CN104753395A - 热离子电源发电单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热离子电源发电单元，其特征在于：用逸出功较高的高熔点导体制成更容易俘获热电子的热电子末级接收极9；热电子收发混合电极1用作发射极和中间电极；所述发射极、若干中间电极和末级接收极依次串联；既由第1级热电子收发混合电极4、第2级热电子收发混合电极5、第3级热电子收发混合电极6、第4级热电子收发混合电极7、第m级热电子收发混合电极8、末级热电子接收极9，共计n个电极依次串联排列组成热离子发电单元的热电转换组件，本发明能以优良和高效的性能利用到核能、火力、太阳能等多种热源，热离子电源的热电转化效率大大得到提高。

Description

热离子电源发电单元
技术领域
 本发明属热能发电技术领域，热离子发电单元是一种静态的热电转换装置，适用于核能、火力、太阳能发电等领域；该新型的热离子电源能以优良和高效的性能利用核能、火力、太阳能等多种热源，将热能转化为电能。
背景技术
热离子能量转换器是利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种静态发电电源，它不需要机械转动部分直接将热能转化为电能。由于现有热离子电源的发电理论的电压计算公式：Ｕe＝?E－?C－ＥL存在问题，导致现有热离子电源的热电转化效率很低，设备可靠性差。
发明内容
我们修正了现有热离子电源的发电理论，提出了新的热离子热电转换理论，新理论包括热离子电源第一电压公式：
Ｕｅ＝?E＋Ｅm＝?1 ( T，?E )；
热离子电源第二电压公式：
Ｕｅ＝Ｅm－Ｅd＝?2( T )－?E－Ｅd ＝?3 ( T, ?E,Ｅd)
热离子电源实用电压公式：
Ｕe＝?2(T)－?2(T’)+ (?C－?E)－(Ｅd－Ｅ’d)
其中Ｕ为极间电压，ｅ为电子电量， ?E为发射极逸出功，?C为接收极逸出功，ＥL为热电子跨越极间时动能损失，Ｅm为出逸热电子的平均最大动能，Ｅd为发射极热电子飞跃极间距离所需要的初始能量，T为发射极工作温度，T’为接收机工作温度，Ｅ’d为接收极热电子飞跃极间距离所需要的初始能量。
新理论明确了与现有热离子电源不同的热电转换原理和条件：发射极的逸出功要小于或等于接收极的逸出功，发射极的工作温度可以等于或大于接收极的工作温度，极间电压与极间距离直接相关，并且随着距离的增大而减小。
基于上述我们的热离子电源理论和计算公式，我们的发明设计了专门用于热离子发电单元的热电子收发混合电极和热电子接收极，用具有较高表面势垒而容易俘获热电子的逸出功较高和熔点较高的导体制成末级接收极；热电子收发混合电极用作发射极和中间电极；所述热电子收发混合电极是用逸出功较高的高熔点导体作为热电子收发混合电极的接收极基体；在接收极基体上，除需要发射热电子的结构面外，其他各个外表面因为有较高的表面势垒而容易俘获热电子；在接收极基体上，对需要发射热电子的结构面进行降低逸出功的表面处理，使此表面成为容易发射热电子的发射极表面；所述发射极、若干中间电极和末级接收极依次串联；热离子发电单元可以由一个发射极和一个接收极组成，也可以由一个发射极、若干个中间电极和一个末级接收极依次串联组成。
本发明所用的热电子收发混合电极是一种由逸出功较高的高熔点导体作为基体，基体通过其较高的表面势垒在需要俘获热电子的结构面上首先满足更容易俘获热电子的接收极特性，而在面对其他接收极的结构面上通过降低逸出功的表面处理，使这个表面成为容易发射热电子的发射极表面；本发明所用的热电子接收极是一种由逸出功较高的高熔点导体制成的通过其较高的表面势垒而更容易俘获热电子的电极。
热电子接收极和热电子收发混合电极的基体实质上是由同类材料构成，一般可以用钨W、钼Mo、钽Ta、镍Ni、铂Pt、铌Nb、铼Re、石墨C、P型半导体等基材制造。热电子收发混合电极上热电子发射表面的处理方式包括贴敷：低逸出功材料、氧化物阴极材料、原子膜阴极材料、钍钨阴极材料、稀土—钼阴极材料、稀土—钨基钪系扩散阴极材料。一般用铯Cs、BaSrCa的氧化物、W-ThO2、W2O-ThO2、钍铼钨、铈钨、Mo-La2O3、铝酸盐钡钨、钨酸盐钡钨、硼化物、金属陶瓷等阴极材料来制造。
高温热源可以直接或间接地向各个电极补充热量并保持一定的高温，发射极、中间电极和末级接收极可以在相同或相近的温度下工作，或者在发射极、中间电极和末级接收极存在依次由高到低的温度梯度下工作，或者发射极和中间电极工作在相同的温度下，而让末级接收极工作在温度相对较低的条件下。上述发射极和中间电极均不需要降温排热而处于同一个高温热腔内，末级接收极在不俘获热电子的侧面需要具备可以控制散热量，并能使接收极保持一定温度的散热条件，末级接收极需要通过少量的降温排热来保持其温度小于或等于收发混合电极（包括发射极和中间电极）的工作温度。末级接收极上的热量来源主要是由热电子流带来的珀尔贴热和中间电极向其辐射的热量。发射极和中间电极保持高温的目的是要实现热电子发射，使热能以热电子发射的方式转化为电势能；末级接收极需要通过少量排热来维持其不高于收发混合电极的温度、并且维持在较高温度水平的原因是要减小其相邻中间电极向其辐射的热量，进而减小排热和热能损失。
附图说明：
图1  热电子收发混合电极；
图2  热离子发电单元结构示意图。
图中，1、热电子收发混合电极，2、收发混合电极的接收极基体，3、收发混合电极的发射极表面，4、第1级热电子收发混合电极，5、第2级热电子收发混合电极，6、第3级热电子收发混合电极，7、第4级热电子收发混合电极，8、第m级热电子收发混合电极，9、末级（第n级）热电子接收极，10、绝热外壳，11、导线，12、负载，13、高温热源，14、向电极补充的热量，15、珀尔贴热，16、回路电流，17、散热装置。 
具体实施方式：
参照附图，对本发明作进一步说明。
用具有较高表面势垒而容易俘获热电子的逸出功较高和熔点较高的导体制成末级接收极9；热电子收发混合电极1用作发射极和中间电极；所述热电子收发混合电极1是用逸出功较高的高熔点导体作为热电子收发混合电极1的接收极基体2；在接收极基体2上，除需要发射热电子的结构面外，其他各个外表面因为有较高的表面势垒而容易俘获热电子；在接收极基体2上，对需要发射热电子的结构面进行降低逸出功的表面处理，使此表面成为容易发射热电子的发射极表面3；所述发射极、若干中间电极和末级接收极依次串联；既由第1级热电子收发混合电极4、第2级热电子收发混合电极5、第3级热电子收发混合电极6、第4级热电子收发混合电极7、第m级热电子收发混合电极8、末级热电子接收极9，共计n个电极依次串联排列组成热离子发电单元的热电转换组件。上述的n个电极相串联组成热离子发电单元的热电转换组件包含在绝热外壳10内部，其中末级热电子接收极9连接散热装置17；高温热源13向绝热外壳10内部补充热量Qin，所有收发混合电极4、5、6、7、8直接或间接地从高温热源13获得向电极补充的热量14（Q1～Qm），热量14（Q1～Qm）使得所有电极工作在相同或相近的高温条件下，并保证各个收发混合电极的发射极表面在足够高的温度下发射热电子，继而在收发混合电极上将热能转化为极间电势能E1～Em。导线11将第1级热电子收发混合电极4、负载12和末级热电子接收极9连接成热离子发电单元外的电流回路。回路电流16将珀尔贴热15从第1级热电子收发混合电极4开始，流经第2级热电子收发混合电极5、第3级热电子收发混合电极6、第4级热电子收发混合电极7、第m级热电子收发混合电极8、最终传递到末级热电子接收极9，为保证末级热电子接收极9的温度不会持续增高，并且不会高于其他电极的温度，用可以控制散热量的散热装置17将珀尔贴热15排出到热离子发电单元的绝热外壳10的外部。各级电极之间的电势能E1～Em通过导线11传输到负载12，负载12将获得电能Eout。所述热离子发电单元在各电极保持相同或相近的高温条件下工作；或在发射极和中间电极温度相同，而末级接收极温度相对较低的条件下工作；或在依次经过发射极、各级中间电极、末级接收极存在由高到低的温度梯度的条件下工作；其中发射极和中间电极的工作温度必须保持在能够高效发射热电子的温度范围。

Claims (3)

1.一种热离子电源发电单元，其特征在于：用逸出功较高的高熔点导体制成更容易俘获热电子的热电子末级接收极（9）；热电子收发混合电极（1）用作发射极和中间电极；所述热电子收发混合电极（1）是用逸出功较高的高熔点导体作为热电子收发混合电极（1）的接收极基体（2），在接收极基体（2）上，除需要发射热电子的结构面外，其他各个外表面因为有较高的表面势垒而容易俘获热电子；在接收极基体（2）上，对需要发射热电子的结构面进行降低逸出功的表面处理，使此表面成为容易发射热电子的发射极表面（3）；所述发射极、若干中间电极和末级接收极依次串联；既由第1级热电子收发混合电极（4）、第2级热电子收发混合电极（5）、第3级热电子收发混合电极（6）、第4级热电子收发混合电极（7）、第m级热电子收发混合电极（8）、末级热电子接收极（9），共计n个电极依次串联排列组成热离子发电单元的热电转换组件，其中m≥1，n=m+1。
2.按照权利要求1所述的热离子电源发电单元，其特征在于：所述的n个电极相串联组成热离子发电单元的热电转换组件包含在绝热外壳（10）内部，其中末级热电子接收极（9）连接散热量可控的散热装置（17）；高温热源（13）向绝热外壳（10）内部补充热量；导线（11）将第（1）级热电子收发混合电极（4）、负载（12）和末级热电子接收极（9）连接成热离子发电单元外的电流回路。
3.按照权利要求1所述的热离子电源发电单元，其特征在于：所述热离子发电单元在各电极保持相同或相近的高温条件下工作；或在发射极和中间电极温度相同，而末级接收极温度相对较低的条件下工作；或在依次经过发射极、各级中间电极、末级接收极存在由高到低的温度梯度的条件下工作；其中发射极和中间电极的工作温度必须保持在能够高效发射热电子的温度范围。
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