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Cyril Stephanos

• Conversion of heat into electric power as done, for example, by fossil-fuel power stations or concentrating-solar power plants, faces the problem that the highest acceptable input temperatures of the converters are usually significantly lower than the temperatures generated by the heat source. Coal, accounting for 40% of global electricity production, is burned at ~1500 °C, whereas the steam turbines to which the combustion heat is delivered are operated below ~700 °C, to give but one example. This temperature gap reduces the maximum conversion efficiency and leads to significant losses. Thermoelectronic generators, which can operate with extremely high temperatures, are compelling candidates to close this gap, boosting the total system efficiency to extraordinary values, yielding a corresponding reduction of emissions. Thermoelectronic generators are based on thermionic energy conversion. Although this technique has been known for more than 100 years, no efficient converters couldConversion of heat into electric power as done, for example, by fossil-fuel power stations or concentrating-solar power plants, faces the problem that the highest acceptable input temperatures of the converters are usually significantly lower than the temperatures generated by the heat source. Coal, accounting for 40% of global electricity production, is burned at ~1500 °C, whereas the steam turbines to which the combustion heat is delivered are operated below ~700 °C, to give but one example. This temperature gap reduces the maximum conversion efficiency and leads to significant losses. Thermoelectronic generators, which can operate with extremely high temperatures, are compelling candidates to close this gap, boosting the total system efficiency to extraordinary values, yielding a corresponding reduction of emissions. Thermoelectronic generators are based on thermionic energy conversion. Although this technique has been known for more than 100 years, no efficient converters could be built due to the formation of an electronic space-charge region, ruining the performance of practical devices. This thesis presents a solution to the space-charge problem, using electromagnetic fields to convert the space charges into a useful output current. Model calculations, verified experimentally in a prototype apparatus, reveal that there is no fundamental hurdle preventing the development of practical, highly efficient heat-to-electric-power generators. If implemented, these generators could, for example, considerably enhance the efficiency of coal combustion power plants, or operate as highly-efficient solar energy converters.…
• Die Umwandlung von Wärme in elektrische Leistung, wie z.B. in Kohlekraftwerken oder Sonnenwärmekraftwerken, ist der zentrale Prozess der heutigen Stromerzeugung. Dennoch wird der Prozess nicht optimal umgesetzt, da die hohen Temperaturen, die durch die Wärmequellen verfügbar sind, aus technischen Gründen nicht voll nutzbar gemacht werden können. Ein wichtiges Beispiel ist die Kohleverbrennung, durch welche etwa 40 % der Elektrizität weltweit erzeugt werden. Kohle verbrennt bei etwa 1500 °C, wohingegen die Eingangstemperaturen der verwendeten Dampfturbinen unter 700 °C liegen. Dieser Temperaturunterschied vermindert den möglichen Wirkungsgrad und führt zu Energieverlusten. Thermoelektronische Generatoren könnten diese Lücke schließen. Der Wirkungsgrad bestehender Prozesse könnte durch ihren Einsatz erheblich verbessert werden, was mit einer entsprechenden Verminderung der CO2-Emission verbunden wäre. Thermoelektronische Generatoren basieren auf der thermionischen Energieumwandlung.Die Umwandlung von Wärme in elektrische Leistung, wie z.B. in Kohlekraftwerken oder Sonnenwärmekraftwerken, ist der zentrale Prozess der heutigen Stromerzeugung. Dennoch wird der Prozess nicht optimal umgesetzt, da die hohen Temperaturen, die durch die Wärmequellen verfügbar sind, aus technischen Gründen nicht voll nutzbar gemacht werden können. Ein wichtiges Beispiel ist die Kohleverbrennung, durch welche etwa 40 % der Elektrizität weltweit erzeugt werden. Kohle verbrennt bei etwa 1500 °C, wohingegen die Eingangstemperaturen der verwendeten Dampfturbinen unter 700 °C liegen. Dieser Temperaturunterschied vermindert den möglichen Wirkungsgrad und führt zu Energieverlusten. Thermoelektronische Generatoren könnten diese Lücke schließen. Der Wirkungsgrad bestehender Prozesse könnte durch ihren Einsatz erheblich verbessert werden, was mit einer entsprechenden Verminderung der CO2-Emission verbunden wäre. Thermoelektronische Generatoren basieren auf der thermionischen Energieumwandlung. Obwohl die Technik seit über 100 Jahren bekannt ist, ist es bis heute nicht gelungen, das zentrale Problem zu beseitigen: die Ausbildung einer konzentrierten Elektronenraumladungszone im Inneren der Generatoren, welche die Leistung drastisch reduziert. In der vorliegenden Arbeit wird nun eine Lösung für das Raumladungsproblem vorgestellt. Durch einen neuen Ansatz mithilfe elektromagnetischer Felder werden die Raumladungen in einen nützlichen Ausgangsstrom umgewandelt. Modellrechnungen, die in guter Übereinstimmung mit experimentell gewonnenen Daten stehen, zeigen, dass es keinen physikalischen Grund gibt, der die Entwicklung hocheffizienter Generatoren verhindert. Thermoelektronische Generatoren könnten eingesetzt werden, um bestehende Prozesse signifikant zu verbessern, oder direkt als hocheffiziente solar-betriebene Generatoren verwendet werden.…