CN111092568A - 一种热电子发电装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热电子发电装置，包括热源、控制电路和真空管，真空管内包括阴极、栅极、加速极和收集极。本发明的利用热源加热可以发射热电子的阴极，利用阴极、栅极和加速极组成的电子透镜将热电子从阴极表面加速抽出并聚焦，防止电子被栅极和加速极截获，经过加速的热电子被收集极收集，收集极作为电源输出的负极，阴极作为电源输出的正极。本发明的热电子发电装置直接将热能转化为电能，采用电子透镜消除了阴极发射表面空间电荷对热电子发射的抑制作用，提高了阴极发射电流，消除了栅极、加速极的损耗，有效地提高热电转化效率。

Description

一种热电子发电装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及技术领域为发电装置，具体为一种热电子发电装置及其工作方法。

背景技术

传统热力循环发电技术是通过将太阳能转化为机械能，再将机械能转化为电能来实现发电，其主要包括斯特林循环发电技术、朗肯循环发电技术和布雷顿循环发电技术三种发电方式。而热电子发电技术主要是通过热能激发出的电子作为能量传输介质来将热能转化为电能，热电子发电技术不仅具有良好的持续发电能力，并且其在发电过程中无机械运动，因此，热电子发电技术无需运动部件即可实现发电。在热电子发电技术中，其电子产生方式主要包括热诱导热电子发射技术和光子增强热电子发射技术两种。

现有专利申请CN109962644A提供一种太阳能相变储热-热电子发电装置，该装置旨在解决现有热电子发电装置的发电效率很容易受到太阳辐射强度影响的问题。该热电子发电装置包括热电子发电组件以及与热电子发电组件相连的储热组件；其中，热电子发电组件能够将太阳能转化为电能并输出，储热组件包括壳体以及容纳在壳体中的相变储热元件，相变储热元件能够吸收太阳辐射，并且将太阳能转化为热能储存，当太阳辐射的强度发生变化时，储热组件能够与热电子发电组件进行热交换，从而稳定热电子发电组件的工作温度，以便有效保证热电子发电组件能够稳定地输出电能，进而稳定热电子发电组件的发电效率。

现有专利申请CN109818530A提供了一种利用热电子技术以热电子做转化媒介的热发电机和热机，通过提高的效率达到低碳排放和节约能原的目的。该技术利用二极电子真空管的阴极受热‘蒸发’电子的原理，通过加大二极电子管阴极的受热面积和加大二极电子管阳极的体积来解决以燃气加热阴极使电子大量定向‘蒸发’出来，加上合理的串并联电路布局达到其完全利用到热能与电能一步高效转化上，再由电能转化成动能。

上述专利申请公开了利用热电子将热能直接转化成电能的技术，但是没有提供解决热电子发射效率低的技术问题。本发明的热电子发电装置直接将热能转化为电能，采用电子透镜消除了阴极发射表面空间电荷对热电子发射的抑制作用，提高了阴极发射电流，消除了栅极、加速极的损耗，有效地提高热电转化效率。

发明内容

本发明提供了如下技术方案：

一种热电子发电装置，包括热源、控制电路和真空管，真空管内包括阴极、栅极、加速极和收集极；控制电路给所述阴极、栅极、加速极提供所需工作电压；所述发电装置的工作方法如下：

利用热源加热可以发射热电子的阴极，使阴极发射热电子，利用阴极、栅极和加速极组成的电子透镜将热电子从阴极表面加速抽出，经电子透镜约束会聚的热电子流被收集极收集，收集极作为电源输出的负极，阴极作为电源输出的正极。

优选的,所述阴极为钨、碳化钍钨、钼、铈等耐高温金属或合金材料；

优选的,所述阴极为表面附着了石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石等碳类材料或表面附着了石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石薄膜等碳类材料的耐高温金属或合金材料；

优选的,所述阴极为表面附着了金属氧化物材料，包括钡氧化物、铼氧化物、钇氧化物、镁氧化物、镧氧化物、铽氧化物、钍氧化物、铈氧化物、锶氧化物、铪氧化物等中的一种或多种的耐高温金属或合金材料。

优选的,所述阴极为表面附着了金属硼化物材料，包括钡硼化物、铼硼化物、钇硼化物、镁硼化物、镧硼化物、铽硼化物、钍硼化物、铈硼化物、锶硼化物、铪硼化物等中的一种或多种的耐高温金属或合金材料。

优选的,所述阴极为表面附着包含上述金属氧化物、金属硼化物、钪酸盐含各种低逸出功材料中的一种或多种的耐高温金属或合金材料的扩散式阴极。

优选的,所述真空管外壳的局部或全部为金属或合金、陶瓷、玻璃或蓝宝石等材料组成；

优选的,所述真空管内真空度优于0.01帕斯卡，更优选的真空度优于0.0001帕斯卡。

优选的,所述真空管外壳局部有散热片、水冷、风冷装置。

优选的,所述栅极采用钨、钼等耐高温金属或合金，所述加速极和收集极采用金、铜等导电性强的金属或合金。

优选的,所述控制电路给阴极提供0伏基准参考电位，给栅极提供-100伏至0伏的栅极负压，给加速极提供0至500伏的阳极正压。

优选的,所述栅极和加速极的开孔为圆形、长方形或正方形，板状、丝状或丝织状，开口率大于1%，栅极到阴极的距离0.1~5mm。

优选的,所述栅极包括2~3个栅极板构成的栅极组，栅极板与阴极平行，栅极到阴极的距离、栅极板之间的距离为0.1~50mm各栅极板开孔对齐，控制电路给栅极组提供相应的电压。

一种热电子发电装置，包括热源（3）、控制电路（2）和真空管（1），其特征在于，真空管（1）内包括阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）、减速极（15）和收集极（14）；控制电路（2）给所述阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）和减速极（15）提供所需工作电压；所述发电装置的工作方法如下：利用热源（3）加热可以发射热电子的阴极（11），使阴极（11）发射热电子，利用栅极（12）和加速极（13）组成的电子透镜将热电子从阴极（11）表面加速抽出，经电子透镜约束会聚的热电子流经减速极（15）减速后被收集极（14）收集，收集极（14）作为电源输出的负极，阴极（11）作为电源输出的正极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的热电子发电装置直接将热能转化为电能，采用电子透镜消除了阴极发射表面空间电荷对热电子发射的抑制作用，提高了阴极发射电流，采用磁偏转收集电子携带的电荷，防止电子通过阳极回流产生的损耗，有效地提高热电转化效率。

附图说明

图1为本发明实施例一中的一种热电子发电装置示意图。

图2为本发明实施例二中的一种热电子发电装置示意图。

附图标记：1-真空管，2-控制电路，3-热源，11-阴极，12-栅极，13-加速极，14-收集极，15-减速极。

具体实施方式

实施例一：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种热电子发电装置，包括热源（3）、控制电路（2）和真空管（1），真空管（1）内包括阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）和收集极（14）；控制电路（2）给所述阴极（11）、栅极（12）和加速极（13）提供所需工作电压；

所述阴极（11）为钨、碳化钍钨、钼、铈等耐高温金属或合金材料；或者是石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石等碳类材料或表面附着了石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石薄膜等碳类材料的耐高温金属或合金材料；或者是表面附着了金属氧化物材料，包括钡氧化物、铼氧化物、钇氧化物、镁氧化物、镧氧化物、铽氧化物、钍氧化物、铈氧化物、锶氧化物、铪氧化物等中的一种或多种的耐高温金属或合金材料；或者是表面附着了金属硼化物材料，包括钡硼化物、铼硼化物、钇硼化物、镁硼化物、镧硼化物、铽硼化物、钍硼化物、铈硼化物、锶硼化物、铪硼化物等中的一种或多种的耐高温金属或合金材料；或者是表面附着包含上述金属氧化物、金属硼化物、钪酸盐含各种低逸出功材料中的一种或多种的耐高温金属或合金材料的扩散式阴极（包括储备式阴极、浸渍型阴极以及钪系阴极）；

所述真空管（1）外壳的局部或全部为金属或合金、陶瓷、玻璃或蓝宝石等材料组成；所述真空管（1）内真空度优于1000帕斯卡，优选的优于0.01帕斯卡；所述真空管（1）外壳局部有散热片、水冷、风冷装置；

所述栅极（12）采用钨、钼等耐高温金属或合金，所述收集极（13）和阳极（14）采用金、铜等导电性强的金属或合金；

所述控制电路（2）给阴极（11）提供0伏基准参考电位，给栅极（12）提供-100伏至0伏的栅极负压，给阳极（13）提供0至500伏的阳极正压。

所述栅极（12）和加速极（13）的开孔为圆形、长方形或正方形，板状、丝状或丝织状，开口率大于1%，栅极（12）到阴极（11）的距离的距离为0.01~5mm，加速极（13）到栅极（12）的距离为0.01~50mm,收集极（14）到加速极之间的距离为0.01~500mm。

所述栅极（12）也可以为包括2~3个栅极板构成的栅极组，栅极板与阴极平行，栅极（12）到阴极的距离、栅极板之间的距离为0.01~50mm，各栅极板开孔对齐，控制电路（2）给栅极组提供相应的电压。这就构成了本发明的第一实施例。

所述发电装置的工作方法如下：

利用热源（3）加热可以发射热电子的阴极（11），使阴极（11）发射热电子，利用栅极（12）和加速极（13）组成的电子透镜将热电子从阴极（11）表面加速抽出，经电子透镜约束会聚的热电子流被收集极（14）收集，收集极（14）作为电源输出的负极，阴极（11）作为电源输出的正极, 加速极（13）到栅极（12）的距离为0.01~50mm,减速极(13)到加速极（15）之间的距离为0.01~50mm,收集极（14）到加速极之间的距离为0.01~500mm。

实施例二：

实施例一中的加速极和收集极之间设置一减速栅极，该栅极的开孔形状和位置与前述栅极、加速极基本一致，控制电路（2）给该减速栅极施加-10~20V的电压，这就形成了本发明的第二实施例。该电极有两个有益的功能，一是将加速后的电子获得的能量返回控制电路（2），另一个功能是防止高能量电子轰击收集极（14）产生高能二次电子返回被加速极捕获造成能量损失。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热电子发电装置，包括热源（3）、控制电路（2）和真空管（1），其特征在于，真空管（1）内包括阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）和收集极（14）；控制电路（2）给所述阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）提供所需工作电压；所述发电装置的工作方法如下：

利用热源（3）加热可以发射热电子的阴极（11），使阴极（11）发射热电子，利用栅极（12）和加速极（13）组成的电子透镜将热电子从阴极（11）表面加速抽出，经电子透镜约束会聚的热电子流被收集极（14）收集，收集极（14）作为电源输出的负极，阴极（11）作为电源输出的正极。

2.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述阴极（11）为钨、碳化钍钨、钼、铈耐高温金属或合金材料；或为石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石碳类材料或附着在耐高温金属或合金材料表面的石墨、石墨烯、纳米碳管、金刚石薄膜碳类材料；或为表面附着了金属氧化物或金属硼化物材料，包括钡、铼、钇、镁、镧、铽、钍、铈、锶、铪的氧化物或硼化物的各种低逸出功材料中的一种或多种的耐高温金属或合金材料。

3.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述阴极（11）为表面附着包含金属氧化物、金属硼化物、钪酸盐含各种低逸出功材料中的一种或多种的耐高温金属或合金材料的扩散式阴极。

4.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述真空管（1）外壳的局部或全部为金属或合金、陶瓷、玻璃或蓝宝石材料组成，所述真空管（1）内真空度优于0.01帕斯卡。

5.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述真空管（1）外壳局部有散热片、水冷、风冷装置。

6.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述栅极（12）采用钨、钼等耐高温金属或合金，所述加速极（13）和收集极（14）采用金、铜等导电性强的金属或合金。

7.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述控制电路（2）给阴极（11）提供0伏基准参考电位，给栅极（12）提供-100伏至0伏的栅极负压，给加速极（13）提供0至500伏的加速正压。

8.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述栅极（12）和加速极（13）的开孔为圆形、长方形或正方形，板状、丝状或丝织状，开口率大于1%，栅极（12）和加速极（13）的开孔对齐。

9.根据权利要求1所述的一种热电子发电装置，其特征在于，所述栅极（12）包括2~3个栅极板构成的栅极组，栅极板与阴极平行，各栅极板开孔对齐，控制电路（2）给栅极组提供相应的电压。

10.一种热电子发电装置，包括热源（3）、控制电路（2）和真空管（1），其特征在于，真空管（1）内包括阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）、减速极（15）和收集极（14）；控制电路（2）给所述阴极（11）、栅极（12）、加速极（13）和减速极（15）提供所需工作电压；所述发电装置的工作方法如下：

利用热源（3）加热可以发射热电子的阴极（11），使阴极（11）发射热电子，利用栅极（12）和加速极（13）组成的电子透镜将热电子从阴极（11）表面加速抽出，经电子透镜约束会聚的热电子流经减速极（15）减速后被收集极（14）收集，收集极（14）作为电源输出的负极，阴极（11）作为电源输出的正极。

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