7. Термоэмиссионные генераторы

В металлах содержится большое количество свободных электронов - около 6 10²¹в 1см³.Внутри металла силы притяжения, действующие на электрон со стороны положительно заряженных ионов - сбалансированы . Если же электрон окажется вблизи поверхности , то на него начинают действовать силы, старающиеся вернуть электрон внутрь металла. Для преодоления этих сил необходимо сообщить электрону избыточную кинетическую энергию (рис.156). Увеличение кинетической энергии электрона возможно при нагревании металла. Явление выхода электронов из металла в результате его нагрева называетсяявлением термоэлектронной эмиссии.

Рис. 156 Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

Устройство простейшего термоэмиссионного генератора представлено следующим рисунком (рис.157).

Рис. 157 Устройство термоэмисионного преобразователя энергии

Электроны испаряются при нагреве из катода (1), вылетают из металла и движутся к аноду - и далее во внешнюю цепь, обеспечивая ток на нагрузке R. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а другая часть энергии электронов выделяется во внешней цепи при протекании электрического тока. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в электрическую. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то преобразования энергии не было бы.

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, получаемой в результате ядерной реакции.Схема ядерного термоэмиссионного генератора приведена на нижеследующим рис.158).

Рис. 158 1-защита, 2-охладитель, 3- анод, 4- вакуум,5 –катод, 6-ядерное горючее.

Т.е. для нагревания катода используется теплота, выделяемая при ядерной реакции. КПД таких преобразователей достигает примерно 20%. По прогнозам его можно довести до 40-50%.

Следует отметить, что при естественной радиоактивности возможно прямое преобразование ядерной энергии в энергию электрическую. Для этого используются β – лучи или поток электронов при распаде радиоактивных элементов (рис.159)

Рис.159 Схема прямого преобразования энергии радиации в электрическую: 1 – β – радиоактивный излучатель; 2 – металлическая ампула (анод); 3 – металлический сосуд.

8. Солнечные электростанции

Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Существует еще один возобновляемый источник Солнце.

Солнце, звезда – желтый карлик, средняя звезда по своим характеристикам: массе, радиусу, температуре. Но эта звезда имеет уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет за Землю мощность 10¹⁷Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 127 000км, который освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнцев зените, составляет 1КВт/м².

Для крупномасштабной электроэнергетики энергия Солнца, в настоящее время, едва ли пригодна:

1. Из-за малой удельной мощности солнечной радиации,

2. Из-за использования больших площадей земной поверхности,

3. Из-за дороговизны и больших материальных и трудовых затрат. ( стоимость 1КВт мощности с использованием солнечной энергии по грубым прикидкам порядка 10 000руб, в то же время с использованием ГЭС – 350руб, с использованием ТЭС – 200 руб.).

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

1. - прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

2. - фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии в электрическую.

Тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования и широко используется в южных районах России в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.д. Концентрация солнечной энергии осуществляется на гелиоприемнике с помощью плоских , сферических или параболлоидных зеркал. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем солнечной радиации, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы горячего водоснабжения.

В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т.е. вырывание электронов из того или иного материала под действием света. Различают внешний и внутренний фотоэффект.

При внешнем фотоэффекте (рис.160), свет проникает в вакуумированный сосуд и освещает катод К, изготовленный из металла. Фотоны света выбивают из металла «связанные» электроны. В пространстве К-А появляются носители электрического заряда. Под действием электрического поля эти электроны перемещаются и попадают на анод. В результате электрического замыкания промежутка К-А во внешней цепи появляется электрический ток (фототок), который фиксируется гальванометром Gили микроамперметром.

Рис.160 Схема для исследования зависимости фототока от напряжения и силв света

Согласно теории Эйнштейна фотоэффект объясняется следующим уравнением

(12-7)

где h=6,6 10^-34Дж с – постоянная Планка.

При внешнем фотоэффекте электроны из металла вырываются и переходят в другую среду, в частности в вакуум. Кроме этого существует и внутренний фотоэффект, при котором в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электропроводности вещества под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. На основе этого явления работают материалы, называемыефоторезисторами. В качестве фоторезисторов используются соединения кадмия (Cd) или свинца (Pb) с селеном (CdSe,PbSe) или серой (S) (СdSилиPbS). Основу фотоэлемента с внутренним фотоэффектом составляет полупроводниковая структура сp-nпереходом, возникающая на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Получают различные типы проводимости путем введения в полупроводник примесей. Так введенные в кристаллическую решетку кремния атомов (Ga,In) придают кремнию дырочную проводимость, а примеси (As,Sb) – обеспечивают в кремнии э

лектронную проводимость. Контактp- илиn- полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля. Возникновение контактной разности потенциалов обусловлено тем, что в силу односторонней проводимости полупроводников происходит пространственное разделение электронов и дырок. В монокристалле кремния возникает диффузионный поток электронов из полупроводникаn-типа в полупроводникp-типа и, наоборот. В результате такого процесса прилегающая кp-nпереходуp-типа заряжается отрицательно, а прилегающая кp-nпереходу часть полупроводникаn-типа, наоборот, приобретает положительный заряд. Таким образом, вблизиp-nперехода образуется двойной заряженный слой, который в дальнейшем препятствует процессу диффузии электронов и дырок.

При освещении полупроводника светом возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоЭДС необходимо, чтобы полупроводник был неоднородным. Наиболее эффективное разделение имеет место в области p-nперехода (см. рис.161). Генерированные вблизиp-nперехода «неосновные» носители (дырки вn-проводнике и электроны вp-проводнике) диффундируют кp-nпереходу, подхватываются полемp-nперехода и выбрасываются в полупроводник, где они становятся основными носителями. В результате полупроводникp-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводникn-типа – отрицательный. Междуn- иp- областями возникает разность потенциалов – фотоЭДС.

Рис. 161 Схема работы солнечного фотоэлемента.

Электроны и дырки концентрируются на разных концах неоднородного полупроводника, вследствие чего и возникает ЭДС, благодаря которой на внешней нагрузке возникает электрический ток. Таким образом, достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.

Основные промышленно выпускаемые типы таких фотоприемников работают на основе селена, кремния, германия и ряда соединений – GaAs,InSb,CdTe. Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели широкое применение в космических аппаратах как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким КПД (до 20%), весьма удобны в условиях автономного полета космических аппаратов. Для повышения рабочего напряжения (с исходным напряжением отдельного элемента 1-2В) отдельные элементы соединяются последовательно в батарею.

Солнечную энергию из- за низкой плотности солнечной радиации и зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времени года использовать затруднительно. Но возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках (рис. 162 ). В этом случае солнечная энергия может аккумулироваться в течение 24 часов и, следовательно, не будет зависеть от облачности. Передача энергии на Землю должна в этом случае осуществляться по каналу УКВ (длина волны порядка 10см, частота ≈ 3000Мгц). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, и затем энергия может быть преобразована в энергию промышленной частоты

Рис.162 Принципиальная схема СКЭС