Модульний термоелектронний генератор електричної енергії

1 Модульний термоелектронний генератор електричної енергії, складений з корпусу (1), в якому створений вакуум (2) та всередині якого розташований катод (4), здатний поглинати теплову енергію та при нагріванні емітувати електрони до вакууму, а також анод (5), який здатний ці електрони з вакууму захоплювати, - внаслідок чого здійснювати перетворення теплової енергії в елек тричну, який відрізняється тим, що має анод (5) термоізольований (3) від навколишнього середовища або спеціально нагріваний джерелом тепла 2 Пристрій за п 1, який відрізняється тим, що між катодом (4) та анодом (5) розташований модуль (6), який складається з послідовно розташованих двосторонніх електродів (7), електроізольованих (8) один від одного, які мають поверхні з різними значеннями роботи виходу електронів з речовини в вакуум - за рахунок чого в міжелектродних проміжках електродів (7) здійснюється послідовне перетворення теплової енергії в електричну та підсумовування електрорушійної сили усіх міжелектродних чарунок модуля (6) Цей винахід відноситься до галузі електроенергетики, а саме генерації електроенергії шляхом прямого перетворення теплової енергії в електричну Являючись об'єктом винаходу, Модульний термоелектронний генератор електричної енергії (далі МТЕГ) може служити основним енергоперетворюючим елементом, у галузі створення стаціонарних та пересувних наземних електростанцій, енергоустановок автомобільного, залізничного та водного транспорту, енергоустановок авіаційних та космічних апаратів В теперішній час ВІДОМІ конструкції термоелектронних генераторів (ТЄГ), запатентованих в останні 20 років у СРСР, США, Германії, Франції, Японії, Україні Усі ВІДОМІ конструкції ТЕГ мають два основних недоліки, це (а) коефіцієнт корисної дм (К К Д - визначається як кількісне відношення виробляємої ТЄГ електричної енергії до підведеної до ТЄГ теплової енергії), який не перевищує 20% - із-за нераціональних теплових втрат, полягаючий у перетоці тепла (шляхом теплового випромінювання через вакуумний міжелектродний проміжок) від „гарячого" катода-емптера електронів до „холодного" анодуколектора електронів, (б) мала електрична напруга (0,4-1,5В), яка відтворюється між катодом та анодом чарунки ТЕГ і, як наслідок, необхідність подальшого погодження рівня електричної напруги, генерованого ТЕГ та потрібного споживачу рівня електричної напруги Даний винахід має мету усунути ці недоліки існуючих ТЕГ МТЕГ пропонуємої конструкції спроможен забезпечити К К Д - від 75% до 95%, електричну напругу - від 1 до 400В Найбільш близьким аналогом МТЕГ є термоелектронний генератор електричної енергії, описаний в патенті України №43914 С2 (далі „Аналог") В Аналогу описано ТЕГ, в якому катод-емптер, та анод-колектор розташовані в єдину вакуумну камеру та удають собою одиничну пару (катод анод), здатний генерувати електричну напругу не більш значень 0,4-1,5В Для зменшення нераціональних втрат теплової енергії (методом інфрачервоного випромінювання через вакуумний проміжок) від нагріваємого катода до охолодженого аноду, міжелектродна відстань у ТЕГ Аналога значно збільшено - до 5см Це в свою чергу призводить до того, що автор Аналога змушений вводити у конструкцію ТЕГ додаткові технічні пристрої, покликані, на його думку, сприяти більш ефективному переміщенню емітованих з катода на анод електронів, а саме розташований у катода відштовхуючий екран, розташовані між катодом та анодом два кіль 00 о о> ю 59082 ця, покликані фокусувати потік емітованих катодом електронів, розташованими навколо анода статично зарядженими кільцями, розташований у анода лазерний пристрій, покликаний зменшувати явлення відбиття електронів від анода Усі вказані додаткові технічні пристрої значно ускладнюють конструкцію ТЕГ Аналога та не усувають два основних, притаманних ТЕГ недоліки нераціональний перетік теплової енергії від нагріваємого катода до охолодженого аноду та, як наслідок, зниження К К Д ТЕГ, мала напруга, генеруємаТЕГ З метою усунення енергетичних недоліків, притаманних ТЕГ Аналога, значного спрощення конструкції, МТЕГ має ряд істотних конструктивних відмінностей, які забезпечують досягнення зазначених технічних показників збільшення К К Д , збільшення генеруючої електричної напруги, збільшення питомої потужності генерації З 1 Один з варіантів конструкції МТЕГ схематично представлений на фіг 1 МТЕГ складається з Зовнішнього корпусу 1, який забезпечує всередині корпусу МТЕГ вакуум 2, достатній для безперешкодного перельоту електронів від катода до анода Корпус 1 має зовнішню термоізоляцію З МТЕГ від навколишнього середовища У корпус 1 вмонтовано вхідний теплоприймальний катод 4 та вихідний анод 5 При цьому корпус 1 забезпечує електричну ІЗОЛЯЦІЮ ввідного катода 4 від вихідного анода 5, яка забезпечує необхідний рівень електричного опору (не менш 1,0КОм) при номінальних значеннях працуючего МТЕГ температура - до 1400°С, електрична вихідна напруга - до 400В На відміну від Аналога вихідний анод 5 МТЕГ не тільки не охолоджується, але навпаки, термоізольован (як зображено на фіг1) від навколишнього середовища - щоб уникнути охолодження, або навпаки до нього (аноду 5) підводиться тепло, яке підлягає перетворенню в електричну енергію Між ВВІДНИМ катодом 4 та вихідним анодом 5 розташовано модуль 6, складений з двосторонніх електродів (варіанти конструкції модуля 6 зображено на фіг 2) Поверхні ввідного катода 4 та вивідного анода 5 розташовані рівновіддалено друг від друга Варіанти розташування плоскопаралельне, каоксільне, сферичне, комбіноване Модуль 6 складається з електродів 7, які також розташовані рівновіддалено друг від друга На фіг 1 и фіг 2 зображено варіант плоскопаралельного розташування електродів 4, 5, 7, варіант з нагріваємим катодом 4 та термоізольованим анодом 5 Двосторонні електроди 7 електричноізольовані друг від друга При цьому ІЗОЛЯЦІЯ 8 забезпечує міжелектродний геометричний зазор у межах від 10 до ЮОмкм, займає не більш 10% площі електрода, залишаючи 90% площі для вакуумного міжелектродного проміжку Ізоляція 8 виконується з тугоплавкого матеріалу, маючого високу електроопорність при нагріві до 1400°С, наприклад з АЬОз Електроди 4, 5, 7 модуля 6, який виробляється з листового металевого сплаву на основі Fe або Си, або Zr, або Ті, ЯКИЙ витримує без деформації конструкції нагрів до 1300°С та має роботу виходу електронів з поверхні електрода в вакуум срд не менш 4,0еВ Одна сторона кожного електрода 7 виконує функцію анода-колектора А та має с д не менш р 4,0еВ Протилежна сторона кожного електрода 7 оброблена таким чином, що має роботу виходу електронів в вакуум срв не більш 1,5еВ - та виконує функцію катода-емітера електронів В Обробка поверхні електрода В, яка виконує функцію катода до вказаного вище значення срв досягається або нанесенням на електрод тонкої плівки (0,1-2,0мкм) речовини, яка володіє необхідними властивостями роботи виходу електронів до вакууму, наприклад ВаО, або дифузним лепруванням поверхні електродів речовинами, які дозволяють знизити роботу виходу електронів до вакууму до срв та здатним тривалий час (більш 10000 годин) утримуватися в основному матеріалі електрода при нагріві в вакуумному середовищі до 1300°С З 2 Описаний МТЕГ працює наступним чином до МТЕГ зовні через ввідний теплоприймальний катод 4 (описується варіант конструкції, наведений на фіг1) підводиться теплова енергія, яка нагріває катод до температур від 900°С до 1300°С Стінка катода 4, яка розташована всередині вакуумної камери МТЕГ як і електроди 7 модуля 6 має поверхню, з властивістю роботи виходу електрона не менш 1,5еВ При нагріванні більш 900°С катод 4 починає емітувати до вакууму електрони, які подолали потенційний бар'єр срв Якщо, подолавши потенційний бар'єр, електрони володіють залишковою швидкістю (тобто і кінетичною енергією), тоді вони подолавши вакуумний міжелектродний проміжок, з'являються на аноді першого електрода 7 модуля 6 При захоплюванні електрона атомною решіткою анодної частини електрода 7 звільняється теплова енергія, яка дорівнює роботі виходу матеріалу анода - срд Влучання електронів, емітованих катодом 4 на анодну частину першого електрода 7 призводить до їх надлишку в катодній частині електрона 7, який має поверхню роботу виходу фв При цьому електрони долають контактну різницю потенціалів фд-фв, та переходять на більш високий енергетичний рівень При цьому кожен електрон поглинає КІЛЬКІСТЬ тепла, рівне саме значенню фд-фв (ефект Пелтье) Таким чином тепло, яке виділилося на аноді електрода 7 при влученні на нього електрона, та яке дорівнює фд частково поглинається при подоланні електроном потенційного бар'єру - в КІЛЬКОСТІ фд-фв В наслідок цього, електрон, потрапивши на катодну частину електрода 7 приносить з собою КІЛЬКІСТЬ тепла фв, - тобто стільки скільки необхідно для емісії цього електрона з катодної частини до вакууму Залишивши катод електрода 7, електрон захоплює з поверхні електрода частину енергії - не менш фв В наслідок вище описаного, можна побачити, що (а) електрони, які захоплюються анодною частиною першого (та всіх послідуючих у модулі 6 також) електрода 7 та ті ж електрони, які емітуються катодною частиною електрода 7 - самі по 59082 собі не змінюють внутрішню енергію (а це означає і температуру) елеісгрода, (б) при одній і тій же температурі, кожний електрод 7 модуля 6 здатен захоплювати електрони своєю анодною частиною, яка має срд і в той же час емітує електрони катодною частиною, яка має срв Отже, якщо всі катоди МТЕГ (включая катод, безпосередньо звернений до вихідного аноду 5) будуть мати температуру нагріву, яка дозволяє здійснювати достатню емісію електронів, - тоді увесь модуль 6 МТЕГ буде здійснювати перетворення тепла в електрику З наведеного видно, що сам по собі рух електронів через модуль 6 не призводить до збільшення або зменшення КІЛЬКОСТІ тепла в модулі 6 (Джоулеве тепло в даному випадку не ураховується), не викликає переніс тепла всередині модуля 6 Ця обставина дозволяє утвердити, що єдиним механізмом розповсюдження потоку, підлягаючого перетворенню теплової енергії, всередині модуля 6, услуговує теплове випромінювання, яке переносить теплову енергію через вакуумний електродний проміжок від більш нагрітого електрода 7 до наступного - менш нагрітого Це означає, що ПІДВІД теплової енергії може відбуватися до модуля 6 як з сторони катода 4 (варіант конструкції, зображений на фіг 1), з сторони анода 5, одночасно к катоду 4 та к аноду 5 Очевидно, що найбільш ефективним (але і конструкційно найбільш складним) буде варіант одночасного підвода тепла к катоду 4 та к аноду 5 З 3 Механізм виникнення в МТЕГ електрорушійної сили, тобто перетворення теплової енергії безпосередньо в електричну (на прикладі варіанта конструкції яка зображена на фіг 1 та фіг 2), наступний (а) тепловий потік, який іде у вигляді теплового випромінювання від ввідного катода 4, розігрітого до 900°С-1300°С, розігріває розташований поруч з ним (відстань 10-100мкм) перший електрод 7 модуля 6 При розігріві, перший електрод 7, розігріває другий електрод 7 модуля 6 і т н Перепад температур поміж електродами, які відстають друг від друга на відстань 10-1 ООмкм, складає 5°С10°С Таким чином, якщо температура катоду 4 буде складати значення 1300°С, а аноду 5 значення 700°С, тоді при міжелектродной різниці у 6°С/електр КІЛЬКІСТЬ електродів 7 у модулі 6 складає 1300°С-700°С и л л = 100 електродів (а значить і між 6°С/електр електродних пар катод - анод), (б) кожна пара катод - анод працює наступним чином катод емітує електрони до вакууму і далі на анод В наслідок, на катоді виникає нестача, а на аноді надлишок електронів, тобто поверхня катода заряджається „умовно негативно", а поверхня анода „умовно позитивно" Це призводить до створення між катодом та анодом різниці потенціалів UAK, та отже електричного поля, яке утрудняє переліт електронів з катоду (який має нестачу електронів) на анод (який має надлишок електронів), (в) якщо, електрон який вилетів з катоду має достатній запас кінетичної енергії, то наближуючись до аноду та подолавши енергію відштовхування електричного поля, електрон здійснює позитивну роботу При цьому швидкість польоту електрона зменшується, тобто в процесі гальмування електрон перетворює запас, наданий йому катодом кінетичної енергії на збільшення власної потенційної енергії Якщо отримана електроном потенційна енергія Дф2 досягає різниці міжелектродного потенціалу пари катод - анод UAK, електрон долітає до анода та захоплюється атомами його кристалічної решітки Таким чином, тепло, яке підводиться до катоду частково перетворюється у кінетичну енергію електрона, а частково в променеву енергію, яка випромінюється нагрітим катодом Кінетична енергія електрона безпосередньо перетворюється в міжелектродному проміжку у потенційну енергію електрона Дсре При цьому відбувається корисна робота А=Дсре по переміщенню електронів від катода до анода, тобто в чарунках МТЕГ створюється електрорушійна сила, яка дозволяє виводити електроенергію до зовнішнього ланцюга, (г) тепловий потік, який проходить через модуль 6 від чергового електрода 7 до чергового наступного електрода, зменшується як раз на величину енергії, перетвореної з теплової в електричну - в міжелектродному просторі Тому від електрода до електрода зменшується і нагрів електродів Зменшення потужності потоку теплової енергії ДОтепл (вт) від електрода до електрода можна виразити формулою АОтепл-SokJ U A K , де SOk - площа анода, см 2 , j - густина тока емісії, а/см2, UAK - міжелектродна різниця потенціалів, В Запропонована та описана вище (на прикладі варіанта, наведеного на фіг 1 та на фіг 2) конструкція МТЕГ, дозволяє повністю виключити недоліки, притаманні раніше відомим ТЕГ, зокрема Аналогу, а саме усунути нераціональні теплові втрати, які зв'язані з випромінюванням тепла від катоду, який нагрівається до аноду, який охолоджується У МТЕГ анод не тільки не охолоджується, але і навмисно термоізольован (варіант наведено на фіг1) від навколишнього середовища Це дозволяє, підведену до МТЕГ теплову енергію перетворювати в електричну, та виводити на ЗОВНІШНІЙ електроланцюг - виключно у вигляді електроенергії Теплові втрати цього МТЕГ залежать виключно від якості його термоізоляції и можуть бути теоретично зведені до нуля, застосування в МТЕГ модуля 6 з подвійними електродами 7 типу анод - катод дозволяє в єдиній вакуумній камері одержати компактну батарею, яка складається з необхідної КІЛЬКОСТІ ПОСЛІДОВНО ввімкнутих елементарних чарунок „анод - катод" (від ОДНОГО електрода до сотень електродів) Це в свою чергу дозволяє отримати МТЕГ з малим внутрішнім електричним опором (порядку долей млОм) та широким діапазоном вихідної напруги від 1В до 400В Вказаний позитивний ефект досягнено завдяки вводу до конструкції МТЕГ 59082 (а) термоізольованого аноду 5 при теплоприймаючим катоді 4, або термоізольованого катода 4 при теплопримаючим аноді 5, або одночасного використання катоду 4 та анода 5 в якості теплоприймальних елементів, (б) модуля 6, який складається з набору двосторонніх електродів 7, яки мають поверхні з різними значеннями роботи виходу електронів фд та Фв та які за рахунок цього служачать одночасно як анодами так і катодами Перелік фігур креслення Фіг 1 - схематично зображено головний вид МТЕГ в розрізі (варіант конструкції з плоскопаралельними електродами та термоізольованим анодом), який надає уявлення об основних елементах його конструкції Принцип роботи МТЕГ описано в розділі 3 цього опису Фіг 2 - схематично зображено елемент модуля з двосторонніми електродами (варіант конструкції з плоскопаралельними електродами), з вказівкою розташування поверхонь, які мають різну роботу виходу електронів до вакууму Принцип роботи модуля описано в розділі 3 цього опису 5 1 В разі запровадження винаходу будуть досягнені результати (а) виключені нераціональні втрати теплової енергії загубленої при охолодженні анода ТЕГ - до 80% від всієї теплової енергії, яка підводиться до ТЕГ, (б) К К Д перетворення енергії збільшується з і 8 показника в 20% до показника від 75% до 95%, (в) зникне необхідність в здійснені послідовного зовнішнього комутаційного з'єднання великої КІЛЬКОСТІ одиничних ТЕГ малої напруги - для отримання робочої напруги від 1В і більш Одиничний МТЕГ за рахунок застосування модуля двосторонніх електродів буде здатен створювати будь-яку робочу напругу в межах від 1 до 400В 5 2 Володіючи, В порівнянні з Аналогом більш високими технічними показниками, МТЕГ водночас (а) значно простіше Аналога конструктивно, (б) не має рухомих частин, або елементів конструкції, підвладних факторам прискореного зносу, (в) не має технічно складних компонентів, знижуючий загальний ресурс надійності конструкції (наприклад, лазерний пристрій в конструкції Аналога), (г) не потребує при засвоюванні виробництва розробки спеціальних технологій Виробництво МТЕГ може бути організоване на базі існуючих, широко розповсюджених у машинобудівній галузі, технологій та обладнання 5 3 Опис пристрою МТЕГ у статичному стані, а також опис його роботи наведені - в цілях кращого розуміння та стислого викладення не в цьому розділі, а в розділі 3 цього опису 2 Виді тт ттгт Джерело тепла Зовнішній ланцюг ФІГ.1. Комп'ютерна верстка Е Гапоненко Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна