CN110995060B - 一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法与装置。当电力需求增加时，热罐中的传热工质流经换热器并输送至冷罐，工质温度降低。热电转换模块吸收传热工质的热量后，阴极温度升高，内部部分高能量的电子越过阴极表面势垒，发射至阳极，形成回路发电。当电力过剩时，在阴阳极间外加电场的作用下，阳极内部的电子携带能量发射至阴极，使阴极温度升高。热量经导热层输送至换热器，冷罐中的传热工质吸收换热器的热量，温度升高并最终输送至热罐，从而实现储热。本发明将热电子发射技术和储热技术结合起来，结构简单，能实现电能与热能之间的直接转换，减小过程能量的损耗，有效调节微电网的电力供应，提升电力的储能密度。

Description

一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法与装置
技术领域
本发明涉及储能发电技术领域，特别涉及一种热电子发电与储热复用的方法及装置。
背景技术
太阳能、地热能等可再生能源受环境变化的影响较大，相应的电能转换输出波动性大，这会恶化微电网的电能质量，造成输出电力的频率和电压不稳。为此，商业化的新能源发电系统均配有储能设备。当微电网电量大于供电需求时，剩余能量将会以物理能或化学能的形式储存起来；而当微电网电量小于供电需求时，原本储存的能量将会被重新利用发电以满足电网需求。
目前，常用的发电储能系统分为两大类，分别为发电储电联用和发电储热联用。其中，发电储电联用系统是将多余的电力输出经电池转换为化学能储存起来，当用电侧电力需求增加时，电池能直接将储存的化学能转换为电能。然而，储电装置的能量密度较低，使用成本较高，电池寿命较短。发电储热联用系统是在热功转换的前端，由气体工质将热能输送至储热罐中储存，当用电需求增加时，气体工质将热量输送回热功转换系统中进行发电。虽然储热方式具有较高的能量储存密度，但该转换系统结构较为复杂，过程不可逆损耗较大，成本相对较高。
发明内容
本发明为了克服传统的发电储能系统结构复杂、与分布式电力系统兼容性差的问题，提出了一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法及装置，利用热电子发射技术实现热能与电能之间的相互转换，能够调节电网电力输出，削峰填谷，提高电能质量。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，基于电子发射的热电转换模块，通过换热器与储热模块连接；当电力需求增加时，热罐中的传热工质通过泵，流经换热器，温度下降，并输送至冷罐；热电转换模块通过导热层吸收传热工质的热量后，阴极温度升高，内部电子服从玻尔兹曼分布，部分高能量的电子越过阴极表面势垒发射并传输至阳极，经外部负载形成回路发电；当电力需求过剩时，多余的电力通过热电转化模块由电能转换成热能，在阴阳极间外加电场的作用下，阳极内部的电子携带能量发射至阴极，使阴极温度升高；热量经导热层输送至换热器，同时冷罐中的传热工质吸收换热器的热量，温度升高并最终被泵送至热罐，从而实现储热。
作为优选，所述的阴极和阳极为同心的方形或圆形套筒结构，其中阳极套在阴极外侧，两者均为高温金属材料，表面镀有一表面活性层，可为氧化钡电子活性材料，以降低阴阳极表面功函数；阴极和阳极之间为真空隔绝，采用低导热系数的绝电绝热层实现电绝缘；绝电绝热层为经高温烧结的陶瓷材料。
作为优选，所述的导热层通过在阴极和换热器之间涂敷粘结导热陶瓷粉末，并经高温烧结形成。
作为优选，所述的换热器为盘管结构，通过增加传热工质与换热器的接触面积，改善换热器的换热性能，提高换热器出口的工质温度。
作为优选，所述的传热工质为气态或液态物质，根据所选定阴极温度的不同而采用不同的传热工质。
作为优选，所述的热罐和冷罐均为可承受高温、高压的储热容器，可采用不锈钢等材质，外壁面包裹有石棉等绝热材料。
一种基于电子发射的热发电与热储能复用装置，包括阴极、阳极、绝电绝热层、表面活性层、导热层、换热器、管路、泵阀、热罐和冷罐；所述的热罐通过管路与泵阀的一端连接，泵阀的另一端通过管路与换热器的一端连接，换热器的另一端通过管路和冷罐连接，换热器通过导热层阴极连接，阳极套在阴极外侧，阴极与阳极之间设置有绝电绝热层；阴极与阳极表面镀有一表面活性层；所述的换热器根据储热方式而定，当储热方式为显热或潜热储热时，换热器为环形或方形结构，冷、热工质经换热器实现储放热；当储热方式为热化学储热时，换热器为多孔介质块体结构，气体工质通过与块体发生化学反应实现吸放热；所述的换热器表面涂有高热导率的陶瓷粉体，如氧化铝或氮化铝等材料，经高温烧结，可与热电子器件的阴极实现紧密贴合；所述的管路表面包裹石棉，以减小对环境的传热损失。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、储能密度大。相较于电池储电方式，储热方式的单位储能密度更大。
2、整体结构较为简单，主要通过热电子在两电极板间的往复发射及输运，实现发电与储热的功能复用。
3、绿色环保无污染，无化学能的转换，发电与储热这两大过程均为热能与电能的直接转换，过程能量损耗小。
4、削峰填谷，调节电网电力输出，提升电网电能质量。
附图说明：
图1是基于电子发射的热发电与热储能复用的系统结构示意图。
图2是基于电子发射的热发电与热储能复用的换热单元结构示意图。
图3是基于电子发射的热发电与热化学储热复用的系统结构示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明将热电子发射技术和储热技术结合起来，结构简单，实现电能与热能之间的直接转换，减小过程能量的损耗，有效调节微电网的电力供应，提升电力的储能密度。
实施例1
如图1所示，基于电子发射的热发电与热储能复用装置，其特征在于包括阴极1、阳极2、绝电绝热层3、表面活性层4、导热层5、换热器6、管路7、泵阀8、热罐9和冷罐10。阴极1、阳极2、绝电绝热层3和表面活性层4组成热电子热电转换模块。换热器6、管路7、泵阀8、热罐9和冷罐10构成储热模块。热电子热电转换模块与储热模块通过导热层5紧密连接，该装置的截面结构如图2所示。阴极1和阳极2作为对电极，当系统处于发电状态时，阴极1发射电子，阳极2接收电子；而当系统处于储热状态时，阳极2发射电子，阴极1接收电子。绝电绝热层3用于隔绝与支撑两电极，其厚度影响着电子在极间的输运特性。表面活性层4用于降低阴极和阳极的表面功函数，激活电子的发射。换热器6为盘管结构，有效增强传热工质11与换热器6之间的换热特性，提高换热器出口的工质温度。换热器6两端分别通过管路7连接热罐9、泵阀8和冷罐10。当系统处于发电状态时，传热工质11由热罐9流向冷罐10；而当系统处于储热状态时，传热工质11由冷罐10流向热罐9。
当微电网电量小于供电需求时，该装置处于发电状态，开启泵阀8使热罐9中的工质输送至换热器6。此时，换热器6温度升高，热量经导热层5传递至热电子热电转换模块的阴极1。阴极1内部的电子在热激发的作用下，部分电子具有克服表面功函数的作用从而输运至阳极，并经外部负载形成回路发电。同时，传热工质温度下降并流入冷罐10。当微电网电量大于供电需求时，该装置处于储能状态，阴阳极在电场作用下，阳极2的表面功函数下降，其内部部分电子具有足够的能量发射至真空，并被电场加速至阴极1。电子所携带的能量将被转换成阴极的热能。此时，调整泵阀8的方向使冷罐10中的工质朝热罐9方向流动，在流经换热器6时，工质将吸收阴极的热量，其温度升高，并最终流向热罐9实现储热。
实施例2
如图3所示，一种基于电子发射的热发电与热化学储热复用装置，包括阴极1、阳极2、绝电绝热层3、表面活性层4、导热层5、泵阀8、热罐9和热化学储热块体12。阴极1、阳极2、绝电绝热层3和表面活性层4组成热电子热电转换模块。热化学储热块体12、泵阀8和热罐9组成热化学储热模块。热化学储热块体12通过导热层5与热电子转换模块紧密连接。热化学储热块体12由氧化钴/四氧化三钴复合材料或者氧化铜/氧化亚铜复合材料组成，其内部为多孔结构，气体流经热化学储热块体并发生氧化/还原反应。
当微电网电量小于供电需求时，该装置处于发电状态，开启泵阀8使热罐9中空气进入热化学储热块体12，氧化钴与氧气在850℃温度下发生放热反应，同时生成四氧化三钴。放出热量通过导热层5传递至阴极1，阴极1中自由电子在热激发作用下逸入真空并进入阳极2，实现发电。当微电网电量大于供电需求时，该装置处于储能状态，阴阳极在电场作用下，阳极2的自由电子发射至真空，并被电场加速至阴极1。电子所携带的能量将被转换成阴极的热能，并传导至热化学储热块体12。其内部的四氧化三钴受热在950℃温度下发生吸热反应，生成氧化钴和氧气，氧气流经泵阀8传递至热罐9，实现储热。

Claims (10)

1.一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：基于电子发射的热电转换模块，通过换热器与储热模块连接；当电力需求增加时，热罐(9)中的传热工质(11)通过泵(8)，流经换热器(6)，温度下降，并输送至冷罐(10)；热电转换模块通过导热层(5)吸收传热工质(11)的热量后，阴极(1)温度升高，内部电子服从玻尔兹曼分布，部分高能量的电子越过阴极表面势垒发射并传输至阳极(2)，经外部负载形成回路发电；当电力需求过剩时，多余的电力通过热电转化模块由电能转换成热能，在阴阳极间外加电场的作用下，阳极(2)内部的电子携带能量发射至阴极(1)，使阴极(1)温度升高；热量经导热层(5)输送至换热器，同时冷罐(10)中的传热工质(11)吸收换热器(6)的热量，温度升高并最终被泵送至热罐(9)，从而实现储热。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的阴极(1)和阳极(2)为同心的方形或圆形套筒结构，其中阳极(2)套在阴极(1)外侧，两者均为高温金属材料，表面镀有一表面活性层(4)，阴极(1)和阳极(2)之间为真空隔绝，采用低导热系数的绝电绝热层(3)实现电绝缘；绝电绝热层(3)为经高温烧结的陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的导热层(5)通过在阴极(1)和换热器(6)之间涂敷粘结导热陶瓷粉末，并经高温烧结形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的换热器(6)为盘管结构，通过增加传热工质(11)与换热器(6)的接触面积，改善换热器的换热性能，提高换热器(6)出口的工质温度。
5.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的传热工质(11)为气态或液态物质，根据所选定阴极温度的不同而采用不同的传热工质。
6.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的热罐(9)和冷罐(10)均为可承受高温、高压的储热容器。
7.根据权利要求1所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：该方法所用的热发电与热储能复用装置包括阴极(1)、阳极(2)、绝电绝热层(3)、表面活性层(4)、导热层(5)、换热器(6)、管路(7)、泵阀(8)、热罐(9)和冷罐(10)；所述的热罐(9)通过管路(7)与泵阀(8)的一端连接，泵阀(8)的另一端通过管路(7)与换热器(6)的一端连接，换热器(6)的另一端通过管路(7)和冷罐(10)连接，换热器(6)通过导热层(5)阴极(1)连接，阳极(2)套在阴极(1)外侧，阴极(1)与阳极(2)之间设置有绝电绝热层(3)；阴极(1)与阳极(2)表面镀有一表面活性层(4)。
8.根据权利要求7所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的换热器(6)根据储热方式而定，当储热方式为显热或潜热储热时，换热器为环形或方形结构，冷、热工质经换热器实现储放热；当储热方式为热化学储热时，换热器为多孔介质块体结构，气体工质通过与块体发生化学反应实现吸放热。
9.根据权利要求7所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的换热器(6)表面涂有高热导率的陶瓷粉体(5)，为氧化铝或氮化铝材料，经高温烧结，可与热电子器件的阴极(1)实现紧密贴合。
10.根据权利要求7所述的一种基于电子发射的热发电与热储能复用的方法，其特征在于：所述的管路(7)表面包裹石棉，以减小对环境的传热损失。
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