CN106879261A - 使用可再生一次能源同时产生电和化学制品 - Google Patents

Abstract

给出了以化学产品的形式，例如，以氢气和其他化学产品的形式同时产生和存储能量，由此减少或者消除在锂离子电池中存储能量的需要的系统和方法。在各种实施例中，这可以通过转换来自可再生能源的能量以产生电子束并对其加速，从而产生所处的频率等于化学反应物的吸收频率的电磁辐射，以便产生预期化学产品而实现。

Description

使用可再生一次能源同时产生电和化学制品

技术领域

本发明涉及电及化学产品的产生和存储，更具体而言，涉及使用可再生能源同时产生功率和电磁辐射，与此同时产生化学反应物的系统、设备和方法。

背景技术

通过常规矿物燃料能源的燃烧产生电功率的现有方法通常是以工作流体(例如，处于热动力循环当中的气体或者锅炉产生的蒸汽)的利用为基础的，以便产生用于使涡轮机的轴旋转的原动力，由此将化学能转化为产生电能的电动势。这些方法受到最高可实现卡诺循环效率的固有限制。此外，材料的相变(例如，水到蒸汽的转化)需要大量的能量，这些能量中的大部分在离开涡轮机之后由于冷凝的原因而以热能的形式损失掉了。

从不基于碳的能源产生具有电流和电压的形式的电功率的替代技术因相应的理论最高效率(例如，风力技术为59.3％)的原因而存在类似的遭遇。

相反，使用光电伏打效应的太阳能电池技术则经历等温过程，其不受动力循环分析和卡诺循环效率限制的影响。来自太阳的具有携带能量或电磁辐射的光子的形式的能量可以被直接利用，以在自由电子上感生出电动势，以产生电功率。令人遗憾的是，太阳能电池存在固有的损耗，例如，I²R损耗，而且在电池中产生的能量仍然必须在其可以被传输和使用之前进行存储。直到现在，这一点都使得太阳能不被一些应用所关注，例如，资本密集型设施当中的工业规模化学制品生产。在克服上述限制的同时有效率地生产化学制品的环境友好型系统和过程正是所需的。

发明内容

本发明的各种实施例以化学产品的形式同时产生和存储能量，由此降低或者消除向锂离子电池中存储能量的必要性。各种实施例通过将光子转换成电子、以非常高的速率存储和转移能量来由源自于可再生一次光源的小单位的能量持续地创造功率。太阳能电池的p-n结内的电场强度被转移至内电极间的空间，其没有太阳能电池的诸如空间电荷电阻和欧姆损耗的限制。电子受到加速，从而有选择地产生电和电磁辐射，从而以促进特定化学作用的特定频率发起化学反应。水、氮气和惰性气体是用于产生电能的氢气过程的潜在副产品。此外，所述电磁辐射可以用于发送和接收通信信号。

在某些实施例中，使用电子源(例如，阴极或者气体电离)产生一个或多个电子束。使用高电压源对所述电子进行加速，以产生大量的功率。在一些实施例中，波束受到横向或者气旋方向的操纵，从而产生电磁辐射。所述辐射被经由共振空腔、磁组件或者波束操纵来被调谐至各种频率，从而使其产生被选择为与反应物分子结构相互作用的频率，从而影响其化学成分的改变，并产生有用的化学制品和染料，与此同时还产生电。

阴极或气体电离产生与现有工序(例如，半导体太阳能电池)相比相对更高的电流密度，从而对从太阳能电池板发出的功率进行“放大”，同时产生高电流和电压。取决于系统配置，所产生的电可以是连续的直流电、脉冲直流电或者交流电。通过在对电子束中的电荷加速时产生辐射的原理实现了极高频率。当所述波束在专门设计的电子回旋共振腔或漂移管中暴露到纵向磁场之下时，特定的频率被产生，并且被用于影响预期的化学反应，例如，将水蒸汽裂化为氢气和氧气。这样的设备的一个示例是回旋振荡管及其变型，包括TWT回旋振荡管、回旋速调管、行波管等。

所施加的磁场可以是周期性的，并且被布置到与波束传播方向垂直的方向内，从而产生与自由电子激光器中的那些辐射场类似的横向辐射场。电磁产生的量或者功率产生的提高可以经由另一电磁源(例如，太阳)来控制，或者可以是在电子束漂移管外人为建立的。因而，所述电磁场可以与电子束相互作用，以交换由于电子的加速或减速而产生的能量。电子的动能被转换为电磁能，或反之。

在一些实施例中，电磁辐射与等离子体电子束相互作用，从而产生有利于预期化学作用的频率。

附图说明

将参考本发明的实施例，在附图中示出了本发明的实施例的示例。这些图意在进行举例说明，而非构成限制。尽管在这些实施例的语境下对本发明给出了大体描述，但是应当理解其并非意在将本发明的范围局限于这些具体实施例。

附图(“图”)1是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源产生能量的系统的概括性图示。

图2是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源产生能量的发电机的示例性示意图。

图3是根据本发明的各种实施例的能够产生定相电功率的示例性发电机。

图4示出了根据本发明的各种实施例的能够产生具体微波频率上的电磁辐射的发电机。

图5示出了根据本发明的各种实施例的能够经由电子束的横向运动产生高频电磁辐射的发电机。

图6示出了使用对电子束当中窄范围的电子速度的选择来降低集电器电极和附带电源的数量的发电机。

图7示出了根据本发明的各种实施例的其中的电子束为等离子体电子束的发电机。

图8是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源发电的示例性过程的流程图。

具体实施方式

在下述描述中，将出于解释的目的阐述具体细节，以提供对本发明的理解。但是，对于本领域技术人员而言，显然能够在不需要这些细节的情况下实践本发明。本领域技术人员将认识到可以按照各种方式以及使用各种手段执行如下文所述的本发明的实施例。本领域技术人员还将认识到额外的修改、应用和实施例也处于本发明的范围内，并且在其中本发明可以提供实用性的额外领域也处于本发明的范围内。相应地，下文所述的实施例将对本发明的具体实施例进行举例说明，并且意在避免对本发明造成模糊。

在本说明书中提到“一个实施例”或“实施例”表示在本发明的至少一个实施例中包括结合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能。说明书中的不同位置出现的词组“在一个实施例中”或“在实施例中”未必是指同一实施例。

此外，附图中部件之间的或者方法步骤之间的连接并不限于直接受影响的连接。相反，在不背离本发明的教导的情况下，可以通过向附图中的部件或者方法步骤之间的连接添加中间部件或者方法步骤，从而对附图中所示的部件或方法步骤之间的连接进行修改或者其他改变。

图1是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源产生能量的系统的概括图示。系统100包括太阳能电池1、电压调节器2、电池3、电源4、发电机5、逆变器6、负载7、燃料电池8、氢气储存器9、氧气储存器10、金属卤化物压缩机11、冷凝器13、隔离单元15、氮气压缩机17和氨转化器18。太阳能电池1通常包括多个将来自太阳光的光子转换成电压的太阳能电池板。在一个实施例中，太阳能电池1被实现为高电压太阳能电池板，其输出足够高的电压来代替电源4。

太阳能电池1被耦合至电压调节器2，电压调节器2在操作中调节太阳能电池1的输出电压，从而平抑由太阳相对于太阳能电池1的位置以及气象条件(例如，云使得入射到太阳能电池1的表面上的太阳光的强度下降)的自然变化引起的变化日照而产生的电压变化。电池3提供能量，尤其是其以在太阳的日照下降到使得发电机5的功率输出下降到了最小值以下的水平的情况为例。电池3可以有利地在夜间工作，从而使系统100能够持续地向负载7传递功率，负载7为电动机或者任何其他电设备。类似地，在当太阳的日照下降到了太阳能电池板传递功率的速率不能满足要求的临界性能水平以下的若干小时内，金属氢化物压缩机11可以与燃料电池8相结合地发电。电源4可以向发电机5提供直流电或交流电。在一个实施例中，发电机5被设计为产生高频电磁辐射，所述高频电磁辐射可以用于(例如)从水蒸汽产生氢气。

所述电磁辐射是由被设计为与电子束相互作用以产生一个或多个高频的共振或非共振结构产生的。理想地，所述频率落在对于创建预期的化合物有用的吸收频率的范围内。系统100的部分在真空条件下的操作允许利用亚大气压下降低的沸点产生水蒸气。在一个实施例中，通过产生等于实现水分子中的能量吸收的最佳频率的频率来使用电磁辐射从水蒸汽产生氢气。

水蒸汽可以通过本领域已知的任何方法产生，包括通过太阳能加热或者电加热的蒸发，例如，使用太阳能电池1提供的电能。来自任何来源的水，包括来自废水和咸水的水，都可以被离解成其元素，氢气和氧气，并通过燃烧而形成净化水。可以使用所得到的燃烧热通过常规的涡轮机技术发电。而后，如此产生的能量可以对例如分配所产生的水的水泵供电。

在图1的示例中，发电机5中产生的氧气被传递至氧气储存单元10，而所产生的氢气则被传递至储存单元9。燃料电池8为系统100的夜间操作发电。燃料电池8从氢气储存单元9得到其氢气燃料，并且从氧气储存器10得到空气或者氧气。压缩机(未示出)可以被有利地放置在氢气储存单元9和燃料电池8之间，以提高进入燃料电池8的氢气的压力。由于太阳能在性质上为直流电，因而可以使用逆变器6根据发电机5(下文将参考图2进一步描述其部件和功能)的要求产生交流电，但是在发电机5的DC应用当中，或者在单相或者三相发电应用当中，逆变器6可能是不必要的，如下文进一步所述。

在一个实施例中，图1的系统100被设计为除了产生氢气和氧气之外还产生氨气。如果二氧化碳而不是氮气被用作反应物，那么可以产生其他化学制品，例如，甲烷或甲醇。由于从热动力学的角度氨在高压和低温下受到偏好(如可以由其化学计量导出的)，因而可以使用压缩机，例如，金属氢化物压缩机11提高压力，以满足预期反映条件。类似地，利用氮气压缩机17来提高氮气压力。在一个实施例中，来自金属氢化物压缩器11的氢气和来自17的氮气在氨转化器18中化合，以产生氨产品19。与使用常规分离方法(例如，低温或薄膜分离)从空气产生纯氮气的现有方法不同，在使用系统100的情况下惰性气体和纯水连同氮气的伴随产物优化了总的氨生产的经济效益和效率。

位于燃料电池8的出口处的冷凝器回收作为发电过程的纯冷凝水14副产品的水。凝结水14可以被收集并出售，或者发挥其他处理功能，例如，冷却。其余的残余气体流向分离单元15，在该单元内将去除惰性气体，如图1中的排出流16所示。可以通过很多种不同的方法单独地去除它们的成分。例如，分离单元15可以是吸附柱，借此可以根据各种气态成分在用于分离的材料的表面上的吸附系数而规避各种其他成分的分离。这些材料在气相色谱处理中的吸附柱中常见。其余成分，即氮气则进入氮化压缩机17，以供氨合成过程之用。

由于空气既含有氮气，又含有惰性气体(例如，氦、氩、氙、氪)以及氧气，因而可以将这些材料以及燃料电池过程的产品(即，水)作为副产品回收。在一个实施例中，用于燃料电池8的氧化剂可以利用空气12而不是来自氧气储存器10的纯氧工作，并且惰性气体可以被回收。还可以从排出流16回收氮气，因为其分离性质充分有别于氧气的分离性质。可以将两种关键产品(即氢气和氮气)按照正确的比例化合，以产生氨气。可以从CO₂产生其他商业化学制品，例如，甲醇、乙醇、烃、醚、长链醇、醛、酮、酚、杂环化合物等，所述CO₂可以从各种各样的来源获得。

图2是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源产生能量的发电机的示例性示意图。发电机200包括具有p-n结21的太阳能电池20、变压器34、加热器43、发射器35、栅格37、集电器42和功率调节器39。在操作中，太阳能电池20接收所捕获的具有太阳光22的形式的电磁辐射，将其暂时存储在p-n结21当中，并且将其输出至变压器34和加热器43两者。加热器43执行来自发射器35的电子的热离子发电，而变压器34则将发射器35上的电压提高到更高水平。从发射器35发射的电子形成被引导通过栅格37的电子相干链或者电子束。

在一个实施例中，使用所述电子束产生脉冲电流或者交流电。接下来，电子被沉积到一个或多个集电器电极42上，以捕获所述电子束中的能量。在一个实施例中，处于变化的偏压内的多个集电器电极42可以是按照捕获具有不同水平的动能的电子的方式放置的。所收集的电子产生电流，所述电流可以被滤波或者以其他方式被处理，以驱动各种类型的负载(未示出)。

图2的示例中的对电子加速的方法可以用于使用各种结构(例如，共振空腔、磁体或线圈、电介质衬套等)产生相干电磁辐射70。在实施例中，相干电磁辐射70被调谐至用于执行具体任务的具体频率或频带，如下文关于图4到图7所讨论的。

图3是根据本发明的各种实施例的能够产生定相电功率的示例性发电机。发电机300包括电源34、发射器35、栅格电源36、栅格37、集电器电源38、集电器电极42、加热器电源43、逆变器39、变压器40和负载41。尽管发电机300可以产生电磁辐射，但是其并未被优化为产生处于特定频率或频带的相干电子束。栅格37是根据预期结果允许电子束通过或被阻止的细网孔。所述网孔用于容许电连续性，并且是所施加的电荷的通路。

在操作当中，阴极电源34为发射器35提供功率。栅格电源36通过在电子束上叠加强制函数(例如，脉冲或正弦波形)来控制漂移管49中的空间电荷，以便模拟交流电。使用三个栅格37允许进行三相电功率产生，因为每一栅格所具有的正弦强制函数与另外两个正弦波具有120度的相位差。该操作的最终结果是三相交变波束电流。该实施例的优点是不需要逆变器39，以使得(例如，经过了滤波步骤后的)电流能够直接抵达变压器40和负载41。

在一种操作模式当中，电子束是脉冲式的。这可以容易地通过开启和关闭由栅格电源36施加至栅格37的电流和电压以便使电子束模仿栅格37的性质而实现。可选的加热器电源43被耦接至发射器35(例如，场发射发射器)，以支持热离子电子的创建。如图3中的示例所示，使集电器电源38参照阴极电源34。使集电器电极42的电势与电子束中的电子的电势匹配，以便回收所述波束的能量。

在不将栅格37用作将直流电电子束转换为交流电的手段的情况下，可以使用逆变器39提供该功能。此外逆变器39可以包括功率调节电路，以处理从集电器电极42输出的功率。例如，逆变器39可以被设计为消除噪声和杂散的信号，例如，不需要的尖峰。在向负载41传递功率之前，变压器40通常将逆变器39的输出处呈现的高电压上的低电流转换为相对较低的电压，但电流却更高。

尽管图3描绘了包括被设计为产生三相功率的三个栅格37的实施例，但是应当理解，通过利用单个栅格37发电机300同样可以产生其他的相，例如，单相功率。本领域技术人员将认识到还可以使用本领域已知的各种方法产生不同的波形，例如，所述已知方法包括幅度调制、脉冲编码调制、脉冲持续时间调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制和频率调制。

图4示出了根据本发明的各种实施例的能够产生具体微波频率上的电磁辐射的发电机。发电机400分别包括发射器电源34、发射器或阴极35、集电器电源38、逆变器39、变压器40和负载41、集电器电极42、加热器电源43、磁控管注入枪44、磁体45、阳极46、磁组件47、端口48、51、漂移管49、窗口50、内管52、外管53以及出口端口54和55。为了清楚起见，按照相同的方式标示了与图3所示的那些部件类似的部件。

如图4所示，发电机400的电磁反应器部分由两个同轴同心管内管52和外管53组成。内管52通常包括多孔壁或膜，其允许在内管52中产生的产品有选择地扩散，从而从外管53排出。外管53形成了所述反应器的非多孔壁。在一个实施例中，内管52和外管53之间的压力差引起一种成分的选择性扩散，从而使外管53相对于其他成分而富有某种成分。相反，反应物可以进入外管53并在穿过内管52的膜之后排出。

为了保持发射器35上的高电压，可以使用电源34。电源34从可再生能源(例如前面提过的太阳能电池板组件)得到其功率。在一个实施例中，通过端口48提供来自电磁源(例如，IMPATT二极管、RF、微波、太阳光等)的待放大的信号。应当指出，可以使用端口48提取能量，以及将能量添加到现有的电子束上。

在一个实施例中，磁控管注入枪44通过电源43被加电，从而经由发射器35产生“中空”电子束。阳极46被以这样的方式放置以使得电子束发起旋转运动，而磁体则被战略性地放置为辅助波束的压缩以及将波束引导进漂移管49内。随着波束进入漂移管49，磁体47促进波束内的电子的气旋式运动和旋转运动，并且使电子束产生处于高频上的辐射。电子束的能量被集电器电极42捕获，集电器电极42由电源38供电并且使集电器42作为阴极电源34的参考。之后，电流流经功率调节器和逆变器39。与和图3相关的实施例一样，所述波束可以受到调制，从而建立交流电，因而消除了逆变的必要。功率调节器还可以滤除外来噪声和信号，以便确保干净的功率信号进入变压器40和/或负载41。

已知，一些反应物分子(例如，水)具有处于电磁波谱的红外、可见和紫外区内的明确的吸收频率。因此，在一个实施例中，发电机400被设计为产生特定频率，允许所述波束的电磁部分穿过窗口50，并促进与发电机400的反应器部分当中的化学品的能量耦合，以便执行预期的化学反应。在一个实施例中，在漂移管49中产生的频率对应于通过端口51进入反应器53的反应物分子的吸收频率。

一旦施加到所述分子上的电磁辐射强到足以破坏原子之间的价键，反应物分子就被离解成化学产品。例如，如果所产生的频率对应于水蒸汽在感兴趣的区域内的最大吸收的频率，那么一旦产生了足以破坏羟键以产生氢气和氧气的振动能量就会发生离解。通过内管52的膜分离气态产品，所述内管52的膜可以被设计为仅对所述气体中的一种气体有选择性。经分离的气体分别通过出口端口54和55离开反应器。

在水蒸汽离解最为适宜的区域(例如，电磁谱的紫外、微波和红外区域)内，内管52和外管53的组合可以被看作是用于在漂移管49中产生的电磁波的同轴波导。所述波导结构通过离解进入外管53的水分子而实现了对水蒸汽的有效率的分解。由于氢气拥有比氧气高的分子速度，因而其通过内管52的膜进行扩散，从而在内管52当中以高浓度进行累积，并从内管52流至出口端口55。所述膜可以具有不可渗透涂层(例如，钯、铜-钯、银-钯等)，并且对于氢气则是可渗透并且具有选择性的，从而使得只有相对很少的氧气分子或者没有氧气分子倾向于从外管53扩散至出口端口55。相反，水分子可以通过端口51进入，并且经由内管52的膜内的开口通过端口55而非端口54离开。本领域技术人员将认识到可以使用其他种类的沸石和活性碳。

图5示出了根据本发明的各种实施例的能够经由电子束的横向运动产生高频电磁辐射的发电机。发电机500包括发射器电源34、发射器或阴极35、集电器电源38、逆变器39、变压器40、负载41、集电器电极42、加热器电源43、磁体47、端口48、51、漂移管49、窗口50、内管52、外管53、出口端口54-55、反射镜56、交变磁组件57和电介质衬套58。

在图5的示例中，交变磁组件57被设置在漂移管49和磁体47之间。在操作当中，交变磁组件57使电子束中的电子的横向运动最大化。反射镜56辅助相干电磁辐射的产生，所述相干电磁辐射用于在漂移管49内产生共振效应。可以使用可选的栅格37使发电机500按照前面提到过的产生交流电的方式工作。

在一个实施例中，利用在其中沿线圈(未示出)产生行波的行波波导结构代替交变磁组件57。行波通过端口48进入漂移管49，并携带高频波。在适当条件下，在电子束和行波之间交换能量，以便对波进行放大或者提高电子束的能量。磁组件47可以建立压缩电子的纵向磁场。磁组件47还可以在电子束内创建气旋式运动。电子的旋转分量产生与线圈的行波相互作用的辐射场。

在一个实施例中，交变磁组件57和磁体47被共振器结构所代替来产生高频波，沿所述高频波可以从包含成波束的或者聚波束的电子的电子束提取功率。该实施例可以用于放大漂移管49中的共振频率，以产生否则将难以产生的频率。例如，端口48可以接收处于某些频率上的电磁波。随着所述波进入漂移管49，在适当条件下，当从所述电子束提取到能量时，发生所述电磁波的放大。电子束的其余能量的部分或全部通过集电器电极42被捕获，并受到如别处关于其他实施例所述的处理。端口48还可以用于通过注入具有例如60Hz的倍数的频率的波来产生交流电。发电机500可以被设计为产生处于电磁谱的亚毫米、毫米、红外、可见和紫外区域中的任何区域中的频率，从而促进具有对应的吸收频率的反应物分子所进行的吸收。

例如，在2.235GHz上，水分子将在5_-1—6_-5转移中吸收能量。此外，水在亚毫米区域内吸收更大的量的能量。183.31GHz(λ＝1.635mm)、321.225GHz(λ＝0.933mm)、325.152GHz(λ＝0.922mm)、380.197GHz(λ＝0.7885mm)处的吸收峰只是水蒸汽的几个吸收频率。在亚毫米和远红外区域内存在很多这样的频率，包括448.001GHz(λ＝0.6696mm)、556.936GHz(λ＝0.5386mm)、620.700GHz(λ＝0.4833mm)、752.033(λ＝0.3989mm)、916.171GHz(λ＝0.3274mm)、970.315GHz(λ＝0.3091mm)、987.926GHz(λ＝0.3036mm)、1.0973THz(λ＝0.2733mm)、1.11342THz(λ＝0.2694mm)、1.16291THz(λ＝0.2579mm)、1.20763THz(λ＝0.2484mm)、1.22878THz(λ＝0.2441mm)、1.41061THz(λ＝0.2126mm)、1.60221THz(λ＝0.1872mm)、1.66100THz(λ＝0.1806mm)、1.66990THz(λ＝0.1796mm)、1.71676THz(λ＝0.1747mm)、1.79478THz(λ＝0.1671mm)、1.79715THz(λ＝0.1669mm)、1.86774THz(λ＝0.1606mm)以及1.91935THz(λ＝0.1563mm)。

在4到13微米的红外范围内，存在很多吸收频率，在所述吸收频率当中，吸收系数高到足以使得电磁辐射很好地耦合至水蒸汽分子。在该范围当中，它们是：44.9THz(λ＝6.68μm)、45.2THz(λ＝6.64μm)、48.0THz(λ＝6.26μm)、53.2THz(λ＝5.64μm)、53.8THz(λ＝5.58μm)、55.3THz(λ＝5.52μm)。

在整个谱内，存在其中水蒸汽分子偏好最高能量吸收的特殊频率。例如，94.5THz(λ＝3.17μm)、110THz(λ＝2.73μm)、113THz(λ＝2.66μm)、160THz(λ＝1.88μm)、206THz(λ＝1.45μm)、218THz(λ＝1.38μm)、264THz(λ＝1.13μm)、318THz(λ＝0.94μm)、331THz(λ＝0.906μm)、365THz(λ＝0.822μm)、377THz(λ＝0.796μm)、415THz(λ＝0.723μm)、430THz(λ＝0.698μm)、460THz(λ＝0.652μm)、475THz(λ＝0.632μm)、505THz(λ＝0.594μm)、507THz(λ＝0.592μm)、525THz(λ＝0.572μm)、1.82PHz(λ＝0.1650μm)和2.42PHz(λ＝0.1240μm)。

图6示出了使用对电子束当中窄范围的电子速度的选择来降低集电器电极和附带电源的数量的发电机。按照相同的方式标示那些与图5中所示的部件类似的部件。发电机600包括在漂移管49内按照垂直样式布置的平行静电偏转板60和磁体47，如图6所示。存在于静电偏转板60上的静电场可以是通过阴极电源34提供的。偏转板60产生与磁体47产生的磁场相互垂直的静电场。两种场均按照与电子束路径正交的方式定位，因而特定数量的具有特殊速度和轨道的电子在不偏离其原始路径的情况下沿直线直接行进至集电器电极42。在没有与电子束平行的静电偏转板的情况下，相对于电子束的速度施加垂直磁场，允许对具有不同速度并因而具有不同电势的电子进行针对性分离。这实际上允许对具有特定速度的电子束进行选择性过滤。

在一个实施例中，具有变化的电势的额外集电器电极被放置到主集电器电极42的两侧，从而达到在相应的集电电极处接受匹配的电子电势的目的。因此，提高了所述多个集电器电极捕获的电子的数量，其中，电子分布是以主集电器电极42为中心的。此外，有可能产生伪正弦电子束，以便激励交流电。

在一个实施例中，进入磁场的电子因其速度的正向分量与横向磁场的组合而经受向下压力。如果初始电子速度大于电和磁力达到平衡的电子速度，则该力被指引向下。速度的向下分量与横向磁场的结果产生了力的向后分量，其可以足以使电子绕出一个环。如果初始速度低于电和磁力达到平衡的速度，则电子将经受向上的力，其继而给出前向加速度。结果是波动的前向行进。该波动的前向行进与正弦波类似，并且可以用于将波束转换为具有是磁场强度的函数的周期的交流电。因而，电子束可以直接生产交流电。

图7示出了根据本发明的各种实施例的其中的电子束为等离子体电子束的发电机。按照相同的方式标示那些与图6中所示类似的部件。出于简洁的目的，这里将不再重复对其功能的描述。等离子体电子束由中性以及带电种类(即离子和电子)构成。如果等离子体电子束以速度v行进，并且建立与所述波束垂直的具有磁场强度B_app的磁场，那么两种场之间的相互作用将感生出电场E_ind，其相对于v和B_app两者均呈直角，并且通过以下公式给出：

E_ind＝vxB_app。

应当指出，充分强的磁场使得导电气体各向异性，因而电导率变成了张量而不是文中为了简化目的而使用的标量。因而，根据欧姆定律，在导电流体(即，等离子体)中感生的电流的密度变成了：

J_ind＝σE_ind。

与感生电流有质动力同时感生出了F_ind，其通过下面的向量乘积给出：

F_ind＝J_indxB_app。

该力的发生是因为，与在发电机中一样，传导流体切割磁场的磁力线。上面的方程产生与J_ind和B_app两者均垂直的向量。所感生的力与平行，但是与之方向相反。在图7中，电场E_app被施加为与B_app和v两者均成直角，但是与J_ind方向相反。由该施加的电场所引起的电流密度由J_cond表示，并且被称为传导电流。因而，通过传导流体的净电流密度J为

J＝σ(E_app+vXB_app)＝σ(E_app+E_ind)。

于是，与传导电流相关的有质动力或者洛伦兹力为

F＝JXB_app＝σ(E_app+vXB_app)xB_app

如果E_app＞vXB_app，则我们将获得可以增强功率产生以及电磁波产生的加速器。该方案优于常规的生产功率的手段，因为流体的加速是通过电磁场发生的，而不是通过使用大量的热能，大量的热能限制所产生的功率的量，并且因此限制效率，并且将造成涡轮发电机壁的热恶化。与常规磁流体动力学(MHD)发电不同，该实施例避免了产生被充分电离以具有用于电磁加速的预期高电导率的气体所需的高温。

相对于MHD反应器的额外优点包括不难操纵并且使用有毒(例如，水银或液态钠)导电液体。液态金属(例如，熔融钠钾共晶溶液)在MHD反应器中的流动需要不常见的泵送、控制和测量技术。此外，反应腔壁的冷却需要不容易获得的高导热速率。此外，为了使恒常接触热导电气体的反应器壁充分冷却，时常使用相当难实现并且倾向于引起流不稳定的磁体设计。

图7中的发电机700包括电极61以及耦接至电极61和集电器电极42两者的集电器电源38。电极61被布置为一系列平行的板对，它们沿漂移管49的顶端和底端对称地分布在等离子体电子束的两侧，即平行于等离子体波束的运动方向。但是，这不旨在作为限制，因为电极61可以具有任何形状，并且可以被置于发电机700内的其他适当位置上。电极61可以是根据依次递减的负电势布置的，以例如允许形成于电子束中的、因不同的离子重量而具有不同速度的不同电离种类在多于一个电势上被捕获。

为了为所述等离子体波束提供离子，端口62可以用来接纳可以在所述等离子体波束内被电离的气体。这些其它包括惰性气体、氢气和碱金属。

在图7的示例中，电极61具有比阴极35更高的负电势，以便吸引来自等离子体波束的阳离子。电极61的高负电势允许电子从阴极35行进至集电器电极42的相对较低的负电势，而不会过早地被电极61捕获。集电器电极42被布置为一系列多电极集电器，它们的电势匹配波束电势并且具有比电子发射阴极35相对更高的电势。这促进电极42对电子的捕获，并且提供对来自等离子体波束的能量的回收。

图8是根据本发明的各种实施例的用于从可再生能源发电的示例性过程的流程图。在步骤802中，从太阳能电池的p-n结产生电流。

在步骤804中，将所述电流的一部分被施加至发射电子的发射器。

在步骤806中，通过例如将所述电流的一部分施加至所述发射器而在所述发射器上产生高电势。

在步骤808中，将电流转化为从发射器发射的电子束。

在步骤810中，所发射的电子被加速到高动能水平。

在步骤812中，在发射器和集电器之间施加交变电势，以便产生交流电。

在步骤814中，来自经加速的电子束的电子被收集，例如以提供处于比发射器电势低的电势上的第二电流，以便驱动负载。

最后，在步骤816中，例如通过使用由所述电子束创建的高频辐射来创建化学反应物。

本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的范围的情况下可以将更少的步骤或者额外的步骤与文中所示的步骤合并。流程图中的框的布置或者文中的描述不暗示任何特定顺序。

将进一步认识到，前面的示例和实施例只是示例性的，其只是为了达到清楚和理解的目的，而非限制本发明的范围。其意图是，对于本领域技术人员而言，在阅读了说明书并且研究了附图后，对其的所有置换、增强、等价方案、组合和改进都包括在本发明的范围内。因此，其意图是，使权利要求包括所有这样的落在本发明的实际精神和范围内的修改、置换和等价方案。

Claims (20)

1.一种用于从可再生能源产生能量的发电装置，所述发电装置包括：

第一电流，其从可再生能源得到；

发射器，其将所述第一电流转换为电子束，所述发射器具有第一电势；以及

集电器，其具有第二电势，以将所述电子束中的电子加速到高动能水平，所述集电器从所加速的电子束中收集所述电子，以提供能够驱动负载的第二电流。

2.根据权利要求1所述的发电装置，还包括共振空腔、慢波结构和纵向磁场结构中的一项，以产生处于基本上等于预定化学反应物的吸收频率的频率上的电磁辐射，以影响化学反应。

3.根据权利要求1所述的发电装置，其中，所述集电器包括至少两个集电器电极，所述至少两个集电器电极具有不同的电势。

4.根据权利要求1所述的发电装置，其中，所述集电器包括表面，所述表面有具有有利的二次电子发射特性的材料，以产生二次电子发射。

5.根据权利要求1所述的发电装置，其中，所述发射器由光电发射器、二次发射发射器、热离子发射器和场效应发射器的组构成，并且以高于太阳能电池的p-n结中的电子发射密度的密度发射电子。

6.根据权利要求1所述的发电装置，还包括：磁场，其保持所述电子束的凝聚完整性，其中，所述电子束是相干电子束和等离子体电子束中的一项。

7.根据权利要求1所述的发电装置，还包括：栅格，其用于产生交变电压，所述交变电压产生对所加速的电子束进行调制的交变磁场。

8.根据权利要求1所述的发电装置，其中，所述可再生能源是具有p-n结的耗尽层中的电场的太阳能电池，所述电场被发送至所述装置的内电极空间，所述内电极空间大于所述耗尽层。

9.一种用于从可再生能源产生能量的发电系统，所述系统包括：

装置，其从可再生能源产生第一电流；

发射器，其将所述第一电流转换为电子束，所述发射器具有第一电势；以及

集电器，其具有第二电势，以将所述电子束中的电子加速到高动能水平，所述集电器从所加速的电子束中收集所述电子，以提供第二电流；以及

转换器，其将所述第二电流转换为能够驱动负载的电源。

10.根据权利要求9所述的发电系统，还包括：高频电磁辐射源，其产生基本上等于预定化学反应物的吸收频率的频率，以产生氢气。

11.一种用于从可再生能源产生能量的方法，所述方法包括：

从可再生能源产生第一电流；

将所述第一电流施加至发射器；

将所述第一电流转化为从所述发射器发射的电子束；

在所述发射器和集电器之间产生高电压，所述高电压将所述电子束中的电子加速到高动能水平；以及

从所加速的电子束收集所述电子，以提供第二电流，所述第二电流能够驱动负载。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，产生所述电子束还包括：产生处于基本上等于预定化学反应物的吸收频率的频率上的电磁辐射，以影响化学反应。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，产生电磁辐射包括：产生交变磁场，并且将其施加至所述电子束。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，收集所述电子还包括：经由至少两个具有不同电势的集电器电极来回收能量。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，收集所述电子还包括：在收集电极的表面处产生电子的二次发射，所述表面具有有利的二次电子发射特性的材料。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，转换所述第一电流还包括：从发射阴极以高于所述第一电流的密度发射电子，所述发射阴极由光电发射器、二次发射发射器、热离子发射器和场效应发射器的组构成。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括：在所述电子束周围施加磁场，以保持所述电子束的凝聚完善性。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括：经由以下各项中的一项来产生交变磁场：向所述电子束施加外部磁场、和向栅格施加交变电压。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述可再生能源是包括p-n结的太阳能电池。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：将所述p-n结的耗尽层的电场发送至内电极空间，所述内电极空间大于所述耗尽层。