热能发电(高效率实现热电直接转换的发电机)

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小型设备可用于汽车发动机尾气热发电，大 型设备可应用在沙漠太阳能热发电和中型核电上。目前，大部分直接实现热电转 换的发电设备的共同的特点：热电转换效率低，发电功率小。本发电机通过改良 热电子发电（热离子发电）技术实现了高效率、高功率发电。本发电机的原理与 磁流体发电机有较大的相似性。 我为此曾向国家专利局申请了一个发明专利，名 称：高效热能发电机，专利申请号：200910175967.2。 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:“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，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，所以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。一天我在学校实验室受到一只被点亮电子管的启 发，绘出了本发明最初发电的原理图（图 2）：这个原理图很简单，可以一目了然。但为避免误解我还是对图 2 的作个简单 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，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、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。 5、在金属板 A 与金属板 B 之间加入一个强磁场，磁场方向与外加电场方向垂 直,与金属板 A、B 平面平行，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。 6、霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流 方向的两个端面之间会出现电势差。此发明与磁流体发电机在原理上有相似之 处，都利用了霍尔效应。 发电过程：热源持续均匀加热金属板 A 发射器，达到工作温度后热能发电，发射器开 始持续辐射热电子流， 热电子流在外电场、 磁场共同作用下，到达电子收集板 （需 磁场磁感应强度 B 足够大）热能发电，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。

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