熱離子電源發(fā)電單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬熱能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，熱離子發(fā)電單元是一種靜態(tài)的熱電轉(zhuǎn)換裝置，適用于核能、火力、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域；該新型的熱離子電源能以優(yōu)良和高效的性能利用核能、火力、太陽能等多種熱源，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。
【背景技術(shù)】
[0002]熱離子能量轉(zhuǎn)換器是利用金屬表面熱電子發(fā)射現(xiàn)象提供電能的一種靜態(tài)發(fā)電電源，它不需要機(jī)械轉(zhuǎn)動部分直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。由于現(xiàn)有熱離子電源的發(fā)電理論的電壓計算公式:U e = 0E - 0C - E ^存在問題，導(dǎo)致現(xiàn)有熱離子電源的熱電轉(zhuǎn)化效率很低，設(shè)備可靠性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]我們修正了現(xiàn)有熱離子電源的發(fā)電理論，提出了新的熱離子熱電轉(zhuǎn)換理論，新理論包括熱離子電源第一電壓公式:
Ue = Q^Effl = Z1 (T,0E)；
熱離子電源第二電壓公式:
U e = E ffl - E d = /2( T ) - 0E - E d = /3 ( T, 0E, Ed)
熱離子電源實(shí)用電壓公式:
Ue = /2(T) — /2 (T，)+ (0C — 0E) — ( E d — E ’ d)
其中U為極間電壓，e為電子電量，0ES發(fā)射極逸出功,0。為接收極逸出功，E L為熱電子跨越極間時動能損失，E m為出逸熱電子的平均最大動能，E d為發(fā)射極熱電子飛躍極間距離所需要的初始能量，T為發(fā)射極工作溫度，T’為接收機(jī)工作溫度，E’ &為接收極熱電子飛躍極間距離所需要的初始能量。
[0004]新理論明確了與現(xiàn)有熱離子電源不同的熱電轉(zhuǎn)換原理和條件:發(fā)射極的逸出功要小于或等于接收極的逸出功，發(fā)射極的工作溫度可以等于或大于接收極的工作溫度，極間電壓與極間距離直接相關(guān)，并且隨著距離的增大而減小。
[0005]基于上述我們的熱離子電源理論和計算公式，我們的發(fā)明設(shè)計了專門用于熱離子發(fā)電單元的熱電子收發(fā)混合電極和熱電子接收極，用具有較高表面勢壘而容易俘獲熱電子的逸出功較高和熔點(diǎn)較高的導(dǎo)體制成末級接收極；熱電子收發(fā)混合電極用作發(fā)射極和中間電極；所述熱電子收發(fā)混合電極是用逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體作為熱電子收發(fā)混合電極的接收極基體；在接收極基體上，除需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面外，其他各個外表面因?yàn)橛休^高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體上，對需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發(fā)射熱電子的發(fā)射極表面；所述發(fā)射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯(lián)；熱離子發(fā)電單元可以由一個發(fā)射極和一個接收極組成，也可以由一個發(fā)射極、若干個中間電極和一個末級接收極依次串聯(lián)組成。
[0006]本發(fā)明所用的熱電子收發(fā)混合電極是一種由逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體作為基體，基體通過其較高的表面勢壘在需要俘獲熱電子的結(jié)構(gòu)面上首先滿足更容易俘獲熱電子的接收極特性，而在面對其他接收極的結(jié)構(gòu)面上通過降低逸出功的表面處理，使這個表面成為容易發(fā)射熱電子的發(fā)射極表面；本發(fā)明所用的熱電子接收極是一種由逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體制成的通過其較高的表面勢壘而更容易俘獲熱電子的電極。
[0007]熱電子接收極和熱電子收發(fā)混合電極的基體實(shí)質(zhì)上是由同類材料構(gòu)成，一般可以用鎢W、鑰Mo、鉭Ta、鎳N1、鉬Pt、鈮Nb、錸Re、石墨C、P型半導(dǎo)體等基材制造。熱電子收發(fā)混合電極上熱電子發(fā)射表面的處理方式包括貼敷:低逸出功材料、氧化物陰極材料、原子膜陰極材料、釷鎢陰極材料、稀土一鑰陰極材料、稀土一鶴基鈧系擴(kuò)散陰極材料。一般用銫Cs、BaSrCa的氧化物、W-ThO2、W2O-ThO2、釷錸鎢、鈰鎢、Mo-La2O3、鋁酸鹽鋇鎢、鎢酸鹽鋇鎢、硼化物、金屬陶瓷等陰極材料來制造。
[0008]高溫?zé)嵩纯梢灾苯踊蜷g接地向各個電極補(bǔ)充熱量并保持一定的高溫，發(fā)射極、中間電極和末級接收極可以在相同或相近的溫度下工作，或者在發(fā)射極、中間電極和末級接收極存在依次由高到低的溫度梯度下工作，或者發(fā)射極和中間電極工作在相同的溫度下，而讓末級接收極工作在溫度相對較低的條件下。上述發(fā)射極和中間電極均不需要降溫排熱而處于同一個高溫?zé)崆粌?nèi)，末級接收極在不俘獲熱電子的側(cè)面需要具備可以控制散熱量，并能使接收極保持一定溫度的散熱條件，末級接收極需要通過少量的降溫排熱來保持其溫度小于或等于收發(fā)混合電極(包括發(fā)射極和中間電極)的工作溫度。末級接收極上的熱量來源主要是由熱電子流帶來的珀爾貼熱和中間電極向其輻射的熱量。發(fā)射極和中間電極保持高溫的目的是要實(shí)現(xiàn)熱電子發(fā)射，使熱能以熱電子發(fā)射的方式轉(zhuǎn)化為電勢能；末級接收極需要通過少量排熱來維持其不高于收發(fā)混合電極的溫度、并且維持在較高溫度水平的原因是要減小其相鄰中間電極向其輻射的熱量，進(jìn)而減小排熱和熱能損失。
[0009]【附圖說明】:
圖1熱電子收發(fā)混合電極；
圖2熱離子發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中，1、熱電子收發(fā)混合電極，2、收發(fā)混合電極的接收極基體，3、收發(fā)混合電極的發(fā)射極表面，4、第I級熱電子收發(fā)混合電極，5、第2級熱電子收發(fā)混合電極，6、第3級熱電子收發(fā)混合電極，7、第4級熱電子收發(fā)混合電極，8、第m級熱電子收發(fā)混合電極，9、末級(第η級)熱電子接收極，10、絕熱外殼，11、導(dǎo)線，12、負(fù)載，13、高溫?zé)嵩矗?4、向電極補(bǔ)充的熱量，15、珀爾貼熱，16、回路電流，17、散熱裝置。
[0011]【具體實(shí)施方式】:
參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0012]用具有較高表面勢壘而容易俘獲熱電子的逸出功較高和熔點(diǎn)較高的導(dǎo)體制成末級接收極9 ;熱電子收發(fā)混合電極I用作發(fā)射極和中間電極；所述熱電子收發(fā)混合電極I是用逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體作為熱電子收發(fā)混合電極I的接收極基體2 ;在接收極基體2上，除需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面外，其他各個外表面因?yàn)橛休^高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體2上，對需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發(fā)射熱電子的發(fā)射極表面3 ;所述發(fā)射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯(lián)；既由第I級熱電子收發(fā)混合電極4、第2級熱電子收發(fā)混合電極5、第3級熱電子收發(fā)混合電極6、第4級熱電子收發(fā)混合電極7、第m級熱電子收發(fā)混合電極8、末級熱電子接收極9，共計η個電極依次串聯(lián)排列組成熱離子發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)換組件。上述的η個電極相串聯(lián)組成熱離子發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)換組件包含在絕熱外殼10內(nèi)部，其中末級熱電子接收極9連接散熱裝置17 ;高溫?zé)嵩?3向絕熱外殼10內(nèi)部補(bǔ)充熱量Qin，所有收發(fā)混合電極4、5、6、
7、8直接或間接地從高溫?zé)嵩?3獲得向電極補(bǔ)充的熱量14 (Ql?Qm)，熱量14 (Ql?Qm)使得所有電極工作在相同或相近的高溫條件下，并保證各個收發(fā)混合電極的發(fā)射極表面在足夠高的溫度下發(fā)射熱電子，繼而在收發(fā)混合電極上將熱能轉(zhuǎn)化為極間電勢能El?Em。導(dǎo)線11將第I級熱電子收發(fā)混合電極4、負(fù)載12和末級熱電子接收極9連接成熱離子發(fā)電單元外的電流回路?；芈冯娏?6將珀爾貼熱15從第I級熱電子收發(fā)混合電極4開始，流經(jīng)第2級熱電子收發(fā)混合電極5、第3級熱電子收發(fā)混合電極6、第4級熱電子收發(fā)混合電極7、第m級熱電子收發(fā)混合電極8、最終傳遞到末級熱電子接收極9，為保證末級熱電子接收極9的溫度不會持續(xù)增高，并且不會高于其他電極的溫度，用可以控制散熱量的散熱裝置17將珀爾貼熱15排出到熱離子發(fā)電單元的絕熱外殼10的外部。各級電極之間的電勢能El?Em通過導(dǎo)線11傳輸?shù)截?fù)載12,負(fù)載12將獲得電能Eout。所述熱離子發(fā)電單元在各電極保持相同或相近的高溫條件下工作；或在發(fā)射極和中間電極溫度相同，而末級接收極溫度相對較低的條件下工作；或在依次經(jīng)過發(fā)射極、各級中間電極、末級接收極存在由高到低的溫度梯度的條件下工作；其中發(fā)射極和中間電極的工作溫度必須保持在能夠高效發(fā)射熱電子的溫度范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱離子電源發(fā)電單元，其特征在于:用逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體制成更容易俘獲熱電子的熱電子末級接收極(9);熱電子收發(fā)混合電極(I)用作發(fā)射極和中間電極；所述熱電子收發(fā)混合電極(I)是用逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體作為熱電子收發(fā)混合電極(I)的接收極基體(2)，在接收極基體(2)上，除需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面外，其他各個外表面因?yàn)橛休^高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體(2)上，對需要發(fā)射熱電子的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發(fā)射熱電子的發(fā)射極表面(3);所述發(fā)射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯(lián)；既由第I級熱電子收發(fā)混合電極(4)、第2級熱電子收發(fā)混合電極(5)、第3級熱電子收發(fā)混合電極(6)、第4級熱電子收發(fā)混合電極(7)、第m級熱電子收發(fā)混合電極(8)、末級熱電子接收極(9)，共計η個電極依次串聯(lián)排列組成熱離子發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)換組件，其中m > 1，n=m+l。
2.按照權(quán)利要求1所述的熱離子電源發(fā)電單元，其特征在于:所述的η個電極相串聯(lián)組成熱離子發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)換組件包含在絕熱外殼(10)內(nèi)部，其中末級熱電子接收極(9)連接散熱量可控的散熱裝置(17);高溫?zé)嵩?13)向絕熱外殼(10)內(nèi)部補(bǔ)充熱量；導(dǎo)線(11)將第(I)級熱電子收發(fā)混合電極(4)、負(fù)載(12)和末級熱電子接收極(9)連接成熱離子發(fā)電單元外的電流回路。
3.按照權(quán)利要求1所述的熱離子電源發(fā)電單元，其特征在于:所述熱離子發(fā)電單元在各電極保持相同或相近的高溫條件下工作；或在發(fā)射極和中間電極溫度相同，而末級接收極溫度相對較低的條件下工作；或在依次經(jīng)過發(fā)射極、各級中間電極、末級接收極存在由高到低的溫度梯度的條件下工作；其中發(fā)射極和中間電極的工作溫度必須保持在能夠高效發(fā)射熱電子的溫度范圍。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱離子電源發(fā)電單元，其特征在于：用逸出功較高的高熔點(diǎn)導(dǎo)體制成更容易俘獲熱電子的熱電子末級接收極9；熱電子收發(fā)混合電極1用作發(fā)射極和中間電極；所述發(fā)射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯(lián)；既由第1級熱電子收發(fā)混合電極4、第2級熱電子收發(fā)混合電極5、第3級熱電子收發(fā)混合電極6、第4級熱電子收發(fā)混合電極7、第m級熱電子收發(fā)混合電極8、末級熱電子接收極9，共計n個電極依次串聯(lián)排列組成熱離子發(fā)電單元的熱電轉(zhuǎn)換組件，本發(fā)明能以優(yōu)良和高效的性能利用到核能、火力、太陽能等多種熱源，熱離子電源的熱電轉(zhuǎn)化效率大大得到提高。
【IPC分類】H02N3-00
【公開號】CN104753395
【申請?zhí)枴緾N201310478093
【發(fā)明人】張維國
【申請人】張維國
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月26日