محول حراري أيوني

الموسوعة الحرة

يتكون المحول الحراري الأيوني من قطب كهربائي ساخن ينبعث منه إلكترونات حراريًا عبر حاجز طاقة كامنة إلى قطب كهربائي أبرد، مما ينتج عنه طاقة كهربائية مفيدة. ويمكن استخدام بخار السيزيوم لتحسين وظائف عمل القطب الكهربائي وتوفير إمداد أيوني (عن طريق التأين السطحي أو التأين بالاصطدام الإلكتروني في البلازما) لمعادلة الشحنة الإلكترونية الفضائية .

تعريف

من وجهة نظر فيزيائية إلكترونية، يُعدّ تحويل الطاقة الحرارية الأيونية إنتاجًا مباشرًا للطاقة الكهربائية من الحرارة عن طريق انبعاث الإلكترونات الحرارية الأيونية. ومن وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، [ 1 ] فهو استخدام بخار الإلكترونات كسائل عامل في دورة إنتاج الطاقة. يتكون المحول الحراري الأيوني من قطب باعث ساخن تُبخر منه الإلكترونات عن طريق الانبعاث الحراري الأيوني، وقطب جامع بارد تُكثف فيه الإلكترونات بعد توصيلها عبر البلازما بين القطبين . يُنتج التيار الناتج، الذي يبلغ عادةً عدة أمبيرات لكل سنتيمتر مربع من سطح الباعث، طاقة كهربائية للحمل عند فرق جهد نموذجي يتراوح بين 0.5 و 1 فولت، وكفاءة حرارية تتراوح بين 5 و 20%، وذلك تبعًا لدرجة حرارة الباعث (1500-2000 كلفن ) ونمط التشغيل. [ 2 ] [ 3 ]

تاريخ

بعد أول عرض عملي لمحول البخار السيزيوم الحراري الأيوني ذي نمط القوس الكهربائي على يد ف. ويلسون عام 1957، تم إثبات العديد من تطبيقاته في العقد التالي، بما في ذلك استخدامه مع مصادر الحرارة الشمسية ، والاحتراق ، والنظائر المشعة ، والمفاعلات النووية . إلا أن التطبيق الأكثر جديةً كان دمج عناصر الوقود النووي الحراري الأيوني مباشرةً في قلب المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الفضاء. [ 4 ] [ 5 ] إن درجة حرارة التشغيل العالية للغاية للمحولات الحرارية الأيونية، والتي تجعل استخدامها العملي صعبًا في تطبيقات أخرى ، تمنحها مزايا حاسمة على تقنيات تحويل الطاقة المنافسة في تطبيقات الطاقة الفضائية حيث يلزم التخلص من الحرارة الإشعاعية. وقد نُفذت برامج تطوير مكثفة للمفاعلات الفضائية الحرارية الأيونية في الولايات المتحدة وفرنسا وألمانيا خلال الفترة 1963-1973، واستأنفت الولايات المتحدة برنامجًا هامًا لتطوير عناصر الوقود النووي الحراري الأيوني خلال الفترة 1983-1993.

تم استخدام أنظمة الطاقة الحرارية الأيونية بالاشتراك مع مفاعلات نووية مختلفة ( BES-5 ، TOPAZ ) كمصدر للطاقة الكهربائية على عدد من أقمار المراقبة العسكرية السوفيتية بين عامي 1967 و1988. [ 6 ] [ 7 ] انظر Kosmos 954 لمزيد من التفاصيل.

على الرغم من تراجع أولوية استخدام المفاعلات الحرارية الأيونية مع تقليص برامج الفضاء الأمريكية والروسية ، إلا أن البحث والتطوير التكنولوجي في مجال تحويل الطاقة الحرارية الأيونية استمرا. وفي السنوات الأخيرة، نُفذت برامج لتطوير تكنولوجيا أنظمة الطاقة الفضائية الحرارية الأيونية التي تعمل بالطاقة الشمسية. كما طُوّرت نماذج أولية لأنظمة حرارية أيونية تعمل بالاحتراق لتوليد الطاقة الكهربائية والحرارة المنزلية ، ولعمليات التقويم . [ 8 ]

وصف

تُعنى الجوانب العلمية لتحويل الطاقة الحرارية الأيونية بشكل أساسي بمجالي فيزياء الأسطح وفيزياء البلازما . تحدد خصائص سطح القطب مقدار تيار انبعاث الإلكترونات والجهد الكهربائي على أسطح الأقطاب، بينما تحدد خصائص البلازما انتقال تيار الإلكترونات من الباعث إلى الجامع. تستخدم جميع محولات الطاقة الحرارية الأيونية العملية حتى الآن بخار السيزيوم بين الأقطاب، وهو ما يحدد خصائص كل من السطح والبلازما. يُستخدم السيزيوم لأنه العنصر الأكثر تأينًا بين جميع العناصر المستقرة.

يُشبه المولد الحراري الأيوني محركًا حراريًا دوريًا ، وتُحدَّد كفاءته القصوى بقانون كارنو. وهو جهاز يعمل بجهد منخفض وتيار عالٍ، حيث تم تحقيق كثافات تيار تتراوح بين 25 و50 أمبير/سم² عند جهد يتراوح بين 1 و2 فولت. ويمكن تحويل جزء من طاقة الغازات ذات درجات الحرارة العالية إلى كهرباء إذا زُوِّدت أنابيب الرفع في الغلاية بمهبط ومصعد لمولد حراري أيوني، مع ملء الفراغ بينهما ببخار السيزيوم المتأين.

تُعدّ دالة الشغل الخاصية السطحية ذات الأهمية الأساسية ، وهي الحاجز الذي يحدّ من تيار انبعاث الإلكترونات من السطح، وتُمثّل أساسًا حرارة تبخّر الإلكترونات من السطح. وتُحدّد دالة الشغل بشكل رئيسي بواسطة طبقة من ذرات السيزيوم الممتصة على أسطح الأقطاب الكهربائية. [ 9 ] وتُحدّد خصائص البلازما بين الأقطاب الكهربائية بواسطة نمط تشغيل المحوّل الحراري الأيوني. [ 10 ] في نمط التشغيل المُشتعل (أو "القوسي")، تُحافظ البلازما على وجودها من خلال التأين الداخلي بواسطة إلكترونات البلازما الساخنة (حوالي 3300  كلفن)؛ وفي نمط التشغيل غير المُشتعل، تُحافظ البلازما على وجودها من خلال حقن أيونات موجبة مُنتجة خارجيًا في بلازما باردة؛ وفي النمط الهجين، تُحافظ البلازما على وجودها بواسطة أيونات من منطقة البلازما الساخنة بين الأقطاب الكهربائية، والتي تُنقل إلى منطقة البلازما الباردة بين الأقطاب الكهربائية.

الأعمال الحديثة

استخدمت جميع التطبيقات المذكورة أعلاه تقنيةً كان فيها الفهم الفيزيائي الأساسي وأداء المحول الحراري الأيوني مماثلاً لما تم تحقيقه قبل عام 1970. إلا أنه خلال الفترة من 1973 إلى 1983، أُجريت أبحاثٌ مكثفة في الولايات المتحدة الأمريكية حول تقنية المحولات الحرارية الأيونية المتقدمة منخفضة الحرارة لإنتاج الطاقة الكهربائية الصناعية والتجارية باستخدام الوقود الأحفوري، واستمرت هذه الأبحاث حتى عام 1995 لتطبيقات محتملة في مفاعلات الفضاء والمفاعلات البحرية . وقد أظهرت هذه الأبحاث إمكانية تحقيق تحسينات كبيرة في أداء المحول عند درجات حرارة تشغيل منخفضة، وذلك بإضافة الأكسجين إلى بخار السيزيوم، [ 11 ] وكبح انعكاس الإلكترونات على أسطح الأقطاب الكهربائية، [ 12 ] والتشغيل بالوضع الهجين. وبالمثل، تم إثبات تحسينات مماثلة باستخدام أقطاب كهربائية تحتوي على الأكسجين في روسيا، إلى جانب دراسات تصميم لأنظمة تستخدم أداء المحول الحراري الأيوني المتقدم. [ 13 ] أظهرت دراسات حديثة [ 14 ] أن ذرات السيزيوم المثارة في المحولات الحرارية تشكل تجمعات من مادة ريدبيرغ السيزيومية ، مما يؤدي إلى انخفاض دالة شغل الباعث من المجمع من 1.5  إلكترون فولت إلى 1.0 - 0.7  إلكترون فولت. ونظرًا لطول عمر مادة ريدبيرغ، تبقى دالة الشغل منخفضة لفترة طويلة، مما يزيد بشكل ملحوظ من كفاءة المحول ذي درجة الحرارة المنخفضة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ راسور، ن. س. (1983). "محول الطاقة الحرارية الأيونية". في تشانغ، شيلدون س. ل. (محرر). دليل أساسيات الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب . المجلد  الثاني. نيويورك: وايلي. ص  668. ISBN 0-471-86213-4.
  2. ↑ هاتسوبولوس، جي إن؛ جيفتوبولوس، إي بي (1974). تحويل الطاقة الحرارية الأيونية . المجلد الأول. كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ISBN  0-262-08059-1.
  3. ^ باكشت، ف.ج. جي ايه ديفزيف؛ آم مارتسينوفسكي؛ بواسطة مويزيس؛ جي ديكوس . إب سونين. في جي يوريف (1973). "المحولات الحرارية والبلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة (مترجمة من Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma)": 490.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  4. ↑ ميلز، جوزيف سي؛ دالبرغ، ريتشارد سي (10 يناير 1991). "الأنظمة الحرارية الأيونية لمهام وزارة الدفاع الأمريكية" . وقائع مؤتمر معهد الفيزياء الأمريكي . 217 (3): 1088-1092 . رمز Bibcode : 1991AIPC..217.1088M . doi : 10.1063/1.40069 .{{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  5. ^ جريازنوف، المدير العام؛ إي.إي.زابوتينسكي؛ أف زرودنيكوف؛ يو. V. نيكولاييف؛ إن إن بونوماريف-ستيبنوي؛ V. يا. بابكو؛ السادس سيربين. في.أ. أوسوف (يونيو 1989). “محولات مفاعلات الانبعاث الحراري لوحدات الطاقة النووية في الفضاء الخارجي”. الطاقة الذرية السوفييتية . 66 (6). حانة بلينوس. شركة: 374-377 . دوى : 10.1007 / BF01123508 . ردمك 1573-8205 . S2CID 95666931 .  
  6. ↑ نشرة علماء الذرة . يوليو 1993. ص 12–. 
  7. ↑ وقائع ندوة أنظمة المفاعلات المدمجة المتقدمة: الأكاديمية الوطنية للعلوم، واشنطن العاصمة، 15-17 نوفمبر 1982. الأكاديميات الوطنية. 1983. ص 65–. NAP:15535. 
  8. ↑ فان كيميناد، إي.؛ فيلتكامب، دبليو بي (7 أغسطس 1994). "تصميم محول حراري أيوني لنظام تدفئة منزلي" (ملف PDF) . وقائع المؤتمر التاسع والعشرين المشترك بين الجمعيات لهندسة تحويل الطاقة . الجزء الثاني .
  9. ↑ راسور، نيد س.؛ تشارلز وارنر (سبتمبر 1964). "ارتباط عمليات الانبعاث لأغشية القلويات الممتزة على أسطح المعادن" . مجلة الفيزياء التطبيقية . 35 (9). المعهد الأمريكي للفيزياء: 2589. Bibcode : 1964JAP....35.2589R . doi : 10.1063/1.1713806 . ISSN 0021-8979 . 
  10. ↑ راسور، نيد س. (ديسمبر 1991). "بلازما تحويل الطاقة الحرارية الأيونية". معاملات IEEE في علوم البلازما . 19 (6): 1191-1208 . Bibcode : 1991ITPS...19.1191R . doi : 10.1109/27.125041 .
  11. ↑ جيه إل. ديسبلات، إل كيه هانسن، جي إل هاتش، جيه بي مكفي، وإن إس راسور، "التقرير النهائي لمشروع HET IV"، المجلدان 1 و2، تقرير راسور أسوشيتس رقم NSR-71/95/0842، (نوفمبر 1995)؛ أُجري لصالح مختبر وستنجهاوس بيتيس بموجب العقد رقم 73-864733؛ 344 صفحة. متوفر أيضًا بشكل كامل تحت عنوان: سي بي جيلر، سي إس موراي، دي آر رايلي، جيه إل. ديسبلات، إل كيه هانسن، جي إل هاتش، جيه بي مكفي، وإن إس راسور، "برامج الإلكترونيات الحرارية عالية الكفاءة (HET-IV) وتطوير المحولات (CAP). التقارير النهائية"، وزارة الطاقة الأمريكية DE96010173؛ 386 صفحة (1996).
  12. ↑ NS Rasor، "التأثير المهم لانعكاس الإلكترون على أداء المحول الحراري الأيوني"، وقائع المؤتمر الثالث والثلاثين المشترك بين جمعية مهندسي تحويل الطاقة، كولورادو سبرينغز، كولورادو، أغسطس 1998، ورقة 98-211.
  13. ↑ ياريجين، فاليري إي.؛ فيكتور ن. سيديلنيكوف؛ فيتالي س. ميرونوف. "خيارات تحويل الطاقة لمبادرة أنظمة الطاقة النووية الفضائية التابعة لناسا - القدرة غير المقدرة للإلكترونيات الحرارية". وقائع المؤتمر الدولي الثاني لهندسة تحويل الطاقة .
  14. ↑ سفينسون، روبرت؛ ليف هولمليد (15 مايو 1992). "أسطح ذات دالة شغل منخفضة للغاية ناتجة عن حالات مثارة مكثفة: مادة ريدبيرغ للسيزيوم". علم الأسطح . 269-270 : 695-699 . Bibcode : 1992SurSc.269..695S . doi : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . ISSN 0039-6028 .