Techniklexikon

thermionischer Generator

Energietechnik, regenerierbare Energiequellen, auf dem Prinzip der Glühemission beruhende Wärmekraftmaschine (mit thermodynamisch begrenztem Wirkungsgrad). Ein thermionischer Generator besteht aus einem Emitter, d.h. einer Elektrode mit hoher Austrittsarbeit , die auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, und einer Kollektorelektrode mit niedriger Austrittsarbeit (), die sich auf niedrigerer Temperatur befindet. Der Emitter fungiert mithin als Wärmequelle, während der Kollektor eine Wärmesenke darstellt. Emitter und Kollektor werden zu einer Diode zusammengefügt, die es den bei hoher Temperatur vom Emitter abgedampften Elektronen erlaubt, in die Kollektorelektrode überzutreten. Vor dem Verbinden von Emitter und Kollektor befinden sich die Fermi-Niveaus (Fermi-Energie) der beiden Elektroden wegen der verschiedenen Austrittsarbeiten auf verschiedener Höhe. Im Kurzschlussfall gleichen sich die Fermi-Niveaus aus, so dass eine Kontaktspannung  zustandekommt. Fliesst über den Kontakt nun ein Strom j, so steht eine elektrische Leistung von  zur Verfügung. Die zum Abdampfen der Elektronen vom Emitter benötigte Heizleistung ist offenbar , so dass sich der ideale Wirkungsgrad des Generators zu  ergibt. Der maximale Strom (Sättigungsstrom) des thermionischen Generators wird bei Vernachlässigung der Glühemission aus der Kollektorelektrode gemäss der Richardson-Gleichung durch  beschrieben, wobei T_E die Temperatur des Emitters und k_B die Boltzmann-Konstante darstellt. Im allgemeinen ist der Ladungstransport über den Vakuumspalt jedoch raumladungsbegrenzt (Raumladung), d.h. die bereits im Spalt befindlichen Elektronen behindern den Transport der nachfolgenden Elektronen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie wird in diesem Falle durch das Child-Langmuir-Gesetz beschrieben. Bei technisch realisierbaren Elektrodenabständen ist der maximale Strom gemäss Child-Langmuir-Gesetz also deutlich geringer als der Sättigungsstrom nach der Richardson-Gleichung, was eine Raumladungskompensation notwendig macht.