• analisi termica
• convertitore termoionico
• effetti di carica spaziale
• solar concentrated energy
• solare concentrato
• space charge effect
• thermal analysis
• thermionic converter

Il presente studio si occupa dell'analisi termica di un convertitore solare termoionico e termoelettrico in condizioni operative. Il dispositivo converte direttamente energia solare concentrata in energia elettrica e termica utilizzando uno stadio termoionico e ed uno termoelettrico termicamente combinati in serie.
Il comportamento termico del dispositivo sotto diversa intensità della radiazione solare concentrata è stato simulato numericamente mediante il programma di fluidodinamica computazionale Fluent. Un'analisi preliminare con Ansys Steady State Thermal è stata condotta per inizializzare la simulazione su Fluent.
Lo studio è iniziato dall'analisi dei fenomeni critici che influiscono sulle prestazioni del dispositivo, ovvero gli effetti della carica spaziale. Un componente importante del convertitore termoionico, in grado di minimizzare gli effetti di carica spaziale, è risultato essere il distanziatore interelettrodico. Quattro geometrie di distanziatori interelettrodici, diverse in spessore e configurazione (singolo distanziale anulare o omogeneamente distribuiti piccoli distanziatori), sono state investigate per prevedere il comportamento del convertitore in termini di temperatura, flussi di calore, flussi elettronici e densità di corrente.
Dall'analisi dei risultati è emerso che i migliori risultati sono stati ottenuti posizionando un distanziatore di 10 μm di spessore nella zona periferica degli elettrodi del modulo termoionico, mentre i peggiori sono stati ottenuti con distanziatori uniformemente distribuiti sulla superficie dell’emettitore. Una geometria alternativa costituita da una quantità discreta di distanziatori distribuiti nella zona periferica è stata proposta come la soluzione più efficace.



The present work deals with the thermal analysis of a thermionic and thermoelectric solar converter under operating conditions. The device converts directly solar concentrated energy into electrical and thermal energy by using a thermionic and a thermoelectric stage thermally combined in series.
The thermal behavior of the device under different solar concentrated radiation intensity was numerically simulated by means of the computational fluid dynamic software Fluent. A preliminary analysis with Ansys Steady State Thermal was performed to initialize Fluent simulation.
The study started from the analysis of the critical phenomena which affect the device’s performance, namely space charge effects. An important component of the thermionic converter, able to minimize space charge effects, was found to be the inter-electrode spacer.
Four different inter-electrode spacer geometries, differing in thickness and configuration (single ring-shaped spacer or homogeneously distributed small spacers), were investigated to predict the converter behavior in terms of temperature, heat fluxes, electronic fluxes and current density.
From the analysis of the results, it came out that the best results were obtained by positioning a spacer of 10 μm thickness in the peripheral zone of the thermionic electrodes, while the worst were obtained with spacers evenly distributed on the collector surface. Another trade-off alternative consisting of a discrete amount of spacers distributed in the peripheral zone was proposed as the most effective solution.