热能发电(高效热能发电机)

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所属技术领域高效热能发电机（专利申请号：2009101759672），是利用霍尔效应，使定向电子流与磁场相对运动而发电的一种设备。原理与磁流体发电机相似，但此发电机以定向电子流取代等离子流，工作温度远低于磁流体发电机，且无电极腐蚀难题。高功率电子管在工作时，由于外加电压的存在，其阴极可以实现大功率的热电转换，且转换的效率也较高。但电子管阴极热转化的“电”，以定向电子流的形式存在，电子流在电场驱动下，定向运动到阳极，又全部转换为更多的热能（其中还包含一部分外加电源输出的电功率,P=UI）,这并非可输出的电能。此发电系统采用类电子管结构，通过外加电场，实现热阴极以较大的功率进行热电转换，产生趋向阳极运动的定向电子流，同时利用霍尔效应，外加与电子流运动方向垂直的磁场，电子流在磁场作用下偏转到电子收集板（图2为原理图），无法到达外加电源的阳极,从而形成电子收集板与阴极之间的电势差，连接负载输出即完成发电过程。由于外加高电压的存在，电子流运动的定向性好，相对于磁场垂直运动的速度很快，所以可以产生很高的感应电动势，也即：收集板和阴极之间可以产生高电势差。且外电源电压越高，收集板和阴极之间的电势差越高。详细介绍高效热能发电机是一种不需要任何运动部件，直接把热能转变为电能的发电设备，此发电机与交流发电机一样可以制成多种不同发电功率的设备。其原理是通过改良热电子发电技术，实现高功率发电的设备。其原理与磁流体发电机相似，但此发电机以电子流取代等离子流，工作温度远低于磁流体发电机（工作温度只有700-900摄氏度），且不存在电极腐蚀的难题。整个发电系统闭环运作，效率较高。热电子发电是一种利用爱迪生效应来发电的技术，是把热能直接转变成电能的发电技术！爱迪生效应是“加热某种金属材料达到一定温度后，金属中的电子获得足够的动能，可以克服金属表面“势垒”的障碍，摆脱金属原子核的束缚，逸出金属表面而进入外部空间的现象。”传统的热电子发电装置由发射器和接收器两个基本部件组成（如图1所示）。两者由一个小空间分隔开。发射器经加热后逸出电子，电子通过中间空间到达收集器，并在发射器和收集器之间形成电势差。接通外部负载热能发电，就成为低压直流电源。其原理图如图1所示（图中，金属板A为发射器）。

上述发电装置发电容量较小，效率低，不能实现大功率热电转换！主要原因：随着热电子发射，发射器和接收器之间产生电势差，两者之间形成电场（下文中称为逸出电场），逸出电子到达收集器必须克服电场做功，由于电子荷质比较大，所以能够到达收集器的热电子流较小，输出功率自然也较小。提高发射器工作温度可提高逸出电子初动能，从而可提高发电功率，但因为电子荷质比高的原因，提高非常有限。利用热电子发电要实现高效率、高功率的热电转换，关键就是提高发射器辐射到接收器的热电子流强度。高效热能发电机的发明是受到电子管的工作原理启发，其原理图如下（图2）：

这个原理图很简单，可以一目了然。下面对图2的做个简单说明：1、金属板A上表面是以电子管氧化物阴极工艺技术制备的氧化物涂层，构成发射器。使用氧化物阴极技术主要是为降低工作温度，发射器温度只需保持在700-900摄氏度发电机就可正常工作。它与金属板B（两者是同样大小正方形金属薄板）水平放置，平行相对，两者之间空间是真空环境2、氧化物阴极需要真空工作环境，增加设备复杂性热能发电，但真空却大大减少了发射器与收集器之间直接的热交换，有助于发电效率提高。3、用高压直流电压源在金属板A与金属板B之间加一高电压，金属板B接正极。两者之间就会形成一个很强的外加电场E，电场方向垂直金属板B的平面，方向向下）。4、在金属板A与金属板B之间加入一个强磁场，磁场方向与金属板A、B平面平行，与外加电场方向垂直,与电子收集板平面平行。磁场方向如图2所示，磁感应强度为B（×表示磁场方向）。5、金属板A与金属板B之间放置多块长方形金属薄板（如图2所示），各块薄板互相平行，之间通过导线相连在一起构成接收器（下文也称电子收集板）。每块电子收集板的长边与金属板A边长等长，长边水平放置，与金属板A的一边平行，宽小于金属板A、B之间的距离，宽边垂直水平面（如图2所示）。

发电装置内，金属板A、金属板B、接收器之间不接触，完全绝缘。6、电子收集板需保持较低工作温度，所以要额外使用降温系统。降温系统实现方案：在电子收集板内有夹层，可让液氮流过夹层来带走废热，保持低温。7、热源以较高功率持续加热发射板A，保证发射板在辐射电子流后损失热能后仍能保持在正常的工作温度（700-900摄氏度）。发电过程：热源持续均匀加热金属板A发射器，达到工作温度后，发射器开始向外持续辐射热电子流，热电子流在外加电场作用下，趋向向上运动，运动的电子流在磁场作用下转向，到达电子收集板（需磁场磁感应强度B足够大），发射器与接收器就形成了较高的电势差。当两者通过外电路接通时，负载上就有电流通过，这就是发电过程。能量转换过程:由于引入外电场E一定程度上抵消了逸出电场的影响，发射器可发射高强度的热电子流，热源加热发射器的热能被大功率转换为热辐射电子逸出功与初动能。运动的热电子流垂直穿越磁场时,在洛伦兹力作用下转向，到达收集器（各电子收集板之间有导线互连构成收集器），最终从收集器上连接负载，就可以和发射器构成回路，而获得电功率。只要热源以足够功率持续加热，保证发射极维持在工作温度，电子流稳定持续，整个发电过程可持续进行。

由于在整个发电过程中，只有热电子流到达收集器时，一部分能量转化为收集板的热能而损失掉，其它大部分热能都转换为电能，所以发电机是高效的。当然发射极也会向外热辐射，损失一部分能量。能量转换过程：热能----电子流----电能与废热（废热通过收集板降温系统排出到外部环境）由于在整个发电过程中，热电子流到达收集器时，一部分能量转化为收集板的热能而导致收集板温度上升（热辐射也会导致收集板温度上升），会影响发动机稳定工作，需用降温系统将收集板降温。实现方法：电子收集板内有夹层，可让液氮流过夹层汽化来带走废热，让收集板保持较低温度。发电功率估算：若没有加入磁场，当热源持续均匀加热金属板A达到工作温度后，在金属板A与金属板B之间外加5万伏以上高电压，金属板A可大强度发射热电子，大功率地带走热源的热能。整个装置就类似一个大的“电子管”，可以估算出这个“电子管”的电流强度：假设金属板A上表面面积为1平方米，氧化物阴极达到一定的温度，理论上可实现每平方厘米1A的持续辐射电流，那么金属板A的发射电流就有10000A。在实际发电过程中，由于发射器与接收器之间存在电势差，电流应该达不到这么高。发射器与接集器之间的输出电势差应该与外加电场E、磁感应强度B、发射器温度正相关，当金属板A与金属板B之间外加5万伏以上高电压时，输出的电压至少可以保持不小于5000伏。

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