CN101997445A - 高效热能发电机 - Google Patents

Abstract

一种将热能高效率转化为电能的发电机，它是将相互垂直的强电场、强磁场结合在圆柱体结构中，利用电场加速氧化物热辐射电子，利用热电子在垂直方向磁场中运动来发电。发电机采用内外两层金属圆柱桶结构。内外两桶之间放置电子收集板，收集热电子后连接外电路，再连接外桶外壁形成回路。本发明可制造成大型发电机，主要用于大型太阳能热发电站的发电机，也可制成中小型高效发电机，用于替代中小型传统发电系统的发电机。

Description

高效热能发电机

所属技术领域

本发明是一种将热能转换为电能的发机，可实现热能大规模、高效率转化。本发明是将相互垂直的强电场、强磁场组合在一圆柱体结构中，利用电场加速热辐射电子，利用热电子流在垂直方向磁场中运动来发电的装置。

背景技术

目前，利用热能的大规模发电设备，大都是先用汽轮机将热能转化机械能，再由发电机将机械能转化为电能，有转换过程多、效率低，大量消耗水资源等不足。(大型太阳能热电站多建于干燥地区，水资源尤为宝贵)。本发电系统的能量转换过程是将热能直接转换为电能，整个系统闭环运作，效率高，节水，特别适用于大型太阳能热发电站(太阳能塔式聚光或抛物面槽式热发电系统)。

本发明的核心特点将热能直接转化为电能。现在，人们已经利用此塞贝克(seebeck)效应研制出热能直接转化为电能的设备，但时至今日，此类设备还无法实现大规模、高效率的热电转换。本发明与塞贝克效应无关。下面是与本发明有关的设备、原理介绍。

直流高压发生器即直流高压电压源，目前直流高压电压源较多是采用脉宽调制技术实现。

氧化物电子管阴极原理：氧化物阴极是一种半导体阴极，其导电性不如金属阴极，故常涂在金属的表面。氧化物阴极是在钨丝或镍管上涂是一层由碳酸钡、碳酸钙和碳酸锶的细粉末和胶合剂组成的混合物，经过加热分解和激活而成。将碱土金属的碳酸盐涂在由镍制成的阴极导体上，装在电子管内部。在电子管排气时，将阴极加热到1600K左右，这时碳酸盐开始分解，即：BaCO  3→BaO+CO  2↑产生的二氧化碳被抽气机抽走，附于阴极导体表面的氧化钡就成为氧化物阴极。氧化物阴极经过“激活”后，内部产生少量金属钡原子，变为n型半导体。金属钡原子的存在，改变了半导体的能级分布，在禁带内生成“杂质能级”，这个能级很接近半导体的导带，所以逸出功变得较小。半导体BaO的表面因为没有像金属阴极表面那样的正离子及由它形成的位垒，所以也使n型半导体的逸出功变小。氧化物阴极的放射能力取决于阴极表面钡的浓度。氧化物阴极优点为逸出功小，工作温度低(1000K左右)。因此，它是3种阴极中发射效率最高的一种。此外，它还具有强大的脉冲发射特性。在板极和阴极间加上占空系数较大的脉冲电压时，可得到很大的脉冲发射电流。

二次电子发射：当用具有一定能量或速度的电子(或离子等其他粒子)轰击金属等物质时，也会引起电子从这些物体中发射出来，这种物理现象称为二次电子发射。被发射出的电子叫做二次电子，而引起二次电子出现的入射粒子叫做原粒子。对于相同的二次电子阴极材料和相同的一次电子能量，二次电子数和一次电子数成正比。σ＝n2/n1，式中，σ为二次电子发射系数。

发明内容

本发明是将相互垂直的强电场、强磁场结合在一圆柱体结构中，利用电场加速热辐射电子，利用热电子流在垂直方向磁场中运动来发电的装置。

本发明的主体为一圆柱金属钨桶(半径0.5-3米，桶壁厚5-15mm)，整个金属桶内部为真空环境。圆柱金属钨桶内壁有特殊氧化物涂层(同氧化物电子管阴极涂层)。

金属钨桶内有一内金属桶(内桶厚＜5mm)，内桶半径≤1/2外桶半径，内外桶等高、同轴(如图1所示)。直流高压发生器可在两金属桶之间加一直流高电压(0.5-10万伏，内金属桶为阳极)，加电压后，两桶之间将会将会产生一个电场E。内外金属桶之间放入电子收集板，电子收集板为长方形金属薄板，长为圆柱金属桶的高，宽为内外圆柱桶半径之差的2/3。电子收集板长边与圆柱体轴线平行，宽边沿径线方向放置(如图2横截面图所示，这样放置，对电场、磁场产生屏蔽最小)。本系统共需电子收集板16块(也可根根实际所需增加数量)，相邻电子收集板之间夹角22.5°，所有电子收集板由底部导线相连成一体。电子收集板、外金属钨桶、内金属桶之间高度绝缘，桶内为真空环境。沿圆柱轴线方向有超强磁场，如图1所示(磁场用高性能的磁铁或超导磁体产生)

本发明采用圆柱体结构是为了加大热电子发射层的表面积，保证热电子流强度。超小型化系统也可改为半球体结构。

本发明采用氧化物阴极作热电子辐射源，主要目的是降低系统发电时的工作温度，在发电机发电时，所需工作温度1000K左右。在可以采用较高工作温度的情况下(2000K左右)，发电机也可改用碳化钍钨阴极或新型复合稀土钨阴极技术来做热电子辐射源。

发电过程：当热传导液被加热系统加热后(温度1000K以上)，均匀、快速流过外圆柱金属桶外表面，金属桶壁受热温度升高，当桶壁温度达到1000K左右时，直流高压发生器在两金属桶之间加2万伏直流电压，内金属桶为阳极，两桶之间将产生一个强电场E。外桶内壁氧化物层逸出的热电子在电场作用下向轴心做加速运动，运动的热电子流在垂直磁场产生的洛伦兹力作用下转向，最后电子到达电子收集板，外金属桶与电子收集板就形成了很高的电势差。当两者通过外电路接通时，负载上就有电流通过，这就是整个发电过程，如图1所示。。

由于电子没有到达内金属桶，内外两桶之间的电压可保持稳定，整个发电过程可稳定持续下去。热传导液体流回加热系统重新加热，整个系统是一个完全闭环系统，效率很高。

能量转换过程：热能转换为热辐射电子逸出功，电场E使逸出电子获得向轴心方向的加速度，运动的热电子流垂直穿越磁场时，在垂直于磁场和电子流运动的方向上将出现电场E1。电子流在洛伦兹力作用下转向，到达电子收集板，最终从收集板上连接负载就可以引出电流而获得电功率，电流经负载最终又流回外金属桶外壁，整个过程可持续进行。和普通发电机一样，法拉第电磁感应定律仍是本发电系统的基本原理，只是在磁场中运动的固体导体为电子流所代替。

本系统可能存在的问题：电子收集板上的二次电子发射。如果大量二次电子在电场E作用下，到达内金属桶壁，将可能损害高压电压源，影响两桶之间电场E的稳定，从而影响整个系统发电的稳定性。

解决办法：

1、电子收集板使用二次电子发射系数小的金属制作，在电子收集板上加特殊涂层或用离子注入法减小二次电子发射系数；

2、使大部分二次电子离开电子收集板后，在电场、磁场作用下，依然运动到电子收集板，方法：提高磁场强度，尽量使用超导磁场；减小内金属桶半径，同时适当增大电子收集板宽度；适当提高电子收集板的数量。

3、由于氧化物阴极具有强大的脉冲发射特性。在外金属桶和内金属桶间如果不加恒定电压，而是加上固定频率的直流脉冲电压时，可能发电效果更好，二次电子的影响也会小一些。

附图说明

图1是本发明的透视原理图，为了清楚显示，透视图中只绘出了16块电子收集板中的两块(正对视线方向的两块)。

图2是系统横截面图，图中清楚显示了电子收集板的分布位置。

Claims (4)

1.一种热能发电机，将热能高效率转化为电能，其特征是：将相互垂直的强电场、强磁场结合在一圆柱体结构中，同时利用热辐射电子在电场、磁场中运动来发电。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征是：热电子辐射是采用氧化物热电子辐射源，减小系统的工作温度。利用强电场来加速热电子，提高发电功率。

3.根据权利要求1所述的发电机，其特征是：整个系统采用圆柱桶状结构，内外两圆柱金属桶同轴，相互绝缘，其间为真空。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征是内外金属桶之间放置多块电子收集板，电子收集板为长方形金属簿板，长边与圆柱体轴线平行，宽边沿径线方向放置。

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