.

Эмиссия

Требования

Эмиттер является источником электронов в системе TEC, и, как показано в уравнении. 1, термоэлектронная эмиссия подчиняется соотношению Ричардсона-Душмана. Работа выхода, ϕ, и постоянная Ричардсона (или эмиссия), 90 202 A 90 203 , являются параметрами, связанными с материалами, которые определяют плотность тока эмиссии электронов. Работа выхода обычно описывается как энергетический барьер между уровнем Ферми металла и уровнем вакуума, через который покоящийся электрон должен быть отделен от поверхности.Для металлов работа выхода хорошо определена и довольно хорошо известна, и измерения с помощью фотоэмиссии или фотоэлектрического эффекта обычно хорошо согласуются со значением, полученным из анализа Ричардсона-Душмана плотности тока термоэлектронной эмиссии (Фоменко, 1966). Полупроводниковые материалы также недавно рассматривались в качестве термоэлектронных излучателей с низкой работой выхода. Для полупроводников уровень Ферми может контролироваться легирующими примесями. Более того, искривление зон из-за поверхностных состояний может существенно повлиять на положение уровня Ферми на поверхности.Следовательно, работа выхода для конкретного полупроводника имеет не одно значение, а диапазон значений, зависящий от легирования, поверхностных состояний и температуры. Однако сродство к электрону, которое связывает положение уровня вакуума с минимумом зоны проводимости, обычно не зависит от легирования и искривления зон и может использоваться для описания поверхностного барьера для электронной эмиссии (Schwede et al., 2010).

В то время как соответствующее поверхностное замыкание снижает работу выхода металлических поверхностей (Jenkins, 1969), для полупроводника соответствующее поверхностное замыкание снижает сродство к электрону или положение уровня вакуума относительно минимума зоны проводимости (Jenkins, 1969).В некоторых случаях уровень вакуума может быть расположен ниже минимума зоны проводимости, что приводит к отрицательному сродству к электрону (NEA). Для полупроводника с NEA предполагается, что эмиссия электронов происходит из минимума зоны проводимости, а барьер Ричардсона-Душмана будет находиться между уровнем Ферми и минимумом зоны проводимости, хотя могут происходить и другие процессы эмиссии. Наличие АСЭ либо на эмиттере, либо на коллекторе приводит к снижению барьера пространственного заряда. Этот эффект понятен, поскольку электроны, испускаемые из зоны проводимости полупроводника, будут иметь кинетическую энергию, равную или превышающую значение NEA, что позволяет им преодолевать эквивалентный энергетический барьер.

В дополнение к требованиям к трудовой функции необходимо учитывать дополнительные аспекты. К ним относятся прочность и стабильность материала и/или поверхностного соединения при высоких температурах, высокая допустимая нагрузка по току и высокое напряжение, а также термические свойства материала.Например, тепловое излучение является процессом потерь в ТЭО, который снижает общую эффективность, и, таким образом, подготовка поверхности с низким коэффициентом излучения может повысить эффективность системы. Мы суммируем эти различные требования в таблице 1, в которой основное внимание уделяется только эмиттеру. Обратите внимание, что это может также повлиять на другие аспекты устройства TEC, такие как эмиттер с низкой работой выхода, неявно предъявляющий требования к работе выхода коллектора.

Таблица 1 . Требования и преимущества эмиттера, а также требования, связанные с устройством.

Текущее состояние дел и последние достижения

Поскольку излучатель играет решающую роль в работе ТЭО, значительное количество исследований было сосредоточено на разработке соответствующих материалов для излучения. Таким образом, в настоящее время рассматривается широкий спектр материалов для систем термоэлектронной эмиссии и ТЭО. Некоторые из них приведены ниже.

Тугоплавкие металлы с Cs

Тугоплавкие металлы по-прежнему являются предпочтительным материалом для высокотемпературных ТЭО-излучателей.Исследования показали преимущество монокристаллических поверхностей тугоплавких металлов, в том числе ниобия, рения, вольфрама, молибдена и их сплавов (Фоменко, 1966; Бакшт и др., 1978). Достижения в области химического осаждения из паровой фазы позволили получить неплоские конфигурации (Macdonald et al. , 1989). Эти поверхности обычно используются в ТЭО с подожженной плазмой Cs, так как Cs, адсорбированный на поверхности эмиттера, снижает работу выхода до значений ~1,5 эВ (Wilson, 1959; Aamodt et al., 1962; Norris, 1964).

Скандаты и бариевые (Ba) излучатели дозаторов

Ранние исследования установили, что свободный Ba снижает работу выхода оксидных поверхностей, а различные комбинации оксидов Ba-Sr-Ca приводят к снижению работы выхода (Jenkins, 1969). Эти материалы были включены в эмиттеры с металлической опорой для улучшения подачи электроэнергии через оксиды с высоким удельным сопротивлением. Типичные эмиттеры формируются из пористого вольфрама, пропитанного оксидами Ba-Sr-Ca (Jenkins, 1969; Gibson et al., 1989). При высокой температуре Ba испаряется и его необходимо заменять, что ограничивает срок службы источников. Включение слоя оксида скандия (Sc ₂ O ₃ ) на поверхности пропитанного эмиттера обеспечивает существенное увеличение плотности эмиссионного тока, что объясняется более низкой работой выхода. Хотя Ba является необходимым компонентом скандатных излучателей, детали структуры поверхности все еще находятся в стадии изучения.

Алмазные и широкозонные полупроводники

Широкозонные полупроводники из алмаза, нитрида бора (BN) и нитрида алюминия (AlN) имеют высокие температуры плавления, демонстрируют отрицательное или малое сродство к электрону и рассматривались для приложений с электронной эмиссией (Nemanich et al., 1996; Сугино и др., 2002). Для монокристаллического алмаза было установлено, что поверхности с концевыми водородными группами имеют NEA, а характер n-типа достигается за счет легирования азотом или фосфором (рис. 2) (van der Weide et al., 1994; Diederich et al., 1998; Катаока и др., 2010). Алмаз, легированный азотом и фосфором, имеет глубокие донорные уровни при ~ 1,7 и 0,6 эВ соответственно. Термоэлектронная эмиссия с легированных азотом монокристаллических алмазных поверхностей и поликристаллических алмазных пленок показала работу выхода ~2. 0 и ~1,4 эВ соответственно (Koeck et al., 2009; Nemanich et al., 2010). Более высокая работа выхода на поверхности монокристалла была приписана эффектам изгиба зон. Плотность тока на поверхностях ниже ожидаемой, что может быть связано с удельным сопротивлением материала и/или константой Ричардсона. Нестабильность эмиссии может быть связана с десорбцией водорода. Примечательно, что аналогичные результаты были получены несколькими группами (Ristein, 2000; Koeck et al., 2009). Существует согласие, что кубический BN, обработанный водородной плазмой, демонстрирует NEA, который, по-видимому, стабилен до температур ~ 800 ° C.Надежное легирование n-типа все еще остается проблемой. Чистые поверхности AlN демонстрируют небольшое или NEA, но сродство к электрону увеличивается при воздействии кислорода (Grabowski et al., 2001). Сообщалось о получении AlN n-типа с легированием кремнием (Zeisel et al., 2000). Из этих материалов выращенный в лаборатории кристаллический алмаз и подложки из AlN становятся коммерчески доступными. Недавние сообщения показывают, что замыкание оксидом металла может обеспечить стабильную поверхность алмаза NEA (Tiwari et al., 2014), и такое же замыкание может оказаться подходящим для BN и AlN.

Рисунок 2 . Характеристики термоэлектронной эмиссии между выращенным образцом алмаза (A) с включенным азотом и (B) тем же образцом после воздействия низкоэнергетической водородной плазмы. Было обнаружено, что эта обработка гидрированием значительно увеличила ток термоэлектронной эмиссии, прежде всего за счет улучшения постоянной Ричардсона эмиттера. Предполагается, что эти результаты связаны с увеличением поверхностной и объемной концентрации водорода при гидрировании.Поскольку такие образцы выращены в богатой водородом среде, вероятно, небольшое количество водорода присутствует в объеме и на поверхности алмаза (C) . Поскольку водород снижает сродство к электрону (и, следовательно, работу выхода) алмаза, большая часть излучения будет исходить от этих участков поверхности. При гидрировании концентрация водорода на поверхности увеличивается, что приводит к увеличению количества мест для выбросов (D) . Кроме того, повышенная объемная концентрация водорода снижает удельное сопротивление образца, что позволяет увеличить поток электронов, движущихся перпендикулярно поверхности.Это объяснение, по-видимому, объясняет наблюдаемое значительное увеличение константы Ричардсона при небольшом изменении работы выхода после гидрирования. (A,B) Перепечатано с разрешения Paxton et al. (2012). Copyright 2012, Американское вакуумное общество. (C,D) Изображения предоставлены W. F. Paxton.

Нанотипы/одномерные материалы

Углеродные нанотрубки — характерный одномерный материал, демонстрирующий низкое удельное электрическое сопротивление и сильную эмиссию электронов при слабом приложенном поле (Saito et al., 1997). Тем не менее, они обладают относительно высокой работой выхода, но в сочетании с материалом с низкой работой выхода, таким как алмаз p-типа, легированный B, могут обеспечить идеальную конфигурацию для конкретных применений эмиттера. Были разработаны новые подходы к осаждению, которые позволили выращивать легированный бором алмаз на многостенных носителях из нанотрубок (Занин и др., 2014).

В дополнение к продолжающейся разработке материалов, специфичных для выбросов, ряд новых достижений направлен не только на снижение работы выхода, но и на усиление выбросов за счет других механизмов.Ниже перечислены некоторые из этих недавних открытий.

Термоэлектронная эмиссия с фотонным усилением (PETE)

Термоэлектронная эмиссия с фотонным усилением (PETE) — это комбинированный процесс эмиссии, в котором поглощение фотонов сочетается с термоэмиссией. Эффект ПЭТЭ для эмиттеров, содержащих полупроводниковый поглощающий слой, использует преимущества как полной энергии потока фотонов, так и потока фотонов с достаточной энергией для возбуждения электронов непосредственно в зону проводимости эмиттера (Schwede et al., 2010, 2013). Эффект обеспечивает существенное увеличение плотности тока эмиттера при умеренных температурах (т. е. при температурах ниже точки, где доминирует чисто термоэлектронная эмиссия). Об эффекте ПЭТЭ сообщалось для поверхностей нитрида галлия: цезия и для двухслойных структур кремний/алмаз (Schwede et al., 2010; Sun et al., 2014). Роль поверхностной и межфазной рекомбинации также изучалась в гетероструктурах III-V (Schwede et al., 2013). Подобное PETE поведение также наблюдалось в массивах углеродных нанотрубок (Vahdani Moghaddam et al., 2015).

Излучатели/коллекторы NEA для снижения пространственного заряда

Исследования показали, что снижение уровня вакуума ниже минимума зоны проводимости (т. е. поверхности NEA) должно уменьшить барьер пространственного заряда (Smith et al., 2006; Smith, 2013). Эффект связан с кинетической энергией электронов, испускаемых с поверхности NEA, которая была бы больше, чем значение NEA. Например, для поверхности алмаза с H-концом уровень вакуума более чем на 1 эВ ниже минимума зоны проводимости.Это означает, что электроны, вылетающие из минимума зоны проводимости, будут иметь кинетическую энергию более 1 эВ, что позволит преодолеть потенциальный барьер объемного заряда. Моделирование показало, что барьер пространственного заряда уменьшается на величину NEA для термоэлектронной эмиссии электронов зоны проводимости.

Тепловая ловушка в одномерных материалах

Ограничение применяемой тепловой энергии областью термоэлектронной эмиссии с низкой работой выхода может оказаться решающим для эффективной работы некоторых структур эмиттера.Исследования установили, что одномерные материалы, такие как углеродные нанотрубки, могут легко поддерживать чрезвычайно высокий температурный градиент (во всех направлениях), потому что перенос тепла между нанотрубками низок, а перенос тепла вдоль нанотрубки ограничен рассеянием фононов и узким поперечным сечением. (Рисунок 3) (Ягуби и др., 2011, 2012).

Рисунок 3 . (A) Схематическое изображение солнечного источника электронов (не в масштабе). Сфокусированный солнечный свет вызывает локальный нагрев леса нанотрубок до температур термоэлектронной эмиссии, а анод, расположенный над лесом, собирает испускаемые электроны. Из-за эффекта «тепловой ловушки» в лесах углеродных нанотрубок очень легко локально нагреть эти проводящие материалы до температур термоэлектронной эмиссии, используя низкую оптическую силу. (B) Это позволило недавно продемонстрировать компактные солнечные термоэмиссионные устройства. На фотографии показана экспериментальная установка солнечного источника электронов на открытом воздухе. Стандартная линза диаметром 50 мм использовалась для концентрации солнечного света на пятне размером ~ 700 мкм на боковой поверхности леса углеродных нанотрубок (помещенного внутри стеклянной вакуумной трубки).Электрометр Keithly 6517A использовался для подачи напряжения сбора и измерения тока эмиссии электронов (вставка показывает накал от локализованной горячей точки на лесу из нанотрубок, в то время как окружающие участки леса остаются прохладными). Адаптировано из Yaghoobi et al. (2012) согласно Creative Commons Attribution 3.0.

Молекулярная/ионно-усиленная эмиссия

Вместо того, чтобы использовать межэлектродные частицы для уменьшения объемного заряда в ТЭО, в этом подходе используются межэлектродные молекулы/ионы, которые способствуют переносу заряда через зазор. Этот процесс применим к термоэмиссионному преобразователю с узким зазором. Концепция основана на образовании отрицательного иона, когда нейтральная молекула контактирует с поверхностью эмиттера, десорбции иона, так что он пересекает электродный зазор, и нейтрализации иона при контакте с поверхностью коллектора. Эффект наблюдался для атомарного водорода и аммиака (NH ₃ ) в термоэмиссионном преобразователе с алмазными поверхностями, легированными азотом. Эти молекулы имеют связанные состояния отрицательных ионов около 0,75 эВ, что, по-видимому, совпадает с электронными состояниями легированного алмазного эмиттера.Результаты показали увеличение удельной мощности на порядок при введении водорода или аммиака в планарную ячейку ТЭО на основе алмаза (Koeck et al., 2011). Если термоэмиссионные преобразователи работают с ионизированным фоновым газом, перенос заряда от эмиттера к коллектору голыми электронами может быть заменен транспортом через ионы . Преимущество этого механизма состоит в том, что энергетические уровни атомов, молекул или ионов могут быть соответствующим образом согласованы с энергетическими уровнями в эмиттере или коллекторе, чтобы обеспечить улучшенный перенос заряда между электродами и газом, например, с помощью поля, усиленного ионами. эмиссия (Go and Venkattraman, 2014).

Квантовое туннелирование/термополевая эмиссия

Термоэлектронная эмиссия обычно представляется как электроны, испускаемые с энергией, превышающей энергию вакуумного барьера. Однако приложение поля может привести к значительному излучению из-за снижения барьера (т. Е. Эффекта Шоттки в уравнении 2) и квантово-механического туннелирования (т. Е. Термического туннелирования). Исследования показали, что нановыступы могут приводить к повышенной термоэлектронной эмиссии, связанной с туннельными эффектами и снижением барьера (Spindt et al., 1976; Бармина и др., 2012).

Будущие потребности и возможности

Несмотря на значительный прогресс в разработке материалов для эмиттеров, а также новых подходов к усилению излучения, все еще остаются значительные препятствия для внедрения этих материалов в функциональные ТЭО-устройства с высокими характеристиками и длительным сроком службы. Мы указываем на несколько областей будущих исследований, которые могли бы помочь восполнить этот пробел.

Материалы эмиттера и покрытия

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в поиске новых материалов с низкой работой выхода, таких как широкозонные полупроводники NEA из алмаза, BN и AlN (Powers et al., 1995; Неманич и др., 1996). Стабильные поверхностные заделки NEA существенно повлияют на применимость этих материалов в приложениях ТЭО. В первоначальных сообщениях предполагается, что для алмаза может быть уместно замыкание монослойными оксидами металлов. Фактически, однослойные и двухслойные соединения, которые оптимизируют поверхностный диполь, могут влиять на большую группу материалов, которая может включать карбиды и другие керамические материалы. Недавние разработки в области атомно-слойного осаждения тонких оксидов могут быть своевременными для этих новых материалов.Монокристаллические или крупнозернистые поликристаллические подложки могут обеспечить значительное улучшение стабильности и эффективности, а роль дефектов или примесей может быть установлена ​​более тщательно.

Комплексная теория/моделирование излучения

Несмотря на то, что разработка материалов заняла центральное место, многие фундаментальные аспекты термоэлектронной эмиссии остаются нерешенными. Например, коэффициент Ричардсона A до сих пор преимущественно определяется только эмпирической подгонкой кривой и не может быть хорошо предсказан теоретически для большинства материалов (Hatsopoulos and Gyftopoulos, 1979).В дальнейшем роль теории и моделирования решает двойную задачу: (1) связать свойства материалов с эмиссией, стабильностью и учитывать новые механизмы, такие как PETE, NEA и квантовые эффекты, и (2) дать рекомендации. на эффекты системного уровня, которые включают тепловой перенос, связь фотонов и общие характеристики работы системы. Для конкретных материалов решающее значение будет иметь фундаментальное понимание работы выхода поверхности и константы Ричардсона для различных поверхностей и материалов.Разработка базы данных материалов и поверхностей с теоретическим обоснованием также может оказать большое влияние на разработку новых систем. Один из примеров использования квантово-механических расчетов для эмиттеров с наноостриями показан на рисунке 4.

Рисунок 4 . Модель неравновесной функции Грина использовалась для исследования эмиссионного тока в зависимости от длины и ширины иглы. (A) Расчетная локальная плотность состояний для нескольких материалов с работой выхода. (B) Нижний график представляет ток эмиссии для ряда значений ширины зонда. Пунктирные линии обозначают наконечник, а сплошные линии — результаты тонкой пленки. Изображения предоставлены Т. Мушо.

Новые механизмы эмиссии

Ряд новых механизмов излучения, упомянутых ранее, находятся на очень ранних стадиях понимания или даже проверки концепции. Термоэлектронная эмиссия с фотонным усилением (PETE), NEA для снижения барьера пространственного заряда, квантовое туннелирование из наноструктур, фокусировка тепловой энергии с помощью одномерных материалов и перенос заряда при формировании ионов — все это, по-видимому, имеет значительные преимущества для конкретных конфигураций. Необходимы исследования, чтобы сопоставить эти новые механизмы с новыми материалами, упомянутыми выше. Этот процесс должен продвигаться скоординировано с теорией и моделированием. Кроме того, многие из этих идей бросают вызов традиционной концепции термоэлектронной эмиссии, основанной на нагретом простом металле. Точно так же, как полупроводниковые электронные и оптоэлектронные устройства учитывают полосы и вклады от конкретных электронных состояний и колебательных мод, вполне могут быть возможности для квантовой инженерии конкретных состояний переноса электронов, которые могли бы повысить эффективность системы TEC.

Зазор между электродами

Требования

Межэлектродный зазор — это область, в которой происходит существенный перенос электронов, и поэтому она может существенно влиять на характеристики ТЭО. Благодаря своему кулоновскому заряду электроны, идущие от эмиттера к коллектору, создают отрицательный электростатический потенциал, который отталкивает другие электроны. Этот потенциал может легко достигать нескольких вольт. Поскольку он масштабируется с плотностью электронов, он велик при высоких плотностях тока и усиливается при малых скоростях носителей.Как отмечалось ранее, например, если плотность электронов в промежутке превышает критический предел, отрицательный объемный заряд отрицательно влияет на эмиссионный ток, как это описывается законом Чайлда-Ленгмюра (Child, 1911; Langmuir, 1913). В стандартной конфигурации диода, работающего в вакууме, этот объемный заряд не позволяет электронам покидать эмиттер и тем самым подавляет ток эмиттер-коллектор до нулевых значений. Смягчение эффекта пространственного заряда было основной проблемой при применении термоэлектронных преобразователей за счет снижения вдвое их эффективности и, таким образом, предотвращения их наземного использования (Moyzhes and Geballe, 2005).Удивительно, что в течение столетия существование обычных пространственных зарядов было единственным препятствием для разработки приложений возможно высокоэффективного термоэмиссионного процесса.

В дополнение к эффектам пространственного заряда, тепловая связь через зазор является критическим каналом потерь для термоэмиссионных преобразователей. Тепловая связь в основном вызвана тепловым излучением, которое для d > ~1 мкм не зависит от расстояния между эмиттером и коллектором d , поскольку для этих расстояний эффекты излучения в ближней зоне пренебрежимо малы (см.г., Ли и др., 2012а). Тепловая связь также обеспечивается за счет теплопроводности по паразитным каналам, если таковые имеются, например, по прокладкам, установленным между эмиттером и коллектором. Для преобразователей, работающих с фоновым давлением газа или плазмой, перенос тепла этими газами усиливает тепловую связь.

Необходимость в четко определенном и равномерном зазоре, который стабилен при рабочей температуре в течение всего срока службы термоэмиссионного преобразователя, представляет собой одну из наиболее серьезных проблем при проектировании термоэмиссионных преобразователей. Деформация и искривление эмиттера и коллектора, а также изменение ширины зазора при нагреве могут привести к катастрофическим контактам между эмиттером и коллектором, а также, в меньшей степени, к неоднородному распределению температуры и тока. Очевидно, что для эффективности и долговечности эти неоднородности должны быть ограничены. Распухание ядерного топлива, если оно присутствует, может дополнительно усложнить поддержание стабильного зазора.

Прижатие эмиттерного и коллекторного электродов к прокладкам, разделяющим два электрода, позволяет удерживать их на одном уровне и на желаемом расстоянии при любых температурах.Материалами-кандидатами, которые могут быть использованы для прокладок при высоких температурах и с большими температурными градиентами, являются, например, диоксид кремния (SiO ₂ ) и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ). Плотность прокладок должна сбалансировать приемлемый изгиб электродов с тепловыми потерями. Реакции или взаимная диффузия между прокладками и электродами, в частности эмиттером, должны быть допустимыми. На протяжении всего срока службы преобразователя прокладки, подвергающиеся большому температурному градиенту, должны быть электроизолирующими как в объеме, так и на поверхности, в контакте с электродами и в рабочей атмосфере, зарядка прокладки может стать проблема.Поскольку теплопроводность прокладок зависит от их площади и обратно пропорционально их длине, желательно меньшее количество прокладок и большее расстояние между излучателем и коллектором для меньших тепловых потерь.

Текущее состояние дел и последние достижения

Исторически сложилось так, что большое внимание уделялось смягчению эффектов пространственного заряда и созданию очень однородных зазоров между электродами. Ниже приводится сводка многих из этих прошлых усилий, а также некоторых более поздних стратегий, которые имеют значительный потенциал.

Межэлектродная плазма

Поскольку ранее было невозможно решить проблему пространственного заряда без ущерба для эффективности преобразователей, альтернативной стратегией было введение положительных ионов в межэлектродный промежуток для нейтрализации эффекта объемного заряда (Baksht et al. , 1978). ), принимая существенный недостаток в снижении эффективности на ~30–50%. Поскольку скорость ионов намного ниже скорости электронов, для нейтрализации зарядов электронов достаточно пропорционально меньшего ионного тока.Было обнаружено, что катионы цезия (Cs ⁺ ) являются предпочтительными ионами, поскольку Cs имеет небольшую энергию ионизации (3,9 эВ). Кроме того, Cs характерно снижает работу выхода коллектора, что является значительным преимуществом. Менее привлекательным является то, что рабочие функции всех других поверхностей, на которые осаждается Cs, также снижаются, что может вызывать проблемы с нежелательными процессами эмиссии электронов и менее чем оптимальной работой выхода эмиттера. Для необходимой непрерывной подачи Cs требуется резервуар Cs, который ограничивает срок службы преобразователя, если резервуар не может быть пополнен.Запас Cs реакторов ТОПАЗ в размере ~1 кг ограничил их срок службы ~1 годом. Для процесса ионизации Cs были исследованы различные подходы, из которых использовалась только ионизация низковольтным дуговым разрядом паров Cs. Мощность, необходимая для поддержания разряда, снижает эффективность таких преобразователей на 30-50% (Национальный исследовательский совет, 2001; Мойжес и Гебалле, 2005). Поэтому недавно было предложено генерировать Cs ⁺ для компенсации пространственного заряда с помощью подходящей комбинации сетчатого электрода и приложенного магнитного поля (Moyzhes and Geballe, 2005).Эта процедура ионизации заслуживает экспериментального исследования, поскольку она была разработана так, чтобы потреблять меньше энергии, чем современный дуговой разряд низкого напряжения. Из-за небольшого КПД, вызванного ионизацией Cs, наземное использование термоэмиссионных преобразователей не проводилось.

Электродные зазоры в микромасштабе

Второй подход, который, как было признано, предлагает решение проблемы пространственного заряда, заключается в размещении эмиттера и коллектора так близко друг к другу, что зазор между эмиттером и коллектором становится слишком маленьким для накопления достаточного количества электронов и создания вредного пространства. обвинение.Для этого требуется расстояние между эмиттером и коллектором менее ~ 5–10 мкм (Национальный исследовательский совет, 2001 г.), которое должно поддерживаться с жесткими допусками. Механически стабильную опорную конструкцию для электродов оказалось сложно построить, и было обнаружено, что она отводит слишком много тепла от эмиттера (National Research Council, 2001). Тем не менее, к 2001 году в России был построен термоэмиссионный преобразователь с зазором 6 мкм, который оказался хорошо работающим, но механически нестабильным (Национальный исследовательский совет, 2001). Поэтому в настоящее время изучаются современные технологии микрообработки и изготовления полупроводников для стабилизации этих расстояний с помощью прокладок, которые выдерживают рабочую температуру и большие температурные градиенты между эмиттером и коллектором (Lee et al., 2012б,в, 2014; Белбачир и др., 2014). Этому способствует использование модульных конструкций преобразователей, состоящих из сравнительно небольших эмиттерно-коллекторных сборок. Были изготовлены тестовые сборки с латеральными размерами 500 мкм (Lee et al., 2012b,c, 2014), которые успешно продемонстрировали, что они остаются стабильными в течение нескольких часов при 900–1400 K ( d = 100 мкм). Кроме того, были проведены тесты при d = 1,6 мкм со спейсерами типа микробусин (Littau et al., 2013). В Belbachir et al. (2014), расстояние между эмиттером и коллектором d = 10 мкм было реализовано за счет использования прокладок SiO ₂ , разделяющих SiC и пластины Si с эффективной площадью 7 мм × 20 мм, хотя и с очень большими тепловыми потерями. через прокладки (~0.4 Вт/К для T _E ~830°C и T _C ~370°C).

Промежуточные электроды

Третий подход к решению проблемы пространственного заряда заключается в использовании дополнительного электрода, затвора или сетки, для рассеивания облака пространственного заряда путем перемещения электронов из облака в коллектор. В прошлом этот метод оказался безуспешным (Hatsopoulos and Gyftopoulos, 1973). Однако в 2013 году были продемонстрированы термоэмиссионные преобразователи, в которых проблема объемного заряда решалась безионным подходом путем рассеивания облака пространственного заряда с помощью положительно заряженного затвора (рис. 5) (Meir et al., 2013). Токи затвора необходимо подавлять, что можно сделать, применяя магнитные поля или используя электронно-прозрачные материалы затвора (Wanke et al., 2016), последнее дает возможность реализовать преобразователи чрезвычайно малого веса. Этот вариант термоэлектронного преобразования энергии называется термоэлектронной генерацией энергии, поскольку он не зависит от механизма излучения и, кроме того, использует в качестве активных частиц только электроны, а не ионы (Meir et al., 2013; Wanke et al., 2017). В термоэлектронных устройствах оптимальные расстояния между эмиттером и коллектором составляют порядка 100 мкм.В то время как потери затвора и, возможно, генерация магнитных полей постоянными магнитами или катушками с высокой сверхпроводимостью заслуживают рассмотрения, электрод затвора обеспечивает возможность настройки устройств, например, для электронной регулировки выходной мощности или температура эмиттера. Термоэлектронные преобразователи являются многообещающими кандидатами, поскольку они не требуют плазмы Cs, но работают с большими расстояниями между эмиттером и коллектором, так что они отличаются долговечностью, относительной надежностью и работой даже при очень высоких температурах эмиттера.

Рисунок 5 . Использование вентилей для решения проблемы пространственного заряда. В термоэлектронных генераторах, как показано на панели (A) , напряжение затвора обеспечивает эффективную работу при больших расстояниях между коллектором и эмиттером, d _ec . (B) Данные измерений (точки данных) вместе с результатами численного моделирования (линии) для различных диаметров отверстий ( ​​ w ) ворот. Адаптировано из Meir et al. (2013) согласно Creative Commons Attribution 3.0.

Будущие потребности и возможности

Эти недавние достижения в разработке устройств, в которых используются преимущества новых возможностей микропроизводства, открыли возможность преодоления проблемы пространственного заряда, которая исторически преследовала устройства TEC. Тем не менее, требуется дополнительная работа, чтобы воплотить эти и другие новые идеи в жизнь. Мы суммируем несколько возможностей в будущем, которые необходимы для того, чтобы это произошло.

Электродные зазоры в микромасштабе

Доступность технологий микропроизводства и изготовления полупроводников, а также достижения в области материаловедения открывают большие возможности для изготовления интегрированных термоэлектронных преобразователей с микроразмерными межэлектродными промежутками.Во-первых, были созданы и исследованы тестовые устройства с микрозазорами с помощью полупроводниковых технологий (Lee et al., 2012b,c, 2014; Belbachir et al., 2014). Следующими большими шагами станет демонстрация эффективности и производительности в реальных условиях эксплуатации. Использование технологий вакуумных пластин открывает новые возможности для модульных, легких конструкций, которые, в принципе, также могут быть изготовлены экономичным способом. Поскольку устройства имеют небольшую массу, они могут быть надежными и экономичными, что характерно для устройств типа MEMS.Кроме того, сборки эмиттера и коллектора могут быть изготовлены стандартными тонкопленочными процессами, и возможности для проектирования устройств с микроразмерными зазорами огромны. Их необходимо использовать как возможные пути к устройствам с малыми тепловыми потерями и желаемой долговременной стабильностью.

Промежуточные электроды

Как и в случае устройств с микрозазорами, в термоэлектронных устройствах изучается использование технологий микрообработки и изготовления полупроводников для интеграции электродов затвора в устройства с большими расстояниями между эмиттером и коллектором (~ 100 мкм).Модельные расчеты показывают высокую эффективность при таких больших расстояниях между эмиттером и коллектором, что еще предстоит продемонстрировать экспериментально. Одной из ключевых проблем является конструкция затворов, обеспечивающая высокую прозрачность для электронов и, следовательно, малые токи затвора для минимизации потерь затвора. Еще одним ключевым вопросом является разработка методов изготовления интегральных устройств с требуемыми расстояниями между эмиттером и коллектором и малыми тепловыми потерями. Использование оптимизированных материалов для затворов, микромасштабное структурирование затворов и, возможно, магнитных полей открывают возможности для реализации таких устройств в полупроводниковой технологии на основе флип-чипов.В таких устройствах наноструктурирование электродов эмиттера или коллектора может использоваться для согласования микроструктуры затвора с целью достижения оптимальной производительности устройства, например, путем направления эмиссии электронов через отверстия затвора.

Новые идеи и области исследований

Как отмечалось в разделе «Современное состояние техники и последние достижения», одной новой и новой концепцией эмиссии является использование атомов или молекул для переноса зарядов от эмиттера к коллектору. Эта радикально новая концепция требует изучения ее преимуществ, в частности ее возможной синергии с микроплазмой или низкотемпературной плазмой (Go and Venkattraman, 2014). Фундаментальные вопросы, касающиеся передачи энергии между электродами, потерь и роли объемных зарядов, еще предстоит исследовать. Как и в случае с технологией микрофабрикации, в последние годы в науке о микроплазмах был достигнут значительный прогресс (Becker et al., 2006). Были представлены новые и многообещающие идеи по уменьшению этих потерь за счет оптимизированной генерации плазмы (Moyzhes and Geballe, 2005), но, насколько нам известно, они еще не исследовались экспериментально. Из-за небольшого расстояния между эмиттером и коллектором термоэмиссионных преобразователей обращение и оптимизация плазмы, ограниченной зазором между эмиттером и коллектором, являются сложной задачей.Сегодняшние знания о микроплазме могут быть применены для разработки новых архитектур преобразователей на основе воспламенения Cs, возможно, даже в импульсном режиме, или для разработки совершенно новых концепций нейтрализации пространственного заряда на основе плазмы.

Теория и моделирование транспорта

Принципы движения электронов в пространстве, переноса тепла и плазменных разрядов давно известны. Однако в последние годы программное обеспечение для трехмерного моделирования начало предлагать огромные преимущества при проектировании термоэлектронных преобразователей, поскольку поведение объемных зарядов в неоднородных электромагнитных полях трудно оценить иначе.Хотя существующий код уже доказал свою полезность, тем не менее, требуются дальнейшие усовершенствования. Было бы полезно, если бы были доступны коды, способные имитировать работу преобразователей на системном уровне. Это должно быть основано на расчете движения электронов в пространственном заряде, возникающем из-за большого количества электронов, испускаемых в процессе, характеризующемся распределением их тепловой энергии и движущимся в неоднородных электромагнитных полях. Для оценки производительности устройства на системном уровне обязательно, чтобы такие коды объединяли все физические процессы, перенос электронов вместе с генерацией, распределением и потоком тепловой энергии.Такие алгоритмы должны быть итеративными, и требования к их численной точности высоки, поскольку разброс скоростей электронов может быть значительным, как и разброс масштабов длин, в частности, если процессы излучения и поглощения на наноструктурированных поверхностях должны быть учтены. принято во внимание. Для термоэмиссионных преобразователей, использующих плазму или газ, точный расчет производительности устройства является еще более сложным. Обратите внимание, что проблемы с моделированием возникают не из-за неизвестных аспектов физики, и не из-за того, что алгоритмы в принципе неизвестны.Скорее, это большое количество частиц и множество вовлеченных масштабов длины и времени, которые препятствуют хорошему моделированию высокоэффективного преобразователя энергии с макроскопической длиной стороны.

Коллекция

Требования

Коллектор в устройстве TEC часто является компонентом, о котором чаще всего забывают, однако он по-прежнему напрямую влияет на общую производительность термоэмиссионного преобразователя. Для типичных конфигураций ТЭП максимальная мощность достигается при работе при напряжении, равном разнице работы выхода эмиттера и коллектора, как показано в уравнении.4. Следовательно, коллектор с низкой работой выхода имеет большое преимущество. При типичной работе электроны собираются в состояниях выше работы выхода коллектора, и термализация в тепловое распределение коллектора является основным механизмом передачи тепла от эмиттера к коллектору. Туннелирование в состояния ниже уровня вакуума может оказаться преимуществом в уменьшении этого механизма потерь. Поглощение теплового излучения излучателя является вторым основным источником теплопередачи, а высокая отражательная способность коллектора в инфракрасном диапазоне может повысить эффективность системы.В некоторых рабочих условиях обратная эмиссия электронов из коллектора будет способствовать возникновению барьера пространственного заряда. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что поверхность NEA на коллекторе может уменьшить барьер пространственного заряда. Электрическое сопротивление коллектора также влияет на потери мощности в системе, а пониженная теплопроводность может ограничивать разницу температур между эмиттером и коллектором. Предполагается, что высокая постоянная Ричардсона указывает на низкое значение коэффициента отражения электронов на поверхности коллектора; следовательно, желательно высокое значение. Однако, если коэффициент Ричардсона слишком высок, обратная эмиссия коллектора может снизить эффективность; поэтому должно быть оптимальное промежуточное значение. В таблице 2 приведены некоторые из этих требований, необходимых для высокопроизводительного коллектора.

Таблица 2 . Требования и преимущества коллектора, а также требования к устройству.

Текущее состояние дел и последние достижения

Как и в случае с эмиттером, многие проблемы с коллекторами можно свести к проблемам с материалами.Однако коллектору обычно уделяется гораздо меньше внимания, чем эмиттеру. Тем не менее, ниже приводится обзор как исторических, так и более современных подходов к проектированию коллекторов.

Материалы коллектора

Большинство материалов, указанных в разделе «Эмиссия» для эмиттеров, также могут быть разработаны для использования в качестве поверхностей коллекторов. Поверхности скандата и легированного фосфором алмаза n-типа демонстрируют наименьшую работу выхода для нецезиевых поверхностей, о которых сообщалось на сегодняшний день (Koeck et al. , 2009). На самом деле они могут быть самыми низкими в целом, и эти поверхности могут обеспечить значительные преимущества для конкретных конфигураций ТЭО. Пленки оксида скандия, объединенные с пористым металлом, могут обеспечить как низкую работу выхода, так и низкое электрическое сопротивление, необходимые для эффективной работы коллектора в системе ТЭО (Gibson et al., 1989). В отчетах указана термоэлектронная работа выхода 0,9 эВ для поликристаллических пленок алмазов, легированных фосфором (Koeck et al., 2009), а также очень низкая постоянная Ричардсона.Уровень донора фосфора 0,6 эВ предполагает, что более низкая работа выхода может быть достижимой. Однако результаты были получены на основе термоэлектронной эмиссии, а не сбора.

Коллекторные механизмы

Недавно было высказано предположение, что сетчатая структура вблизи поверхности коллектора может обеспечить туннелирование электронов в состояния ниже уровня вакуума (рис. 6) (Pan et al., 2014). Этот эффект может снизить эффективную работу выхода и повысить эффективность за счет уменьшения теплопередачи термализации.Моделирование также показало, что коллектор NEA приведет к существенному снижению барьера пространственного заряда (Smith, 2013). Обратная эмиссия более сложна для поверхностей полупроводников, и нужно еще решить, станет ли она важной.

Рисунок 6 . (A) Диаграмма уровней энергии одноколлекторно-решеточной тепловой машины, где горячая сторона представляет собой классический термоэлектронный эмиттер с катодом, и имеется сильное электрическое поле (предпочтительно >0.1 В/нм) на коллекторе. Красная область изображает ландшафт потенциальной энергии в вакуумном промежутке, сформированный напряжением сетки. Электроны, испускаемые катодом, с энергиями выше, но близко к уровню Ферми коллектора (зеленая линия), могут туннелировать через установку тонкого барьера за счет электрического поля снаружи коллектора, обходя работу выхода коллектора (фиолетовая линия). (B) Прогнозируемая мощность в зависимости от эффективности термоэмиссионного преобразователя с одной коллекторной сеткой, в котором используется обратное туннелирование электронов на коллекторе электронов, с температурами T _H = 1500 K, T _C = 300 K, работы выхода ϕ _c = 2.0 эВ, ϕ _a = 1,5 эВ, переменное электрическое поле коллектора <0,4 В/нм. Нижняя кривая соответствует 1% потерь в сети. Перепечатано с разрешения Pan et al. (2014). Авторское право IEEE, 2014 г.

Будущие потребности и возможности

Было проведено несколько исследований свойств материалов для применения в коллекторах, и они обычно связаны с определенным эмиттером в конфигурации ТЭО. Хотя многие аспекты поверхности коллектора можно вывести по аналогии с характеристиками эмиттера, кажется, что сосредоточение внимания на характеристиках коллектора может привести к гораздо более четко определенным оптимальным характеристикам.

Комплексная теория/моделирование сбора

Будет важно обеспечить фундаментальное понимание того, как постоянная Ричардсона влияет на сбор электронов, и, кроме того, можно ли оптимизировать постоянную Ричардсона с различными поверхностными окончаниями. Разработка базы данных материалов и поверхностей с теоретическим обоснованием будет иметь решающее значение для разработки новых систем. На системном уровне потребуется моделирование тепловых свойств.

Материалы и поверхности коллектора

Исследования материалов эмиттеров выявили несколько коллекторов-кандидатов с одними из самых низких показателей работы. Новые исследования должны быть сосредоточены на увеличении поглощения электронов (т. е. на минимизации отражения электронов), и, казалось бы, поверхностные заделки должны играть важную роль.

Новые коллекционные эффекты

Теоретическое исследование показало, что поверхность коллектора NEA может уменьшить барьер пространственного заряда (Smith, 2013). Есть возможности расширить исследование, чтобы определить связь с конкретными конфигурациями материалов и обеспечить экспериментальные проверки. Точно так же есть возможность понять роль квантового туннелирования на поверхности коллектора.

Конструкции со встроенным коллектором

Особое внимание при проектировании интегрированных коллекторов будет уделяться сетке или наноструктурам для усиления эффекта туннелирования и интеграции эффективного охлаждения для контроля температуры системы.

Новые концепции и комплексные подходы

Квантовое туннелирование и NEA-поверхности — две новые концепции, заслуживающие дальнейшего изучения. Как отмечалось в разделе «Будущие потребности и возможности», вклад конкретных электронных состояний и колебательных мод вполне может предоставить возможности для квантовой инженерии конкретных состояний переноса электронов, которые могли бы повысить эффективность коллектора и системы ПЭС.

Вперед

В предыдущих разделах были обозначены конкретные области необходимых исследований на уровне отдельных компонентов.Однако, помимо улучшения и оптимизации отдельных компонентов, остаются проблемы системного уровня, которые исследовательское сообщество TEC должно решить.

Стандарты определения характеристик и испытаний

Учитывая, что технология ТЭО еще не получила широкого распространения, не был полностью установлен полный набор стандартов для тестирования всех аспектов изготовленных устройств или определения характеристик материалов, используемых в различных компонентах устройств, хотя был достигнут значительный прогресс в определении показатель качества работы преобразователя (Shefsiek, 2010).В этом разделе мы сначала рассмотрим основные требования к характеристике и тестированию в термоэлектронике, затем опишем текущее состояние дел и, наконец, обсудим будущие потребности и некоторые возможности, доступные для дальнейших исследований и разработок.

Характеристика материалов

Полное понимание свойств материалов, используемых для эмиттера, коллектора и других частей устройства, имеет решающее значение для оптимизации конструкции и производительности устройства.Критическим параметром как для эмиттера, так и для коллектора является работа выхода, и, вообще говоря, требуются материалы с очень низкой работой выхода или даже NEA. Работа выхода, однако, представляет собой довольно сложное свойство. Это зависит не только от атомного состава и структуры объема, но также сильно зависит от морфологии поверхности и любого типа покрытия, как преднамеренного, так и непреднамеренного. Кроме того, работа выхода зависит от температуры, например, из-за теплового расширения (Olawole and De, 2016), и это может быть особенно важно для термоэмиссионных преобразователей, учитывая повышенные температуры при использовании.

Другими важными факторами являются теплопроводность и электропроводность. Теплопроводность играет непосредственную роль в определении рабочей температуры, а также частично определяет нежелательную передачу тепла от излучателя к остальной части конструкции. Можно возразить, что, если только не требуется высокочастотный импульсный режим, для излучателя желательна низкая теплопроводность, чтобы свести к минимуму нежелательную передачу тепла в окружающую среду, особенно в приложениях, где можно напрямую нагревать поверхность излучателя, например, в солнечных батареях. термоэлектроника.Для коллектора ситуация может быть противоположной, поскольку необходимо снять тепловую нагрузку, создаваемую прилетающими электронами. Как для эмиттера, так и для коллектора необходима высокая электропроводность, и, естественно, это обычно достигается за счет высокой теплопроводности, которая может отрицательно сказаться на работе эмиттера. Поэтому важно иметь точные данные для этих значений проводимости и их взаимозависимости в зависимости от температуры. Такие данные не всегда имеются в литературе для рассматриваемых диапазонов температур.

Аналогично работе выхода другим параметром, напрямую влияющим на ток эмиссии, является постоянная Ричардсона для конкретного используемого материала; эта «константа» может фактически быть разной для разных материалов. Возможно, что еще более важно, физика излучения может отличаться в новых материалах с уменьшенной размерностью, и могут потребоваться модификации закона Ричардсона-Душмана (Liang and Ang, 2015). Другими важными факторами являются температура плавления или абляции материала и его структурная целостность при высоких температурах, а также его коэффициент теплового расширения.

Возможно, уже существуют различные методы для характеристики всех интересующих свойств материалов, начиная от электронной и сканирующей зондовой микроскопии/спектроскопии высокого разрешения для структурных и поверхностных морфологических исследований, заканчивая четырехточечными зондовыми измерениями электропроводности, а также вольтамперных характеристик. измерения (графики Ричардсона), зонд Кельвина и ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия для исследования работы выхода. Однако почти все они по существу ограничены сценариями определения характеристик материалов ex situ и не обязательно позволяют проводить прямое измерение или извлечение свойств в реальных условиях работы устройства или даже в эмулируемых рабочих условиях (например, при очень высоких температурах). Учитывая важность характеристики материалов in situ , как обсуждалось ранее, это может представлять собой существенное ограничение.

Характеристика устройства

Существует два аспекта тестирования и определения характеристик устройства: один включает измерение внешних параметров или параметров производительности. В зависимости от конкретного применения важными параметрами могут быть максимальная входная мощность, рабочая температура, выходная мощность, мощность на единицу объема или массы, выходной ток, плотность тока, выходное напряжение, выходное сопротивление, эффективность преобразования энергии, надежность (например, , к ионизирующему излучению), стабильность и срок службы.Другой аспект характеристики устройства связан с измерением и контролем внутренних параметров устройства, таких как температуры поверхности эмиттера и коллектора, электронный и ионный (если применимо) ток и их пространственное распределение в области зазора, падение напряжения на различных компонентов и точек контакта, а также накопление механических напряжений в различных областях устройства. Понимание этого имеет решающее значение для оценки конкретной конструкции или прототипа и его последующих улучшений.Поэтому необходимо иметь возможность охарактеризовать эти свойства на месте (во время работы устройства или, по крайней мере, в репрезентативных условиях).

Что касается самой работы устройства, то стандарты выполнения измерений и отчетов об измерениях, которые позволили бы проводить значимые сравнения самых разных устройств, требуют большего внимания, например, концепция барьерного индекса как показателя качества (Shefsiek, 2010). ). Такие концепции позволят возрождающемуся сообществу термоэлектроников сообщать о достижениях более кратко и эффективно.Точно так же сравнение устройств, которые работают с использованием различных типов входной мощности — отработанного тепла, атомной энергии, солнечной энергии и т. д., — нетривиально.

Характеристика на уровне системы

На практике термоэмиссионный преобразователь неизбежно будет использоваться в более крупной системе, как минимум, включающей источник входной мощности и нагрузку, если он не является частью более сложной энергосистемы с динамическими свойствами нагрузки и изменяющимися во времени требованиями, и включая сложную силовую электронную схему. Необходимо разработать меры для анализа затрат на единицу выработанной энергии или мощности, характеристик масштабирования/потенциала устройства и возможных проблем с безопасностью, возникающих в результате работы с высокой мощностью или высокой температурой или использования токсичных материалов в конструкции устройства.

Для фотогальваники и термоэлектрики, которые уже получили широкое распространение по сравнению с термоэлектроникой, уже используются стандартные испытательные приборы/средства и параметры. Примеры включают солнечные симуляторы и испытательный стенд Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии или параметр добротности (ZT). Если прогресс в области термоэмиссионных преобразователей должен быть ускорен, что неизбежно потребует участия многих исследователей из разных областей и географических регионов, решающее значение имеет эффективная передача результатов и сравнение полученных данных о производительности.Это требует разработки не только стандартного испытательного оборудования и центральных средств, но и четко определенных критериев отчетности о производительности. Например, какой из параметров является более значимым для сравнения: удельная мощность или общая мощность? И если первое, то как именно оно определяется? Точно так же следует ли указывать КПД устройства в зависимости от температуры эмиттера или разности температур между эмиттером и коллектором, или имеет значение просто максимальный КПД? Список можно продолжить.Ответ на многие такие вопросы далеко не тривиален и даже не уникален и требует тщательного обдумывания, обсуждения и достижения консенсуса.

Комплексная теория работы устройства

Существующие модели и теоретические исследования обычно ограничиваются частью термоэмиссионного преобразователя, такой как эмиссия электронов из эмиттера или транспорт через зазор. Если бы можно было разработать всеобъемлющую теорию/модель, включающую все аспекты работы от нагрева эмиттера до подачи энергии на нагрузку, это могло бы позволить извлекать многие параметры устройства и свойства составных материалов с помощью простых и рутинных характеристик устройства (внешние /параметр производительности) измерения. Например, разные области вольт-амперных характеристик термоэмиссионного прибора — замедляющий режим, режим пространственного заряда и режим насыщения — по-разному чувствительны к различным параметрам устройства и материала. Таким образом, используя точную модель для вольт-амперных характеристик, можно извлечь несколько параметров, таких как площадь пятна излучения, температура и работа выхода, подгоняя предсказания модели к разверткам вольт-амперного напряжения (Khoshaman et al., 2015). Аналогичные подходы можно использовать и для извлечения других внутренних параметров устройства.

Новые идеи и направления

Не случайно, что исследования в области TEC в последнее время вызывают повышенный интерес. Технологические достижения последних нескольких десятилетий, в частности, в области микро/наноматериалов и производственных процессов, дали нам множество инструментов, необходимых для окончательной реализации давно существующих идей устройств с требуемыми свойствами материалов и структур для достижения практически полезных уровней производительности. С появлением таких технологий произошли два других события, которые могли оказать серьезное влияние на ТЭО: способность структурировать материалы и создавать свойства материалов, ранее немыслимые, когда полвека назад реализовывались традиционные термоэлектронные конструкции, и новые физические явления. это может открыть возможности для радикально новых концепций устройств.

Создание наноструктурированных эмиттеров, в которых используются многообещающие свойства нанотрубок и нанопроволок, разработка новых сетчатых структур для минимизации эффектов объемного заряда (Meir et al., 2013), молекулярно-ионное излучение (Koeck et al. , 2011) и использование микроплазмы (Go and Venkattraman, 2014) являются примерами первого, а использование термоэлектронной эмиссии с фотонным усилением (PETE) (Schwede et al., 2010, 2013; Sun et al., 2014 ), эффективный световой нагрев одномерных материалов за счет необычной локализации тепла (Heat Trap), которые открывают новые возможности для солнечной термоэлектроники (Yaghoobi et al. , 2011, 2012), а также сочетание термоэмиссионных и туннельных явлений (автоэмиссионный тепловой двигатель) для повышения эффективности (Pan et al., 2014) являются примерами последнего.

Однако с такими событиями некоторые из проблем и возможностей, рассмотренных выше, становятся более очевидными, а также возникают новые. Например, измерение свойств материалов in situ в функциональных устройствах становится все более важным, поскольку большие градиенты температуры могут привести к значительным изменениям работы выхода, электрической и теплопроводности и т. д.внутри одного компонента устройства. Или взаимодействие между различными частями устройства, такое как туннелирование фотонов между эмиттером и коллектором при размерах зазора в микро- или наномасштабе, может привести к фактически различным свойствам, которые нельзя вывести из данных, собранных на изолированных материалах или компонентах.

Таким образом, сейчас крайне важно не только разработать новые экспериментальные методы и стандарты определения характеристик на месте , но также крайне важно создать теории, модели и инструменты моделирования, которые позволяют проводить точный анализ всего устройства в комплексном подходе. таким образом, что решение обратной задачи, то есть извлечение свойств материала и внутренних параметров устройства с высоким уровнем детализации и точности из измеренных характеристик внешнего устройства, также становится практической реальностью.

Резюме и заключительные мысли

Термоэлектронной эмиссии более ста лет, возможно, она старше самой вакуумной электроники. Возможно, по сравнению с отраслью электроники «обработка информации», которая добилась огромного прогресса в двадцатом веке, пережила вакуумную электронику и заменила ее твердотельной электроникой, за исключением конкретных приложений (хотя с проблемами, с которыми сталкиваются твердотельные устройства). , теперь дело за возрождением вакуумной электроники), направление «преобразование энергии» в вакуумной электронике мало продвинулось.Хотя термоэлектронные устройства также в значительной степени уступили место своим твердотельным аналогам, то есть термоэлектрическим устройствам, последние все еще далеки от зрелой технологии, в основном из-за сложности удержания и контроля тепла и его потока. Это отставание подчеркивает фундаментальную проблему преобразования энергии по сравнению с обработкой информации с помощью электроники, где поток двух величин — заряда и тепла — в отличие от только одного — заряда — имеет первостепенное значение. Вакуум по самой своей природе создает большой барьер для теплопередачи — факт, который дает ТЭО фундаментальное преимущество перед термоэлектриками.С другой стороны, электроны естественным образом находятся в веществе, и вывести их в вакуум — трудный и часто суровый процесс. Кроме того, когда они находятся в вакууме, заставить их вести себя так, как мы хотим, и двигаться туда, куда нужно, далеко не тривиально, особенно для электронов с низкой кинетической энергией, широким распределением энергии и высокой плотностью тока, как это часто бывает в термоэлектронике. . Как мы видели в предыдущей главе, на всех этих фронтах достигнут значительный прогресс. Были продемонстрированы эмиттеры и коллекторы с низкой работой выхода и хорошей стабильностью. Процессы микропроизводства позволяют изготавливать устройства с очень точными размерами и размером/структурой зазора, а также создавать пространственные заряды за счет умелого управления ландшафтом электрического поля в области зазора с помощью сетчатых электродов. Таким образом, кажется, что многие из фундаментальных частей головоломки теперь готовы, чтобы мы могли, наконец, производить практические устройства с полезными уровнями производительности. Чего не хватало в недавней истории исследований и разработок TEC, так это согласованных усилий и сильного и сплоченного сообщества исследователей, обладающих достаточными ресурсами для продвижения этого столь необходимого технологического развития и инноваций.Настало время для такого крупного технологического прорыва и согласованных усилий по дальнейшему развитию фундаментальной науки, лежащей в основе TEC.

Вклад авторов

DG, JH и JG внесли свой вклад в разделы «Введение», «Предпосылки и основы» и «Выводы и заключительные мысли». JM, RW, AN и RN внесли свой вклад в разделы «Проблемы и последние достижения» и «Движение вперед».

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить всех участников семинара 2014 года по термоэлектронному преобразованию энергии для космических и наземных применений, и особенно Уильяма Ф. Пакстона, Терренса Мушо и Тони Пэна за предоставление рисунков 2, 4 и 6 соответственно. DG выражает благодарность Национальному научному фонду за номером гранта 1254273. JH выражает благодарность Национальному управлению по аэронавтике и исследованию космического пространства в рамках исследовательской стипендии НАСА в области космических технологий, номер гранта NNX13AL78H, и Фонду Артура Дж.Общество Шмитта через Президентскую стипендию Артура Дж. Шмитта. AN выражает финансовую поддержку Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (RGPIN-2017-04608, RGPAS-2017-507958, SPG-P 478867), Канадского фонда инноваций, Фонда развития знаний Британской Колумбии, BCFRST/британского Колумбийский совет по инновациям и Институт перспективных исследований Питера Уолла. Это исследование было проведено частично благодаря финансированию Канадского фонда передового опыта в области исследований, программы квантовых материалов и технологий будущего.AN также выражает благодарность CMC Microsystems за предоставление продуктов и услуг, которые способствовали этому исследованию. RN признает поддержку Управления военно-морских исследований через грант N00014-10-1-0540.

Каталожные номера

Аамодт, Р.Л., Браун, Л.Дж., и Николс, Б.Д. (1962). Термоэлектронная эмиссия молибдена в парах цезия и фторида цезия. J. Appl. физ. 33, 2080–2085. дои: 10.1063/1.1728899

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Адамс, С. Ф. (2006). Испытания солнечной термоэлектронной космической энергетики: историческая перспектива. Преобразователи энергии. 813, 590–597. дои: 10.1063/1.2169239

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бакшт Ф.Г., Дывжев Г.А., Марциновский А.М., Мойжес Б.Ю., Дикус Г.Ю., Сонин Э.Б., и соавт. (1978). Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. NASA STI/Recon. Тех. Респ. N 80, 17579.

Академия Google

Бармина Е. В., Серков А.А., Стратакис Э., Фотакис С., Столяров В.Н., Столяров И.Н. и др. (2012). Нанотекстурированный W демонстрирует улучшенные свойства термоэлектронной эмиссии. Заяв. физ. А 106, 1–4. дои: 10.1007/s00339-011-6692-6

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Беккер, К.Х., Шенбах, К.Х., и Иден, Дж.Г. (2006). Микроплазмы и приложения. J. Phys. Д заявл. физ. 39, Р55–Р70. дои: 10.1088/0022-3727/39/3/R01

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бельбашир, Р. Ю., Ан, З. и Оно, Т. (2014). Тепловое исследование термоэмиссионного генератора с микрозазором. Дж. Микромех. Микроангл. 24, 85009. doi:10.1088/0960-1317/24/8/085009

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дидерих, Л., Кюттель, О.М., Эби, П., и Шлапбах, Л. (1998). Сродство к электрону и работа выхода разноориентированных и легированных поверхностей алмаза, определенные методом фотоэлектронной спектроскопии. Прибой. науч. 418, 219–239. дои: 10.1016/S0039-6028(98)00718-3

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фитцпатрик, Г.О., Бритт, Э.Дж., и Мойжес, Б. (1997). «Обновленный взгляд на потенциал термоэлектронного преобразования для удовлетворения энергетических потребностей 21 века», в IECEC-97 Proceedings of the 32nd Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1997 , Гонолулу, Гавайи, 1045–1051.

Академия Google

Фоменко В.С. (1966). «Химические элементы», в Справочнике по термоэлектронным свойствам , изд. Г. В. Самсонов (Нью-Йорк: Plenum Press Data Division). п. 5–68.

Академия Google

Гибсон, Дж.В., Хаас, Г.А., и Томас, Р.Е. (1989). Исследование скандатных катодов: процессы эмиссии, изготовления и активации. IEEE Trans. Электронные устройства 36, 209–214. дои: 10.1109/16.21207

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Го, Д. Б., и Венкаттраман, А. (2014). Микромасштабный пробой газа: автоэлектронная эмиссия с ионным усилением и модифицированная кривая Пашена. J. Phys. Д заявл. физ. 47, 503001. doi:10.1088/0022-3727/47/50/503001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Грабовски, С.П., Шнайдер М., Нинхаус Х., Менх В., Димитров Р., Амбахер О. и соавт. (2001). Сродство к электрону поверхностей Al _x Ga _1−x N(0001). Заяв. физ. лат. 78, 2503–2505. дои: 10.1063/1.1367275

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Грязнов Г.М. (2000). 30 лет со дня запуска «Топаза» — первого в мире термоэмиссионного ядерного реактора. Ат. Энергия 89, 510–515. дои: 10.1007/BF02673508

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хацопулос, Г.Н. и Гифтопулос, Е.П. (1973). Термоэлектронное преобразование энергии Том I: Процессы и устройства . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Академия Google

Хацопулос, Г. Н., и Гифтопулос, Е. П. (1979). Термоэлектронное преобразование энергии Том II: Теория, технология и применение . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Академия Google

Kataoka, M., Zhu, C., Koeck, F.A.M., and Nemanich, R.J. (2010). Термоэлектронная эмиссия из гомоэпитаксиального алмаза, легированного азотом. Диам. Относ. Матер. 19, 110–113. doi:10.1016/j.diamond.2009.09.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Халид, К.А.А., Леонг, Т.Дж., и Мохамед, К. (2016). Обзор термоэмиссионных преобразователей энергии. IEEE Trans. Электронные устройства 63, 2231–2241. doi:10.1109/TED.2016.2556751

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хошаман, А. Х., Фан, Х. Д. Э., Кох, А. Т., Савацки, Г. А., и Ноже, А. (2014). Наноструктурированная термоэлектроника для преобразования света в электричество: одновременное извлечение параметров устройства. IEEE Нанотехнологии. Маг. 14, 4–15. doi:10.1109/TNANO.2015.2426149

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хошаман, А. Х., Кох, А. Т., Чанг, М., Фан, Х. Д. Э., Могхаддам, М. В., и Ноджех, А. (2015). Термоэлектроника, термоэлектричество и нанотехнологии: новые возможности для старых идей. IEEE Trans. нанотехнологии. 8, 624–632. doi:10.1109/MNANO.2014.2313172

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Коек Ф.А.М., Неманич Р.Дж., Баласубраманиам, Ю., Хэнен, К., и Шарп, Дж. (2011). Улучшенное преобразование термоэлектронной энергии и термоэлектронная эмиссия из легированных алмазных пленок за счет воздействия метана. Диам. Относ. Матер. 20, 1229–1233. doi:10.1016/j.diamond.2011.06.032

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Коек, Ф.А.М., Неманич, Р.Дж., Лазеа, А., и Хенен, К. (2009). Термоэлектронная эмиссия из алмазных пленок с низкой работой выхода, легированных фосфором. Диам. Относ. Матер. 18, 789–791.doi:10.1016/j.diamond.2009.01.024

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ленгмюр, И. (1913). Влияние объемного заряда и остаточных газов на термоэлектронные токи в высоком вакууме. Физ. Ред. 2, 450–486. doi:10.1103/PhysRev.2.450

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Дж.-Х., Баргатин, И., Мелош, Н.А., и Хоу, Р.Т. (2012a). Оптимальный зазор эмиттер-коллектор для термоэмиссионных преобразователей энергии. Заяв. физ. лат. 100, 173904.дои: 10.1063/1.4707379

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Lee, J.H., Bargatin, I., Gwinn, T. O., Vincent, M., Littau, K.A., Maboudian, R., et al. (2012б). «Микротехнологический термоэмиссионный преобразователь энергии из карбида кремния для производства солнечной электроэнергии», в 2012 IEEE 25-я Международная конференция по микроэлектромеханическим системам (MEMS) , Париж, 1261–1264.

Академия Google

Ли, Дж. Х., Баргатин, И., Ивами, К., Литтау, К. А., Винсент, М., Maboudian, R., et al. (2012с). Инкапсулированный термоэмиссионный преобразователь энергии . 493–496. Доступно по адресу: http://bargatin.seas.upenn.edu/uploads/Main/bargatin 2012 Hilton Head 2.pdf

Академия Google

Lee, J.-H., Bargatin, I., Vancil, B.K., Gwinn, T.O., Maboudian, R., Melosh, N.A., et al. (2014). Теплоизолированный излучатель с низкой работой выхода, изготовленный на микрофабрике. Дж. Микроэлектромех. Сист. 23, 1182–1187. doi:10.1109/JMEMS.2014.2307882

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лян, С.-J., и Анг, Л. К. (2015). Электронная термоэлектронная эмиссия из графена и термоэмиссионный преобразователь энергии. Физ. Преподобный заявл. 3, 14002. doi:10.1103/physrevapplied.3.014002

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Littau, K.A., Sahasrabuddhe, K., Barfield, D., Yuan, H., Shen, Z.-X., Howe, R.T., et al. (2013). Микрошариковый термоэмиссионный преобразователь энергии с повышенным током эмиссии. Физ. хим. хим. физ. 15, 14442–14446. дои: 10.1039/C3CP52895B

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Макдональд, Н.C., Chen, L.Y., Yao, J.J., Zhang, Z.L., McMillan, J.A., Thomas, D.C., et al. (1989). Селективное химическое осаждение вольфрама из паровой фазы для микроэлектромеханических структур. Сенсорные приводы 20, 123–133. дои: 10.1016/0250-6874(89)87110-0

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Маккарти, П. Т., Райфенбергер, Р. Г., и Фишер, Т. С. (2014). Термоэлектронная и фотовозбужденная электронная эмиссия для процессов преобразования энергии. Фронт. Энергия рез. 2:54. дои: 10.3389/фенрг.2014.00054

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Меир, С., Стефанос, К., Гебалле, Т. Х., и Маннхарт, Дж. (2013). Высокоэффективное термоэлектронное преобразование солнечной энергии и тепла в электрическую. Дж. Обновить. Поддерживать. Энергия 5, 43127. doi:10.1063/1.4817730

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мойжес, Б.Ю., и Гебалле, Т.Х. (2005). Термоэмиссионный преобразователь энергии как топовый цикл для более эффективных тепловых двигателей — новые конструкции триодов с продольным магнитным полем. J. Phys. Д заявл. физ. 38, 782. doi:10.1088/0022-3727/38/5/017

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Национальный исследовательский совет. (2001). Термоэлектроника Кво Вадис? Оценка Программы перспективных исследований и разработок в области термоэлектроники DTRA . Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои: 10.17226/10254

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Неманич, Р. Дж., Бауманн, П. К., Бенджамин, М. К., Кинг, С. В., ван дер Вейде, Дж.и Дэвис, Р.Ф. (1996). Поверхности с отрицательным сродством к электрону нитрида алюминия и алмаза. Диам. Относ. Матер. 5, 790–796. дои: 10.1016/0925-9635(95)00485-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Неманич, Р. Дж., Билбро, Г. Л., Брайан, Е. Н., Коек, Ф. А., Смит, Дж. Р., и Танг, Ю. (2010). «Устройства термоэлектронной и полевой электронной эмиссии из алмазных и углеродных наноструктур», в 2010 IEEE 3rd International Nanoelectronics Conference (INEC) , Гонконг, 56–57.

Академия Google

Норрис, WT (1964). Работа выхода грани (110) тантала в парах цезия. J. Appl. физ. 35, 467–469. дои: 10.1063/1.1713395

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Олавол, О.К., и Де, Д.К. (2016). «Моделирование термоэлектронной эмиссии углеродных нанотрубок с модифицированным уравнением Ричардсона-Душмана», в Proceedings Volume 9927, Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, and Devices XIII , eds E. М. Кампо, Э. А. Добиш и Л. А. Эльдада (Сан-Диего, Калифорния: Международное общество оптики и фотоники), 992716-1–992716-8. дои: 10.1117/12.2231357

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пан Т., Буста Х., Горски Р. и Розанский Б. (2014). «Обратное туннелирование электронов в тепловых двигателях с полевой эмиссией», Технический сборник — 27-я Международная конференция по вакуумной наноэлектронике, 2014 г., IVNC (Энгельберг: Институт инженеров по электротехнике и электронике), 147–148.

Академия Google

Пакстон В.Ф., Хауэлл М., Канг В.П. и Дэвидсон Дж.Л. (2012). Влияние водорода на термоэлектронную эмиссию из поликристаллических алмазных пленок с азотом. Дж. Вак. науч. Технол. Б Нанотехнологии. Микроэлектрон. Матер. Процесс. Изм. Феном. 30, 21202. doi:10.1116/1.3684982

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пауэрс, М. Дж., Бенджамин, М. К., Портер, Л. М., Неманич, Р. Дж., Дэвис, Р. Ф. , Куомо, Дж.Дж. и др. (1995). Наблюдение отрицательного сродства к электрону для нитрида бора. Заяв. физ. лат. 67, 3912–3914. дои: 10.1063/1.115315

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ричардсон, О. В. (1921). Эмиссия электричества от горячих тел . Лондон: Лонгманс, Грин и компания.

Академия Google

Ристайн, Дж. (2000). Электронные свойства алмазных поверхностей – благословение или проклятие для устройств? Диам. Относ. Матер. 9, 1129–1137. дои: 10.1016/S0925-9635(99)00316-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сайто Ю., Хамагути К., Нишино Т., Хата К., Тоджи К., Касуя А. и др. (1997). Картины полевой эмиссии однослойных углеродных нанотрубок. япон. Дж. Заявл. физ. 36, Л1340–Л1342. дои: 10.1143/JJAP.36.L1340

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шлихтер, В. (1915). Die spontane elektronenemission glühender metalle und das glühelectrische element. Энн. физ. 352, 573–640. doi:10.1002/andp.19153521302

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шоттки, В. (1914). Эмиссия электронов из нити накала под действием тормозящего потенциала. Энн. физ. 44, 1011–1032. doi:10.1002/andp.19143491503

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Schwede, J.W., Bargatin, I., Riley, D.C., Hardin, B.E., Rosenthal, S.J., Sun, Y., et al. (2010). Фотонно-усиленная термоэлектронная эмиссия для систем солнечных концентраторов. Нац. Матер. 9, 762–767. дои: 10.1038/nmat2814

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Schwede, J.W., Sarmiento, T., Narasimhan, V.K., Rosenthal, S.J., Riley, D.C., Schmitt, F., et al. (2013). Фотонно-стимулированная термоэлектронная эмиссия из гетероструктур с низкой интерфейсной рекомбинацией. Нац. коммун. 4, 1576. doi:10.1038/ncomms2577

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Шефсик, П. (2010).Описание и сопоставление характеристик термоэмиссионного преобразователя: историческая перспектива. IEEE Trans. Плазменные науки. 38, 2041–2047. doi:10.1109/TPS.2010.2050910

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Смит, младший (2013). Повышение эффективности термоэмиссионного двигателя с использованием коллектора с отрицательным электронным сродством. J. Appl. физ. 114, 164514. doi:10.1063/1.4826202

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Смит, Дж. Р., Nemanich, RJ, and Bilbro, G.L. (2006). Влияние снижения барьера Шоттки и неплоской геометрии излучателя на характеристики термоэмиссионного преобразователя энергии. Диам. Относ. Матер. 15, 870–874. doi:10.1016/j.diamond.2005.12.057

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Спиндт, К.А., Броди, И., Хамфри, Л., и Вестерберг, Э.Р. (1976). Физические свойства тонкопленочных автокатодов с молибденовыми конусами. J. Appl. физ. 47, 5248–5263.дои: 10.1063/1.322600

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сугино Т., Кимура К. и Ямамото Т. (2002). Электронная автоэлектронная эмиссия из нанопленок нитрида бора. Заяв. физ. лат. 80, 3602–3604. дои: 10.1063/1.1477622

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сун, Т., Коек, Ф.А.М., Резикян, А., Трейси, М.М.Дж., и Неманич, Р.Дж. (2014). Термически усиленная фотоиндуцированная эмиссия электронов из легированных азотом алмазных пленок на кремниевых подложках. Физ. Ред. B 90, 121302. doi:10.1103/PhysRevB.90.121302

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тивари А.К., Госс Дж.П., Бриддон П.Р., Хорсфолл А.Б., Райт Н.Г., Джонс Р. и др. (2014). Неожиданное изменение электронного сродства алмаза, вызванное ультратонкими пленками оксидов переходных металлов. Еврофиз. лат. 108, 46005. doi:10.1209/0295-5075/108/46005

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тручки Д. М. и Мелош Н.А. (2017). Электронно-эмиссионные материалы: достижения, приложения и модели. МИССИС Бык. 42, 488–492. doi:10.1557/миссис.2017.142

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Вахдани Могхаддам, М., Ягуби, П., Савацки, Г. А., и Ноже, А. (2015). Непроницаемый для фотонов, проницаемый для электронов: лес углеродных нанотрубок как среда для многофотонной термофотоэмиссии. ACS Nano 9, 4064. doi:10.1021/acsnano.5b00115

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ван дер Вайде, Дж., Zhang, Z., Baumann, P.K., Wensell, M.G., Bernholc, J., and Nemanich, R.J. (1994). Эффекты отрицательного сродства к электрону на поверхности алмаза (100). Физ. Ред. B 50, 5803–5806. doi: 10.1103/PhysRevB.50.5803

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Воеш, В., Ванке, Р., Растегар, И., Браун, В., Крибус, А., и Маннхарт, Дж. (2017). Концепция хранения высокотемпературной скрытой тепловой энергии на основе термоэлектронного преобразования энергии. Энергетика. дои:10.1002/ente.201700273

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ванке, Р., Хассинк, Г. В. Дж., Стефанос, К., Растегар, И., Браун, В., и Маннхарт, Дж. (2016). Термоэлектронное преобразование энергии без магнитного поля на основе графена и связанных с ним двумерных материалов. J. Appl. физ. 119, 244507. doi:10.1063/1.4955073

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ванке Р., Воеш В., Растегар И., Кириазис А., Браун В. и Маннхарт Дж. (2017).Термоэлектронное преобразование энергии: концепции и материалы. МИССИС Бык. 42, 518–524. doi:10.1557/миссис.2017.140

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Уилсон, В. К. (1959). Преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектронной эмиссии. J. Appl. физ. 30, 475–481. дои: 10.1063/1.1702391

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Yaghobi, P., Moghaddam, M.V., and Nojeh, A. (2011). «Тепловая ловушка»: светоиндуцированный локализованный нагрев и термоэлектронная эмиссия электронов из массивов углеродных нанотрубок. Твердотельный коммуник. 151, 1105–1108. doi:10.1016/j.ssc.2011.05.024

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ягуби, П., Вахдани Могхаддам, М., и Ножех, А. (2012). Солнечный источник электронов и термоэмиссионный солнечный элемент. AIP Adv. 2, 42139. doi:10.1063/1.4766942

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Zanin, H., May, P.W., Fermin, D.J., Plana, D., Vieira, S.M.C., Milne, W.I., et al. (2014). Пористые легированные бором электроды из алмаза/углеродных нанотрубок. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 6, 990–995. дои: 10.1021/am4044344

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Zeisel, R., Bayerl, M.W., Goennenwein, S.T.B., Dimitrov, R., Ambacher, O., Brandt, M.S., et al. (2000). DX-поведение Si в AlN. Физ. Ред. B 61, R16283–R16286. doi: 10.1103/PhysRevB.61.R16283

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Преобразование тепловой энергии океана — Управление энергетической информации США (EIA)

Преобразование тепловой энергии океана позволяет получать энергию за счет разности температур океанских вод

Преобразование тепловой энергии океана (ПТЭО) — это процесс или технология производства энергии за счет использования разницы температур (температурных градиентов) между поверхностными водами океана и глубинными водами океана.

Энергия солнца нагревает поверхностные воды океана. В тропических регионах поверхностная вода может быть намного теплее глубокой. Эту разницу температур можно использовать для производства электроэнергии и опреснения морской воды. Системы преобразования тепловой энергии океана (OTEC) используют разницу температур (не менее 77 ° по Фаренгейту) для питания турбины для производства электроэнергии. Теплая поверхностная вода прокачивается через испаритель, содержащий рабочую жидкость. Испаренная жидкость приводит в действие турбину/генератор.Испарившаяся жидкость снова превращается в жидкость в конденсаторе, охлаждаемом холодной океанской водой, закачиваемой из глубины океана. Системы OTEC, использующие морскую воду в качестве рабочей жидкости, могут использовать конденсированную воду для производства опресненной воды.

Система преобразования тепловой энергии океана

Экспериментальный завод OTEC на побережье Кона на Гавайях

Источник: Министерство энергетики США (общественное достояние)

Соединенные Штаты стали участвовать в исследованиях OTEC в 1974 году, когда была создана Гавайская лаборатория природной энергии.Лаборатория является одним из ведущих мировых испытательных центров для технологии OTEC. Лаборатория эксплуатировала демонстрационную установку OTEC мощностью 250 киловатт (кВт) в течение шести лет в 1990-х годах. ВМС США поддержали разработку демонстрационной установки OTEC мощностью 105 кВт на лабораторной площадке. Этот объект был введен в эксплуатацию в 2015 году и поставляет электроэнергию в местную электросеть.

Другие более крупные системы OTEC разрабатываются или планируются в нескольких странах, в основном для снабжения электроэнергией и опресненной водой жителей островов.

Последнее рассмотрение: 23 сентября 2021 г.

Понимание теплового сопротивления — Learn.sparkfun.com

Пример: Преобразователь постоянного тока в постоянный для поверхностного монтажа

Мы используем плату Buck-Boost, в которой используется преобразователь постоянного тока TPS63070. Плата размером 1,25×1,25 дюйма с использованием 1 унции меди. Следует также отметить, что регулятор находится в центре платы и состоит более чем из 95% меди.Из-за размера я собираюсь сделать некоторые предположения, используя общую площадь платы для теплового сопротивления и все 41 переходное отверстие для теплового сопротивления переходного отверстия.

Для начала нам нужно выяснить, сколько энергии нам нужно рассеять. В преобразователе постоянного тока входной ток не равен выходному току, поэтому мы не можем использовать ту же формулу, что и для линейного регулятора. Вместо этого мы можем оценить, используя график эффективности из таблицы:

На графике КПД показана зависимость КПД от выходного тока, который отличается в зависимости от входного и выходного напряжения.Для этого теста мы будем использовать те же значения, что и раньше, имея входное напряжение 12 В и выходное напряжение 5 В. На этот раз мы увеличим ток нагрузки до 1,0 А. Используя приведенный выше график эффективности 5 В, эффективность должна составлять около 93%, что делает наши потери мощности 7% от выходной мощности.

Для тепловых сопротивлений я использовал калькулятор теплового сопротивления переходных отверстий и аппроксимировал тепловое сопротивление с переходными отверстиями примерно в 4,4°C/Вт, используя значения из инструмента расчета переходных отверстий. 2. Основываясь на площади поверхности повышающе-понижающей платы, я могу оценить тепловое сопротивление печатной платы примерно в 65°C/Вт.

В техническом описании TPS63070 указаны следующие тепловые характеристики:

Нажмите на изображение, чтобы рассмотреть его поближе.

Тепловое сопротивление перехода к корпусу неприменимо, однако тепловое сопротивление перехода к плате составляет около 13°C/Вт. Используя значения теплового сопротивления, мы можем включить это в уравнение температуры перехода:

Как и раньше, я включил фиктивную нагрузку и позволил плате нагреваться до тех пор, пока температура не перестанет повышаться.Как показано ниже, я зафиксировал температуру около 54°C.

7.5. Преобразование тепловой энергии в электрическую

7.5. Преобразование тепловой энергии в электрическую

Чтобы получить полезную энергию от сбора солнечного тепла на установках CSP, используются термодинамические циклы преобразования энергии (тепловые двигатели). Основная идея довольно проста. Теплоноситель, который нагревается непосредственно в солнечных коллекторах, отдает тепло котлу, который вырабатывает пар.Далее пар используется в тепловом двигателе для производства механической работы для запуска электрического генератора. Эта схема почти такая же, как и на обычных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, за исключением того, что тепло создается не за счет сгорания, а за счет концентрации солнечного излучения.

Общая концепция системы преобразования солнечной энергии

Авторы и права: Марк Федкин (изменено после Duffie and Beckman, 2013 г.)

Примечание

Физика термодинамических циклов — это то, чему вы могли научиться на обычном уроке термодинамики (если вы когда-либо его посещали).Если нет, то эту тему может быть сложно понять вне общего термодинамического контекста. Однако я должен отметить, что основной целью нашей деятельности на этом уроке будет понимание общего принципа и применимости различных циклов преобразования энергии к солнечным системам, а не изучение термодинамики в деталях. Таким образом, просматривая материалы этого урока, вы можете попытаться отфильтровать информацию, которая будет полезна с точки зрения разработки солнечных проектов.

В целом термодинамические энергетические циклы можно разделить на газовые и паровые циклы. В газовых циклах рабочее тело находится только в газовой фазе на протяжении всего цикла. В паровых циклах рабочая жидкость может переходить из паровой фазы в жидкую на разных этапах цикла. Цикл Ренкина, обычно используемый на стационарных паровых электростанциях, является примером парового цикла с водой в качестве рабочего тела.

В ходе термодинамического энергетического цикла рабочая жидкость проходит ряд параметров температуры и давления (T, P).Изменения температуры и давления происходят в результате нагрева, конденсации, повышения давления и расширения текучей среды. Расширение создает физическую силу для выполнения механической работы, что является основным назначением системы. Эффективность цикла обычно выше, когда разница между самой низкой и самой высокой температурой максимальна. Например, эффективность Карно:

η=Tmax−TminTmax

Максимальная температура устанавливается источником нагрева — например, солнечным концентратором.Минимальная температура задается условиями окружающей среды или системой охлаждения – например, воздушной, речной. Эффективность Карно 50% считается хорошей для реальной системы.

Примечание

Одна из проблем этой системы преобразования заключается в том, что эффективность солнечного коллектора снижается по мере повышения его рабочей температуры (из-за увеличения тепловых потерь), в то время как для тепловой части системы, которая выигрывает от более высокой максимальные температуры. Поэтому необходимо оптимизировать систему, чтобы найти наилучшие условия работы.

Несколько термодинамических циклов, которые можно рассматривать в связи с гелиотермальными применениями, включают:

• Цикл Ренкина
• Цикл Брайтона
• Цикл Стирлинга
• Калина Цикл

Одним из критериев сочетания этих циклов с солнечными тепловыми установками является совместимость температуры. Технологии концентрации должны быть достаточно эффективными, чтобы генерировать высокие температуры для эффективного преобразования энергии в термодинамическом цикле.Таким образом, в зависимости от технологии и типа солнечных коллекторов может быть выбран тот или иной цикл.

Другим важным критерием, который следует учитывать, является выбор рабочей жидкости. Для более высоких температур (600 ^o C) лучше всего подходит пар. Для конверсии при более низких температурах (100-400 ^o C) более подходящими являются органические жидкости (Batton, 2000). Желательные свойства рабочей жидкости:

• низкая стоимость
• неагрессивная природа
• термостойкость
• высокий цикл и КПД турбины

Возможные варианты рабочих жидкостей:

• вода
• хладагенты
• органика
• аммиак
• толуол (в разработке)
• смеси вышеуказанных
• полностью фторированные жидкости с бензольным кольцом

В настоящее время циклы Ренкина наиболее перспективны для регулирования температуры коллектора.