CN111615738A - 等温电子利用环境热能更新能量发电 - Google Patents

Abstract

在发现通过液‑膜界面本地化静电定位的质子,可以等温地利用环境热能来驱动三磷酸腺苷(ATP)合成而作有用工的启发下，本发明公开了一种创新的利用等温电子发电的能量更新系统方法，包括其制作和使用不对称功能门控电子等温地利用环境热能产生电力的系统，该系统包括至少一对低功函数热电子发射器和高功函数电子收集器，跨越安装在装有电导体支架的容器中的屏障空间，以等温电子利用环境热能实现能量回收和转化成电能的功用,其中至少包括以下之一的功用方式：a)利用环境热能进行能量更新,使环境中完全消散的余热热能转化成一种有用的能量，以产生电能来作有用功；b)通过等温电子从冰箱内部提取环境热能，在产生等温电子电力的同时，为新型冰箱提供新颖的冷却功能。

Description

等温电子利用环境热能更新能量发电

相互参照相关专利申请

这项专利申请要求受益于在2018年1月5日提交的美国临时申请编号62/613,912。本申请还要求受益于在2019年1月1日提交的美国专利申请编号16/237,681，后者是于2016年7月5日提交的美国专利申请编号15/202,214的部分后续申请，也受益于在2018年1月5日提交的美国临时申请编号62/613,912。这些专利申请的全部披露纳入本专利申请的参考。

技术领域

本发明涉及一系列创建和使用不对称功能门控电子等温地利用环境热能发电作功的系统方法。

背景技术

在理解质子耦合生物能学,对彼得·米切尔曾经获得诺贝尔奖的化学渗透理论的研究中,新创建的本地化质子静电学假设(文献:Lee 2012 Bioenergetics 1:104；doi:10.4172/2167-7662.1000104；Lee 2015 Bioenergetics 4:121.doi:10.4172/2167-7662.1000121)形成了以下新的质子原动力(pmf(Δp))方程公式，可能代表生物能学领域的重大突破：

其中Δψ是跨膜的电势差；R是气体常数；T是绝对温度，以开尔文(K)为单位；F是法拉第常数；pH_nB是细胞质(负n侧)本体液相的pH值；

是周质的(正p侧)液相中的质子浓度，例如在嗜碱细菌的情况下；C/S是膜比电容(每单位表面积的膜电容),l是本地化质子层的厚度；K_Pi是质子阳离子(Mⁱ⁺ _pB)交换本地化质子的平衡常数；

是液体培养基中非质子阳离子的浓度(参考文献:Lee 2015 Bioenergetics 4:121.doi:10.4172/2167-7662.1000121)。

质子静电本地化定位假说的核心概念是基于这样的前提，即与生物有关的水体(例如细菌中的水)可以类似于静电学中的电导体的方式,用作质子导体。这与众所周知的质子可以通过“跳跃和转弯”机制在水分子之间快速转移的认识相一致。从电荷易位的观点，注意到羟基阴离子在质子传导的相反方向上转移。这种理解表明，与生物相关的水体中过量的自由质子的行为就像是理想导体中的电子。对于处于静态平衡状态的带电导体，众所周知，所有多余的电子都位于导电体的表面。这是可以预料的，因为电子彼此排斥，并且自由移动，它们将扩散到表面。同样，可以合理地预期与生物相关的水体中的游离过量质子(或相反地，过量的羟基阴离子)会移动到其表面。这种观点适用于细胞质中过量的游离羟基阴离子(通过呼吸氧化还原驱动的电子传输耦合的质子泵将质子穿过细胞质膜转移到细胞外的液体介质中而产生)，例如在嗜碱细菌的情况下,它们将沿着水被静电本地化定位在细胞膜负(n)侧的膜-水(细胞质)界面。此外，它们的负电荷(OH^–)将吸引细胞外部的带正电荷的质子(H⁺)到周质正(p)侧的膜-水界面。

也就是说，当通过氧化还原驱动的质子泵跨膜在细胞质中产生过量的氢氧根阴离子，而使过量的质子留在细胞外时，由于其相互排斥，细胞质中的氢氧根阴离子将不会停留在本体水液相中。因此，它们到达膜细胞质负(n)侧的水-膜界面，然后吸引在细胞膜正(p)侧的周质中的过量质子，形成“过量的阴离子-膜-过量的质子”电容器类系统。因此，质子电容器概念用于计算纯水-膜-水系统中膜-水界面处的理想本地化的质子有效浓度

假定本地化的质子层厚度为(l)。使用以下公式确定本地化质子层中的有效质子浓度：

其中C/S是每单位表面积的膜电容；F是法拉第常数；κ是膜的介电常数；ε_o是介电常数；d是膜的厚度；l是本地化质子层的厚度。该质子-电容器公式[2a]是新修订的质子原动力(pmf)方程公式[1]的基础，该质子原动力(pmf)方程公式[1]包含一个附加项用于计算非质子阳离子与本地化质子交换的影响。

通过调整排列该质子电容器公式2a，我们还可以根据理想的本地化过剩质子密度

来求解膜电势差Δψ.这其中包括诸如每单位表面积的膜电容C/S等参数的膜电容特性来求解膜电势差Δψ:法拉第常数F；膜介电常数κ；介电常数ε_o；膜厚度d和本地化质子层厚度l。因此，在理想化的纯水-膜-水系统中，膜电位差Δψ现在可以表达为理想化的纯水-膜-水系统中的膜-水界面处本地化质子的有效浓度

的函数。如以下等式所示：

从等式[2b]，现在很明显，是过量质子的积累和所产生的理想的本地化质子密度

实质上建立了质子耦合生物能系统中的膜电势差。

最近，使用静电力显微镜进行纳米级测量，脂质双层膜的介电常数(κ)被确定为约3个单位，这是在2～4个单位的预期范围内(文献:Grames等人，生物物理学杂志104：1257–1262；Heimburg 2012生物物理学杂志103：918–929。)。表1列出了纯水-膜-水系统中理想化的本地化质子的计算结果,在公式2a中，使用3个单位的脂质膜介电常数(κ)，膜厚度d为4纳米(nm)，跨膜电势差Δψ为180毫伏(mV)，以及质子层厚度为0.5、1.0和1.5纳米的三个假定值。

表1.在理想的纯水-膜-水系统中，使用质子电容器公式2a计算本地化质子,采用膜的介电常数(κ)为3，膜厚度d为4纳米(nm)，跨膜电势差Δψ为180毫伏(mV)。

如表1所示，每单位面积的理想本地化质子密度经计算为1.238x 10^-8摩尔质子(moles H⁺)/平方米(m²)。如果本地化质子层的厚度约为1.0±0.5纳米(nm)，则理想本地化质子有效浓度

的计算值是在8.25至24.76毫摩尔浓度(mM)范围内。假设理想的本地化质子层的厚度分别为0.5、1.0和1.5纳米，则计算得出的本地化质子层的有效pH值(pH_L ⁰)为1.61、1.91和2.08。该计算结果还表明，在可能的工业应用(例如某些金属的酸蚀和/或某些微米/纳米材料的质子化)的情况下，可能会在水膜界面处生成本地化的过量质子，而无需使用常规的酸性化学物质，例如硝酸和硫酸。

国际专利申请出版物编号WO2017/007762 A1公开了一组用于产生本地化静电定位的过量质子的方法，该质子技术可以用作清洁的“绿色化学”工业应用，更重要的是用作等温的特殊能量更新技术工艺,利用液-膜界面上的静电本地化定位的过量质子利用环境热来产生本地化质子原动力(相当于吉布斯自由能)，以进行作有用功，例如驱动三磷酸腺苷(ATP)合成。本地化静电定位的质子,可在不受热力学第二定律约束的情况下，等温地利用环境中的热能更新能量的发现,可能对地球上的能源和环境的可持续性,具有开创性的科学和实践意义。迫切需要从本基础科学和工程学的突破中进一步发展和扩展到其他领域，例如基于电子的能量更新系统。

发明内容

在最近科学发现(可以通过液-膜界面处的静电本地化定位质子等温利用环境热能,作有用功，例如驱动三磷酸腺苷合成)的启发下，本发明公开了一系列创建和使用不对称功能的门控等温电子发电系统的方法，可用于等温地利用环境中的热能进行发电，该环境热能也称为环境中潜在的(现有隐藏的)热能，而无需使用常规能源，例如高温梯度。本发明的方法和系统提供了一种特殊的能量回收和更新技术，以提取环境热能，包括分子和/或电子热运动能，以利用等温电子而产生的电流电动势,来作有用功，这可能对地球上的能源和环境可持续性发展,具有重大的科学和实践意义。

本发明特别公开了一种用于产生等温电的能量更新方法，该方法通过制造和使用一种特殊的不对称功能门控的等温电子发电系统，该系统包括至少一对低功函数热电子发射器和高功函数电子收集器。安装在带有电导体支撑的容器(例如真空管，瓶子或腔室)中的屏障空间，以实现一系列能量回收和转化的过程功能，等温地利用环境中的热能,至少利用下列中的其中一种功用方式：a)利用环境热能进行能量回收和更新转化来自环境中完全消散的废热能，从而产生具有输出电压和电流的电能来作有用功；b)通过利用等温电子从制冷机内部等温提取环境中的热能同时产生等温电，而无需任何常规制冷机构的压缩机，冷凝器，蒸发器和/或散热器,从而提供新颖冷却功能和新型制冷器/制冷机；c)其组合。

根据示例性实施例之一，本发明教了一种具有低功函数(0.7电子伏特(eV))银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数铜(Cu)金属(4.56电子伏特(eV))收集器的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统的制造和使用。这种等温电子的发电系统安装在室形真空管中，其中包括：在该室形真空管的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜，用作发射极；真空空间，使热发射的电子在发射极和收集极之间弹道式飞行飞越。在腔状真空管的倒圆顶形的底端内表面上涂覆铜(Cu)膜以用作收集(电极)器；与发射(电极)器连接的第一电力出口插座(例如，电线和/或导线)；第二电力出口插座与收集器相连。

根据示例性实施例中的一个，本发明教了一种集成的等温发电系统的制造和使用方法，该系统垂直安装在真空管腔中的三对发射器和收集(电极)器中的每对具有狭窄的电极间间隙尺寸,该系统包括：低功函数膜，其涂覆在第一导电板底表面上以用作第一发射极；第一狭窄空间，使热发射的电子在第一对发射极和收集极之间弹道式地飞越流过；涂覆在第二电导体顶面上以用作第一收集电极的高功函数膜；在第二电导体底面上涂覆的低功函数膜用作第二发射极；第二狭窄空间，允许热发射的电子在第二对发射极和收集极之间弹道式地飞越流过；涂覆在第三电导体顶面上的高功函数膜以用作收集电极体；在第三电导体底面上涂覆的低功函数膜用作第三发射极；第三狭窄空间，使热发射的电子在第三对发射极和收集极之间弹道式地飞越流过；其涂覆在第四电导体顶表面上高功函数膜，以用作终端收集电极；与第一电导体板连接的第一电力出口插座(电线)和接地；第二电力出口插座(电线)与第四电导体连接。

根据示例性实施例之一，不对称功能门控的等温发电的效果是累加的。可以并联和/或串联使用多个不对称功能门控的等温电子发电机系统。当并联使用多个(n)不对称功能门控等温电子发电机时，总稳态电流(I_st(total))是来自每个不对称功能门控的等温电子发电机稳态电流(I_st(i))的总和,而总稳态输出电压(V_st(total))保持不变。相反，当多个(n)不对称功能门控等温电子发电机串联运行时，总稳态输出电压(V_st(total))是来自每个不对称功能门控的等温电子发电机的稳态输出电压(V_st(i))的总和，而总稳态电流(I_st(total))保持不变。

根据示例性实施例中的一个，本发明教了一种集成等温电子发电机系统的制造和使用，该系统采用三对异常低功函数(0.5电子伏特(eV))的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数(5.10电子伏特(eV))的金(Au)金属串联工作的集电器，包括：在真空管腔的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜，用作具有电源出口的第一发射极；在第一中间电导体顶面上涂覆金(Au)膜以用作第一收集(电)极；在第一对发射极和收集极之间的第一真空空间，使从第一发射极热发射出的电子可以弹道式地飞奔到第一收集极；在第一中间导体底表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜以用作第二发射极；第二真空空间，可使第二发射极热发射出的电子以弹道式地飞流奔到第二收集极。在第二中间电导体顶面上涂覆金(Au)膜以用作第二收集(电)极；在第二中间电导体底表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为第三发射极；第三真空空间，使热发射出的电子可弹道式地飞越流过第三对发射极和收集极之间；在真空管腔室的倒圆顶形底端内表面上涂覆金(Au)膜，以用作与电力出口插座连接的端子收集(电)极。

根据示例性实施例中的另一个，本发明教了不对称功能门控的等温电子发电机系统的制造和使用，该系统具有一对极低功函数(0.5电子伏特(eV))银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数石墨烯(4.60电子伏特(eV))收集器极,用于通过等温电子从冷冻机/制冷机内部提取其环境热能,并产生等温电，从而为冷冻机/制冷机提供新型冷却。

附图说明

图13展示一种不对称功能门控的等温电子发电机系统1000，其中包括跨过分隔两个电导体的膜状势垒屏障空间的不对称电子门控功能。

图14a展示一种不对称功能门控的等温电子发电机系统1100的基本单元，该系统包括诸如真空空间的势垒空间，该势垒空间将一对电导体分开：其中一个具有低功函数膜以充当热发射电极导体。和另一个具有高功函数的板表面，用作电子收集电极导体。

图14b展示一种不对称功能门控的等温电子发电机系统1100中的某些特性，例如，在“开路”状态下,发射器极处留下的过量空穴(正电荷)也将静电扩散至表面，同样，在收集器极处的过量电子也是如此扩散至表面。

图14c展示一种在不对称功能门控的等温电子发电机系统1100的电力出口1106端子处把发射器极与大地接地的优选实践。

图15给出了不对称功能门控的等温电子发电机系统1100的能量图。

图16a展示了一个示例，该示例介绍了安装在真空管中的一对银(Ag)和钼(Mo)电极，作为制造过程的一部分，以创建不对称功能门控的等温电子发电机系统。

图16b给出了一个示例性的等温电子发电系统的例子，该系统使用涂覆在银电极表面上的低功函银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为热电子发射体。

图17a展示在各种输出电压V(c)0.00至3.86伏特(V)时的等温电子发电电流密度(安培(A)/平方厘米(cm²)),作为工作温度T的函数的示例，该示例使用了等温电子发电公式12(Eq.12),为一对低功函数(0.70电子伏特(eV))发射极和高功函数(4.56电子伏特(eV))收集电极,计算得出的电流密度；该示例中的发射极器是接地的。

图17b展示在273、293、298或303开尔文(K)的工作温度下，使用一对低功函数(0.70电子伏特(eV))发射极和高功函数(4.56电子伏特(eV))收集电极,作等温电子发电的电流密度曲线的示例；该示例中的发射器极是接地的。

图17c展示输出电压V(c)为3.00伏特(V)时等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线的示例，该曲线是一系列低功函为0.4、0.5，0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1或1.2eV的发射器与其工作环境温度T的函数；该示例中的每个发射极都接地，并与高功函数(4.56eV)收集电极配对。

图18a展示,在273、293、298和303开尔文(K)的工作环境温度下,一对低功函数(0.6电子伏特(eV))发射极和高功函数(5.91电子伏特(eV))收集电极,作等温电子发电的电流密度(安培(A)/平方厘米(cm²))曲线与输出电压V(c)从0.00到5.31伏特(V)的关系的曲线示例；该示例中的发射器是接地的。

图18b展示一系列低功函数值包括0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1,1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.8、2.0或2.2电子伏特(eV)的发射器的等温电子发电电流密度(安培(A)/平方厘米(cm²))与其工作环境温(T)的函数关系的示例；该示例中的每个发射极都接地，并与高功函数(5.91电子伏特(eV))收集电极配对。

图18c展示一系列低功函数值(包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,或2.0电子伏特(eV))发射器等温电子发电的电流密度(A/cm²)在4.00伏特(V)的输出电压V(c)下与其工作环境温(T)的函数关系的示例；该示例中的每个发射极都接地，并与高功函数(5.91电子伏特(eV))收集电极配对。

图18d所示为一系列低功函数(包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,或0.9电子伏特(eV))发射器等温电子发电的电流密度(A/cm²)在5.00伏特(V)的输出电压V(c)下与其工作环境温(T)的函数关系的示例；该示例中的每个发射极都接地，并与高功函数(5.91电子伏特(eV))收集电极配对。

图19a展示,在273、293、298或303开尔文(K)的工作环境温度下，等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线与输出电压V(c)从0.00到4.10伏特(V)的关系的示例,该示例中的发射极功函数(0.50电子伏特(eV))和收集电极功函数(4.60电子伏特(eV))配对，且发射极接地。

图19b展示,在253、263、273或277开尔文(K)的冷冻/冷藏温度下，等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线与输出电压V(c)从0.00到4.10伏特(V)的关系的曲线图示例。该示例中的发射极功函数(0.50电子伏特(eV))和收集电极功函数(4.60电子伏特(eV))配对，且发射极接地。

图19c展示一系列低功函数值包括0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1，1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0或3.5电子伏特(eV)的发射器等温电子发电电流密度(A/cm²)作为工作环境温度(T)的函数的示例；该示例中的每个发射极都接地，并与高功函数(4.60电子伏特(eV))的收集电极配对。

图20展示一种集成等温电子发电机系统1300的示例，该系统包括多对(例如三对)串联工作的电子发射器和收集器。

图21a展示一种等温电子发电机系统1400A的原型的示例，其中具有安装在诸如真空管腔室的容器中的一对发射器(功函数为0.7电子伏特(eV))和收集电器(功函数为4.36电子伏特(eV))。

图21b展示一种等温电子发电机系统1400B的原型的示例，其中具有安装在真空管腔室中的两对电子发射器(功函数为0.7电子伏特(eV))和收集电器(功函数为4.36电子伏特(eV))。

图21c展示一种集成等温电子发电机系统1400C的原型的示例，该系统包括安装在真空管腔中的三对发射器(功函为0.7电子伏特(eV))和收集器(功函为4.36电子伏特(eV))。

图22展示一种集成等温电子发电机系统1500的示例，其中安装在竖直设置的真空管腔室中的三对低功函数发射器和高功函数收集器中的每对电极间间隙都具有窄的尺寸。

图23展示一种集成等温电子发电机系统1600的示例，该系统具有三对低功函数发射器和高功函数收集器，该三对低功函数发射器和高功函数收集器安装在垂直设置的真空管腔中，以利用重力来帮助从发射器发射出的电子拉落下到高功函数的电子收集器。

图24a展示一种等温电子发电机系统1700A的示例，该系统具有安装在室型真空管中的一对低功函(0.6电子伏特(eV))银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函(4.42电子伏特(eV))质子化聚苯胺制作的电子收集器。

图24b展示一种集成等温电子发电机系统1700B的示例，该系统具有两对串联的低功函数(0.6电子伏特(eV))银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器和高功函数质子化聚苯胺(4.42电子伏特(eV))制作的电子收集器,安装在腔状的真空管容器中。

图24c展示一种集成等温电子发电机系统1700C的示例，该系统具有三对低功函数(0.6电子伏特(eV))的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器和高功函数(4.42电子伏特(eV))的质子化聚苯胺制作的电子收集器，这些发射器和收集器串联安装在真空管容器中。

图25a展示一种等温电子发电机系统1800A的另一示例，其具有安装在室形真空管中的一对低功函(0.7电子伏特(eV))的银-氧-铯(Ag-O-Cs)电子发射极和高功函数(4.56电子伏特(eV))铜(Cu)金属的电子收集器。

图25b展示一种集成等温电子发电机系统1800B的另一个示例，该系统具有两对串联的低功函数(0.7电子伏特(eV))银-氧-铯(Ag-O-Cs)电子发射器和高功函数(4.56电子伏特(eV))的铜金属制作的电子收集器,安装在腔状的真空管容器内串联运行。

图25c展示一种集成等温电子发电机系统1800C的另一示例，该系统具有三对低功函数(0.7电子伏特(eV))的银-氧-铯(Ag-O-Cs)电子发射极和高功函数(4.56电子伏特(eV))铜(Cu)金属制作的电子收集器，它们串联安装在真空管容器内。

图26展示一个集成的等温电子发电机系统1900的例子，该系统采用三对极低功函数(0.5电子伏特(eV))的银-氧-铯(Ag-O-Cs)电子发射器和高功函数(5.10电子伏特(eV))的金(Au)金属制作的电子收集器，它们串联安装在真空管容器内。

图27展示一种集成等温电子发电机系统2000的示例，该系统采用安装在真空管容器中的三对串联运行的低功函数掺杂石墨烯(1.01电子伏特(eV))制作的电子发射极和高功函数石墨(4.60电子伏特(eV))制作的电子收集器。

图28展示一种集成等温电子发电机系统2100的示例，该系统具有三对串联安装在真空管容器中的低功函数掺杂石墨烯(1.01电子伏特(eV))发射极和高功函数石墨烯(4.60电子伏特(eV))收集器。

图29a展示一对平行的铝板支撑的银(Ag)和铜(Cu)电极板(尺寸：40毫米(mm)x 46毫米)与电绝缘塑料垫片(垫圈)，每个电极板的四个角用螺钉和螺母固定在一起的照片。两个电极板形成一对银-氧-铯(Ag-O-Cs)型的电子发射极(CsOAg)和经过或不经过氧等离子体处理的铜(Cu)制作的电子收集器。

图29b展示一对平行的铝板支撑的银(Ag)电极板和铜(Cu)收集电极板(尺寸：40毫米(mm)x 46毫米)与电绝缘塑料垫片(垫圈)固定在一起的情况，热收缩的塑料管绝缘用于电极板角上的金属螺钉和螺母。银(Ag)电极板和铜(Cu)收集电极板分别通过钎焊连接涂有红色绝缘体的铜线和涂有蓝色绝缘体的铜线。通过用稀氧化铯溶液上涂漆，然后干燥在银(Ag)电极板表面上涂覆一层氧化铯(Cs₂O)分子薄层,有氧等离子处理,形成一种有氧等离子体处理或无氧等离子体处理的银-氧-铯(Ag-O-Cs)电子发射极板(CsOAg)。

图30展示一种CsOAg-Cu等温电子发电系统原型电瓶的零件照片，该电瓶包括一对平行的铝板支撑的银(Ag，涂有Cs₂O)和铜(Cu)板，并安装了涂有红色和蓝色绝缘体的铜线穿过螺口瓶盖。通过螺旋瓶盖中的两个附加孔安装了两个蓝色塑料空气管。电绝缘和气密的白色硅胶(Kafuter 704RTV)用于密封穿过瓶盖的电线和管子的接头。

图31a展示了一张照片，显示了使用螺口瓶和瓶盖制造的四个原型CsOAg-Cu电瓶。每个电瓶包括一对平行的铝板支撑的CsOAg(一种银-氧-铯(Ag-O-Cs))电子发射极板表面和铜(Cu)收集电极板表面，其表面安装有红色和蓝色绝缘体涂层的电线穿过螺口瓶盖。安装并用电绝缘和气密的白色硅胶(Kafuter 704RTV)密封后，使用真空泵通过带有瓶盖的蓝色塑料管从每个电瓶中除去空气。

图31b展示了17个CsOAg-Cu等温电子发电系统原型电瓶的照片，这些电瓶使用无螺纹的瓶和瓶盖制成，并用电绝缘且气密的硅胶(白色Kafuter 704RTV)材料密封。

图32a展示了一张照片，该照片显示了将CsOAg-Cu等温电子发电系统原型电瓶放入法拉第(Faraday)盒中进行等温电子发电测试，方法是将其红色和蓝色绝缘涂层的铜线(穿过非螺纹瓶盖),采用237-ALG-2型低噪声电缆分配器夹与吉时利6514型高精确度万用表静电计系统(Keithley 6514 electrometer system’s Model 237-ALG-2)相连,测量等温电子发电的电流和电压。

图32b展示了由重型铝箔制成的法拉第盒子的照片，该盒子内部装有原型CsOAg-Cu等温电子发电系统电瓶，用于通过吉时利6514型高精确度万用表静电计系统(Keithley6514 electrometer system’s Model 237-ALG-2)进行等温电子发电测试。

图33a展示了一张放置在法拉第(Faraday)盒中并经过正常极性测试的CsOAg-Cu等温电子发电系统原型电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,红色鳄鱼夹与CsOAg电子发射极相连，黑色鳄鱼夹与铜(Cu)制作的电子收集器电极相连)，其电流读数为11.888微微安培“11.888pA.CZ”。

图33b展示了一张放置在法拉第盒内作反极性方向测试的CsOAg-Cu等温电子发电系统原型电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,黑色鳄鱼夹接头与CsOAg电子发射极相连，红色鳄鱼夹接头与铜(Cu)制作的电子收集器电极相连)，其电流读数值为负11.030微微安培“-11.030pA.CZ”。

图34a展示了一张放置在法拉第盒中作正常极性方向测试的CsOAg-Cu原型等温电子发电系统电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,红色鳄鱼夹与CsOAg电子发射极相连，黑色鳄鱼夹与铜(Cu)制作的电子收集器电极相连)，其电压读数为正0.10051伏特“0.10051V.CZ”。

图34b展示了放置在法拉第盒内并用CsOAg发射器和铜(Cu)收集电极的端子(出口)之间的短路线测试的原型CsOAg-Cu电瓶的照片，电压读数为负0.00001伏特“-0.00001V.CZ”。

图34c展示了一张放置在法拉第盒内并经过反极性方向测试的CsOAg-Cu原型电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,黑色鳄鱼夹接头与CsOAg发射器相连，红色鳄鱼夹接头与铜(Cu)收集电极相连，其电压读数为负0.11329伏特“-0.11329V.CZ”。

图35展示了法拉第盒内两个以正常极性方向并联连接的原型CsOAg-Cu等温电子发电系统电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,红色鳄鱼夹连接器与CsOAg电子发射极板和黑色鳄鱼夹连接器与铜(Cu)收集电极板)，其电流读数为22.230微微安培“22.230pA.CZ”。

图36展示了一张法拉第盒内三个正常极性并联连接的原型CsOAg-Cu等温电子发电系统电瓶的照片(吉时利6514型高精确度万用表,红色鳄鱼夹连接器与CsOAg电子发射极板和黑色鳄鱼夹连接器与铜(Cu)收集电极板)，它们的电流读数为26.166微微安培“26.166pA.CZ”。

具体实施方式

本发明公开了一系列创建和使用不对称功能门控的等温电子利用环境热能发电作功的系统方法。它可以用于通过等温地利用来自环境的潜在(现有隐藏的)热能发电,而无需使用常规能源如高温梯度。

相应地，本发明公开了一种特殊的不对称功能门控等温电子的能量回收和更新转化技术，以及相关的系统方法来提取利用环境热能，包括分子和/或电子热运动能，采用等温电子产生电流电动势,而来作有用功，这可能对地球上的能源和环境可持续性发展,具有重大的科学和实践意义。特别地，本发明公开了一种通过利用包括至少一对低功函数热电子发射器和高功函数电子收集器的特殊不对称功能门控的等温电子发电系统,来产生等温电流电动势的能量更新方法。这种等温电子发电系统安装在具有电导体支撑的容器(如瓶子)中的屏障空间，可等温地利用环境热能来实现一系列能量回收和更新转化的功能,其中,通过利用下列中的至少一种功能方式：a)通过不对称功能门控的等温电子利用环境热能进行能量回收和更新转化来自环境充分发散的废热能，产生电流电动势,以等温电子发电输出电压和电流，作有用功；b)通过从冰柜/冰箱内部,采用等温电子提取潜热能,产生等温电子电流电动势，同时产生冷却效果而无需常规制冷机构的压缩机，冷凝器，蒸发器和/或散热器，即可为新型的等温器/冷冻机提供新颖的冷却功能；c)其组合。

从哲学上讲，本发明受到本发明人在世界专利申请(出版物编号WO2017/007762A1)和美国专利申请(出版物编号US 2017/0009357 A1)中公开的与本地化过量质子相关的科学发现工作的启发，其中揭示了通过在液-膜界面处的静电本地化定位质子等温利用环境热能也称为潜热能(现有隐藏的热能),以进行作有用功，例如驱动三磷酸腺苷(ATP)合成(如国际专利申请出版物编号WO2017/007762 A1中的图4，美国专利申请出版物编号US2017/0009357 A1中所示),而不受热力学第二定律的约束。这种类型的质子等温地利用环境的热能过程,显然发生在许多质子耦合生物能系统中，例如嗜碱细菌和动物线粒体。在嗜碱细菌质子生物能学中,初步发现的反第二定律的过程现象(国际专利申请编号WO2017/007762 A1图12，美国专利申请编号US 2017/0009357 A1),对于之前尚未被充分认识到的非热力学第二定律的混合过程来说,可能只是冰山一角。现在非常清楚的是，生命系统可能包括第二定律和非第二定律的混合过程，这些过程显然已经在地球上自然地进行了数十亿年。例如，某些生物过程，例如糖酵解的代谢过程，似乎很好地遵循热力学的第二定律。另一方面，与膜电位势相关的本地化质子原动力(pmf)方程公式(国际专利申请出版物编号WO2017/007762 A1中的等式9，美国专利申请出版物编号US 2017/0009357 A1)清楚地代表了一种非第二定律的能量-更新机制。这种突破性的基本理解可能对新能源技术的发展,以及对地球人类可持续发展,具有改变游戏规则的实际意义。出于对上述基于质子的等温能量更新方法的基本理解的启发，本发明在下文中公开了一种基于电子的能量更新方法，它可等温地利用环境热能与热电子将其用来发电。

根据各种实施例之一，这种基于电子的能量更新方法,通过教授制造和使用不对称功能门控的基于等温电子的发电机(例如,在图13中示出的不对称门控电子系统1000),来教如何等温地提取环境热能以发电。该系统1000(图13)包括跨膜状势垒空间1004的不对称电子门控功能1003，该膜状势垒空间1004将用作一对热电子发射极器和收集电极器的两个电导体1001和1002分开。其中，两个导电引线1006和1007与这些电极1001和1002的每一个相连，作为可以与电负载1008连接的两个电源输出端子。隔离空间1004最好是一种特殊的电绝缘体，该特殊电绝缘体不包含任何导电材料(不会通过任何与分子轨道相关的导电带传导电子),但是可让发射器(也称为发射极)热发射出的电子以弹道方式飞越过隔离空间1004,到达收集电极器(也称为集电极或收集器)。

因此，根据各种实施例中的一个，阻挡(隔离)空间1004包括真空空间，该真空空间不具有导电材料和/或具有与分子轨道相关的导电带的分子，但是允许热发射的电子以弹道方式飞越流过隔离空间1004。这种不对称电子门控功能1003有效地使自由发射的热电子1005主要从导电体(发射极)1001通过势垒空间1004以弹道方式飞行到导电体(集电极)1002，尽管两个导电体1001和1002是在相同的温度和压力条件下。由于阻挡空间1004是没有常规的基于导体导电的电绝缘空间，但是具有允许热电子以弹道方式飞越过的独特性质，因此,通过不对称电子门控功能1003不仅可以控制来自收集器的最小反向发射,而且可防止由收集器1002捕获的多余的热电子传导回发射极。结果，由收集器1002捕获的过量热电子可以积累，进行热平衡并静电地相互作用,大部分自身分布到收集器1002电极表面。同样，剩留在发射极中的多余正电荷(“空穴”)也会累积并静电分布到发射极1001电极表面。这导致跨发射极1001和集电极1102之间的势垒空间1004,产生电压电势差，其方式类似于在质子耦合生物能系统中产生膜电势(Δψ,表达在等式2b中)。

请注意，在本地化过量质子的生物膜情况下，当提供质子负载回路(例如ATP合酶质子通道/负载)时，过量质子通常会流过生物膜中的三磷酸腺苷(ATP)合酶质子通道，以实现驱动三磷酸腺苷(ATP)合成的作用(例如,在国际专利申请出版物编号WO2017/007762 A1和美国专利申请出版物编号US 2017/0009357 A1中的图4所示)。类似地，当在发射极和集电极之间连接外部负载电路时，集电极中的多余电子可以通过外部负载电路流回到发射极。因此，在这种情况下，集电极中的多余电子将通过一个外部电路，该电路包括一个导电引线作为集电极的电源(电力出口)插座1007(-)与电负载1008相连，而电负载1008与另一根导线作为电源(电力出口)插座1006(+)相连，返回发射器1001(图13)。通过这样做，在该示例中，与热电子相关联的一部分环境热能(热运动能)被用于通过使用电负载1008来实行作功。

根据图14所示的各种实施例中的一个例子，这种不对称电子门控功能包括一对在导电体1101的表面上形成以用作发射极的低功函数膜1103和高功函数板1109作为用作集电极的电导体1102的一部分，隔离发射极和集电极的势垒空间1104，与这些电极1101和1102中的每一个连接的两个导电引线1106和1107用作两个电源(电力出口)端子，可以与电负载1108连接。

图14a示出了不对称功能门控的等温电子发电系统1100的基本单元，该系统包括阻挡空间1104，例如真空空间，其将一对电导体1101和1102板分开：它们中的一个板表面具有低功函数膜1103。另一具有高功函数板1109表面。膜1103由功函数低至约0.7电子伏特(eV)的低功函数材料例如银-氧-铯(Ag-O-Cs)制成，以用作发射极。屏障空间1104是特殊的电绝缘体空间，例如真空空间，它不会通过常规的导电方式来导电，而是允许热发射出的自由电子1105弹道式飞越流过。这样的阻挡空间1104和低功函数膜1103的使用,使得大量的环境温度热电子能够从低功函膜表面发射到阻挡空间1104中并且弹道地飞向高功函数板1109收集器，例如铜的金属板,它的功函数高达约4.65电子伏特(eV)。在大约298开尔文(K)的环境温度下，这样的高功函数板1109,实际上从其表面发射热电子的概率几乎为零，然而它可以接受从发射器1101飞过势垒空间的热电子。通过这种方式,在从发射器热发射电子1105之后,发射出的自由电子弹道地飞越流过势垒空间1101到达收集器1102，当过量电子彼此静电排斥并在电导体1102(收集器)表面周围扩散时，它们的传导扩散方式与过量质子在水中的质子传导行为非常相似,这种传导扩散方式的主体已在国际专利申请出版物WO2017/007762 A1和美国专利申请出版物US 2017/0009357 A1的图1c中示出。类似地，如图14b所示，剩留在发射极上的过量空穴(正电荷)也将在电极1101(发射极)表面周围静电扩散。结果，这在发射器1101和集电极1102之间产生了电压差。通过电源(电力出口)插座1107(-)和1106(+)的端子使用,该电压差可以驱动电流通过负载电阻1108,做如图14a所示的电力工作而作功。电子通过外部负载线的电传导流动将继续进行，因为多余的电子通过外部电路传导回发射极，在发射器中，在获得热量后，它们将再次被重新发射，以此类推。它们的运动能量来自周围环境的热量。这解释了系统1100如何通过利用来自环境的潜热(现有隐藏的)能量来等温地发电的机理。

如上所述，这种静电传导扩散现象(图14b)与在国际专利申请出版物(WO2017/007762 A1)中的图1所示的水体中多余的质子被膜屏障隔开,并在膜的另一侧带有过量的羟基阴离子的现象,基本上相似或类似。国际专利申请出版物编号WO2017/007762 A1和美国专利申请出版物编号US 2017/0009357 A1的图5-11所示的实验,验证了类似的质子传导扩散现象。根据上述膜电位方程(等式2b)，是由过量质子的积累导致的本地化过量质子种群密度,在质子耦合生物能系统中建立了膜电位(Δψ)。类似地，是由于不对称功能门控的基于等温电子的发电系统在发射极和集电极之间的活动而在集电极表面产生的过量电子种群密度

积累。输出电压V_output，其定义为用于产生等温电的发射电极与集电极之间的电势差。因此，根据各种实施例中的一个，在“开路”条件下的等温电子发电输出电压V_output可以使用以下公式,表达为集电极表面的本地化过量电子的理想有效浓度

的函数：

其中F是法拉第常数；d是势垒空间厚度，即发射极和集电极之间的距离；κ是势垒空间介电常数；ε_o是介电常数；l是本地化过量电子层厚度。

该方程式(等式11a)在数学上解释了由集电极捕获发射器热发射的电子而产生的过量电子种群密度

的积累如何建立等温电子发电输出电压V_output。因此，具有这样的输出电压V_output的集电极中的过量电子可以驱动电流通过如图14a所示的外部电路，该外部电路包括与电负载1108连接的电力出口插座1107(-)线，电负载1108与另一电线连接作为电力出口1106(+)返回到发射器1101。通过这样做，在该示例中，与热电子相关联的一部分环境热能(热运动能)被用于通过使用电负载1108来实现行作有用功。

图15给出了不对称功能门控的等温电子发电系统1100的能量图。如图15a(左)所示，发射器1101(图14a)的功函数(WF(e))是发射极(器)的费米能级(E(F,e))与自由电子的真空能级(E(vacuum,∞)之间的能级差，在真空能级(E(vacuum,∞)的自由电子被认为是“无限”(∞)远离发射极，并且“无限”(∞)远离收集器表面；而收集电极(器)1102的功函数(WF(e))是集电极的费米能级(E(F,e))和真空能级(E(vacuum,∞)之差。因此，优选的做法是采用功函数尽可能低的发射器，例如约0.7电子伏特(eV)，以便大量的环境温度热电子可以从发射器表面发射到真空屏障空间1104中，并以动力学弹道方式飞行飞越。飞行的电子带有动能(E(k)),朝向具有功函数(WF(c))比发射器的(WF(e))大得多的集电极1109。另一方面，由于集电极的功函(WF(c))很大(例如大于2.0eV)，因此基本上没有环境温度的热电子可以从高功函数的集电极表面发射到真空阻挡空间1104中。所以,环境温度热电子基本上不能从集电器表面逸出。因此，从统计上说，从发射极1101飞越到集电极1102的自由热电子1105要多于在相反方向上的自由热电子。在热发射出的电子到达集电极1102之后，它们将与环境热平衡,并在集电极处静电传导扩散,导致产生如等式11a所示的电压(V(c))。这种电压(V(c))可以驱动电流通过图14a所示的外部电负载1108返回发射极1101。这完成了不对称功能门控热电子发电过程的一个周期，并为下一个热电子发射和收集周期做好了准备(图14a)。

如图14b所示，当不对称功能门控的等温电子发电系统1100处于其“开路”状态时(例如，当去除电负载1108时)，如前所述，不对称功能门控的活动热电子发电过程将导致多余的电子在集电极中积累，从而在此处产生负电压V(c)；同时，这也可能导致在发射极处积累过多的正电荷，从而在那里产生正电压V(e)。集电极上的负电压V(c)会将其有效费米能级提高增加V(c)的绝对值,至E(F,c)的绝对值减去负电压V(c)(在图15的1100(b)中标记为“E(F,c)-V(c)”)；而发射极处的正电压V(e),会将其有效费米能级降低到如图15中间的1100(b)所示的(E(F,e)-V(e))。因此，在“开路”条件下，平衡状态下的发射极有效功函数(WF(e)eq),将按电荷e和V(e)的乘积e·V(e)来增加至较高的值(WF(e)+e·V(e))，而收集器的有效功函数(WF(c)eq)按e·V(c)的绝对值减小到较低的值(WF(c)+e·V(c))。发射器的有效功函数(WF(e)+e·V(e))越高,越将减少并最终切断发射器1101的环境温度电子的发射，因此正电荷的累积，将会使发射器停止，从而达到如图15b所示的V(e)平衡值。

根据各种实施例之一，如图14c所示，优选的做法是在接地的电力出口11106(+)处将发射器与大地1110接地，以防止那里积累正电荷。当发射器“接地”(V(e)＝0)时，即使1100系统处于“开路”状态，发射器的有效功函数也将保持在WF(e)的初始值。这样，如图15的1100(c)所示，在发射器1101的环境温度电子发射将继续，集电极继续接收从发射极发射出的电子将使其V(c)的绝对值上升,直到集电极的有效费米能级(E(F,c)-V(c))随着V(c)的绝对值上升而上升到与有关发射器WF(e)的费米能级E(F,e)处于同一水平为止。此时，从集电极1102朝发射器1101的环境温度电子的反向发射流将以相等的速率抵消从发射器1101到收集器1102的环境温度电子的飞越流动。在这种平衡状态情况下，V(c)等于集电极功函数WF(c)和发射极功函数WF(e)之差值,除以电子(e^-)单位电荷。

这种不对称功能门控的等温电子发电机系统1100(图14)根本不同于哈索普洛斯(Hatsopoulos)和普洛斯(Gyftopoulos)1973年先前报道的常规温度梯度驱动的热电子转换器(文献:热电子能量转换，第I卷：工艺和设备，麻省理工学院出版社，马萨诸塞州剑桥和英国伦敦)。常规的热电子转换器通过将电子从非常热的发射器表面(～2000K)穿过较小的电极间间隙(<0.5mm)沸腾到较冷的集电器表面(～1000K)来将热量转换为电能。与本发明中公开的等温发电相反，常规温度梯度驱动的热电子转换器显然不是等温操作。由于热电子转换器是通过使用温度梯度运行的热机形式，因此据信充其量受到卡诺效率的限制。在King等人2004年(文献:Sandia Report，SAND2004-0555，无限发行，桑迪亚国家实验室，新墨西哥州阿尔伯克基)和Chou 2014(加州斯坦福大学博士学位论文,用于热电子能量转换的低功函数材料的发现)报告的常规温度梯度驱动的热电子转换器中，高功函数电极通常用作发射极，并且发射极由高温热源加热，而低功函数电极用作集电极，由冷散热器冷却，因此认为常规的热电子发电是由“遵循热力学第二定律”中加热的发射器和冷却的收集器之间的温差驱动的。

相反，对于诸如图14c所示的等温电子发电机系统，优选使用特殊的低功函数导体作为发射电极1101，而集电极1102被选择为具有更高主要来自核(正)电荷的功函数。更重要的是，发射器1101和集电极1102都可以在相同的环境温度(等温条件)下使用，而无需在发射器和集电极之间使用明显的温度梯度。因此，等温电子发电系统从环境中等温地提取潜热能量以产生有用的电能，完全遵循热力学的第一定律，但使用特殊的不对称功能门控机制,不受热力学的第二定律的约束。

在常规的温度梯度驱动的热电子转换器中，将导电电极(发射极)加热至高温，从而发射电子(文献:Wanke等人，2017 MRS Bulletin 42：518-524)。这些热电子能克服电极的功函数，并产生热电子发射电流。它通常需要通过使用外部能源/热源(例如聚焦的太阳辐射，强化化学燃烧或核衰变反应热)将发射器加热到高达2000开尔文(K)的温度，同时使用散热器将集电器冷却到约600开尔文(K)以下(文献:Sandia报告，SAND2004-0555)。除非使用大量的空气预热，否则空气呼吸化学热源(例如普通的碳氢化合物燃烧器)无法达到所需的热电子温度(～2000开尔文(K))。也就是说，热电子转换器的运行基于发射极处的异常高温，两个电极(热离子发射极和集电极)之间的温差很大。热电子转换器所需的升高的高温造成与燃料元件的结构以及将热量传递到转换器的手段有关的巨大技术问题。人们认为这里的卡诺效率代表极限效率(文献:Khalid等人，2016 IEEE Transactions on ElectronDevices 63：2231-2241)。相反，本发明中公开的不对称功能门控的等温电子发电机系统不需要这种高温并且不受卡诺效率的限制，因为它可以通过等温地利用来自环境温度的潜热能量来发电。不需要任何那种能源密集型的加热和/或冷却能源。

根据本发明的各种实施例之一，不对称电子门控功能1003(图13)包括利用通常涂覆在电导体1101表面上的低功函数发射极1103(图14a)；和利用有较高功函数的导电体板1102作为集电极1109,它在环境温度条件下基本上不会发射电子,但能够从发射极1103收集热电子。低功函数发射极1103,即使在环境温度(例如293K(20℃))下也能够发射热电子，正是这种不对称的电子门控功能，使得等温条件下热电子1105能够通过真空势垒空间1104从发射极1103到达收集极1109，从而产生等温电子电力。在两个出口1106(+)和1007(-)之间具有电压差的电力输出，不受热力学第二定律的约束。因此，这种不对称的功能门控的等温电子发电机系统1100(图14)代表了一种特殊的非第二法律的能源技术功能，该功能能够通过从周围环境中提取潜在的(现有隐藏的)热能来进行能量更新转化成电能。这也就是说,在等温条件下,使用与发射极和集电极相关的热电子,将其来自环境的热能转换为电能形式的有用能量。从根本上讲，这有点类似于先前在本地化质子系统中公开的非第二律能量更新功能(国际专利申请出版物WO2017/007762 A1和美国专利申请出版物US 2017/0009357 A1)。

先前的研究表明，常规的热电子发生器可能是有效的，但是仅在高于1000开尔文(K)的温度下才有效(文献:Hishinuma等人，2001 Applied Physics Letters 78：2572-2574)。相反，不对称功能门控的等温电子发电机系统几乎可以在从冻结温度(例如253K(-20℃)到293K(20℃)的周围温度，再到升高的温度等任何温度下作等温运行。高于和/或低于1000开尔文(K)时，传统热电子发生器仍然无法有效运行。根据本发明的各种实施例中的一个例子，这种不对称功能门控的等温电子发电机系统用于等温运行的温度或温度范围可选自:193K(-80℃),200K(-73℃),210K(-63℃),220K(-53℃),230K(-43℃),240K(-33℃),250K(-23℃),260K(-13℃),270K(-3℃),273K(0℃),278K(5℃),283K(10℃),288K(15℃),293K(20℃),298K(25℃),303K(30℃),308K(35℃),313K(40℃),318K(45℃),323K(50℃),328K(55℃),333K(60℃),338K(65℃),343K(70℃),348K(75℃),353K(80℃),363K(90℃),373K(100℃),383K(110℃),393K(120℃),403K(130℃),413K(140℃),423K(150℃),433K(160℃),453K(180℃),473K(200℃),493K(220℃),513K(240℃),533K(260℃),553K(280℃),573K(300℃),623K(350℃),673K(400℃),723K(450℃),773K(500℃),823K(550℃),873K(600℃),923K(650℃),973K(700℃),1073K(800℃),1173K(900℃),1273K(1000℃),1373K(1100℃),1473K(1200℃),和/或在这些值中的任何两个范围内。按照运行本发明使用各种方式的不对称功能门控的等温电子发电的实施例之一,这里的“等温运行”是指发射器和集电极处于相同的温度；即,发射极和集电极之间不需要温差。

根据各种实施例中的一个例子，考虑到其工作环境温度条件，适当选择特殊的低功函数导体作为发射极至关重要。例如，对于设计为在室温(约25摄氏度(℃))下运行的不对称功能门控热电子发电机系统，发射器的功函优选选择为小于1.0电子伏特(eV)，更优选小于0.8eV。甚至更优选小于0.7eV或0.6eV，最优选小于0.5eV。对于设计用于在更高的环境温度(例如35℃,40℃,50℃,60℃,80℃,100℃,120℃,150℃,200℃和/或在任何两个范围限定的范围内)等温运行的不对称功能门控等温电子发电系统,也可以根据具体条件选择这些值中稍微高点的功函数材料用作发射极。另一方面，当预期的等温运行温度明显降低时，例如在15℃,10℃,5℃,0℃,-5℃,-10℃,-15℃,-20℃,-30℃,-50℃和/或在这些值中的任何两个值限制的范围内，应选择很低的功函数的材料用作发射极。

根据各种实施例之一，取决于其特定的应用及相关的温度条件，系统组成，以及电极材料和阻挡空间的特性(例如其厚度，电容和其他物理化学特性)，用于提取环境热量以发电的发射器电极的功函数,可以选自:0.2eV,0.3eV,0.4eV,0.5eV,0.6eV,0.7eV,0.8eV,0.9eV,1.0eV,1.1eV,1.2eV,1.3eV,1.4eV,1.5eV,1.6eV,1.7eV,1.8eV,1.9eV,2.0eV,2.1eV,2.2eV,2.4eV,2.6eV,2.8eV,3.0eV和/或在这些值中的任何两个范围内。

根据各种实施例中的一个例子，优选集电极1102,具有比其配对的发射极1101(图14)的功函数高的功函数，使得在集电极表面上不发生明显的等温电子发射。根据其特定的应用及相关的温度条件，系统组成以及电极材料和阻挡层空间的特性(例如厚度，电容和其他物理化学特性)，为了提取环境热量产生等温电的集电极的功函数,是选自1.0eV，1.1eV，1.2eV，1.3eV，1.4eV，1.5eV，1.6eV，1.7eV，1.8eV，1.9eV，2.0eV，2.1eV，2.2eV，2.4eV，2.6eV，2.8eV，3.0eV，3.2eV，3.4eV，3.6eV，3.8eV，4.0eV，4.2eV，4.4eV，4.6eV，4.8eV，5.0eV，5.5eV，6.0eV和/或在这些值中的任何两个范围内。

如前所述，功函数代表电子在费米能级上从固体(例如金属导体)逸出到自由空间的能垒。功函通常包括两个部分：主体部分和表面部分。占主导地位的是其主体部分，它对应于化学势，该化学势从电子密度和与固体中核(正)电荷力有关的状态密度中得出。表面成分(也称为表面偶极子成分)起源于金属表面电荷的重新分布，这会引起表面偶极子，这通常是由于电子在很小的距离(埃)上“溢出”到真空中而产生的。在固体外部产生负电荷片，并在表面和次表面原子平面中留下未补偿金属离子的正电荷片。正是这双电荷(表面偶极子)片形成了一个势能台阶，该台阶提高了刚从表面发出的电子势，还有效地提高了发射电极表面上的电子真空能级(Evac(S))。该表面偶极子相关的分量可以对应于发射电极表面处的真空能级(Evac(S))与在远离表面的真空空间中的真空能级(Evac(∞))之间的能量差。与表面偶极子相关的负电荷可以排斥电子离开电极。因此，离开发射极表面的电子可能会受到来自发射极表面偶极子的排斥力的作用而朝集电极加速，这可能有利于等温发电。另一方面，如果集电极也具有与表面偶极子相关的负电荷成分，则可能通过排斥电子远离集电极表面,而阻碍接收从发射极发射出的电子。因此，根据各种实施例之一，优选的做法是使用不具有或最小化与表面偶极子相关的负电荷成分的集电极。或者，如果在集电极表面上存在与表面偶极子相关的负电荷分量，则需要它等于或小于发射极表面的负电荷分量，以使等温发电机更有效地工作。即，有利的是，使用主要源自核(正)电荷力而没有或具有最小的表面偶极子相关的负电荷力的功函数，以便收集器更好地收集从发射器发射的电子。

至关重要的是，适当选择特殊的低功函数导体作为发射极，而集电极应主要由核(正)电荷产生的较高的功函数。表6列出了具有已知功函数(eV)值的各种材料，根据本发明的各种实施例之一，可以考虑选择用于制造发射器(发射极)和/或收集器(集电极)的材料。

表6.列出了具有已知功函数(电子伏特(eV))的各种材料的示例，可以考虑选择这些材料以用于制造根据本发明的各种实施例之一的发射器(发射极)和/或收集器(集电极)。

根据本发明的各种实施例之一，优选的做法是使用特殊的低功函数导体作为发射极，而集电极应包含主要由核(正)电荷产生的高功函数。

根据各种实施例中的一个，发射极是涂覆在导电电极1101上的特殊的较低功函数材料1103的层或膜，而集电极1109是涂覆在导电电极1102较高功函数的膜,和/或简单地是一块高功函数的导体板。根据给定的特定等温电子发电应用及其相关的工作温度条件，发射极器材料选自:银-氧-铯(Ag-O-Cs)，氧化铯(Cs₂O)涂覆的银(Ag)板表面，钾-氧/硅(100)(K-O/Si(100))，特殊低功函材料(C12A7:e-)，钨碲(WTe2)上的钾(K)，磷(P)-掺杂的金刚石，特殊钙铝氧化物(Ca₂₄Al₂₈O₆₄)，铯/氧(Cs/O)-掺杂的石墨烯，特殊锶钡钒氧化物(Sr_1-xBa_xVO₃),钡(Ba)涂层的碳化硅(SiC)，钨(W)上的氧-钡(O-Ba)，铂Pt金属上的铯(Cs),及其组合。同时，集电极器材料选自:铂(Pt)金属，银(Ag)金属，金(Au)金属，铜(Cu)金属，钼(Mo)金属，铝(Al)金属，钨，铼，钼，铌，镍，石墨烯，石墨，聚苯胺膜，锌金属氧化物(ZnO)，ITO金属氧化物，FTO金属氧化物，二维镍，特殊高功函材料(PEDOT:PSS)，质子化聚苯胺薄膜,及其组合。

根据各种实施例之一，用于制造支撑发射极和/或收集器并且也可以直接用作收集器的导电体1191和1102的材料选自：导热导电体，导热金属导体，难熔金属，金属合金，不锈钢，铝，铜，银，金，铂，钼，导电的钼氧化物(MoO₃),钨，铼，钼，铌，镍，钛，石墨烯，石墨，导热导电聚合物，聚苯胺膜，质子化聚苯胺膜,及其组合。

根据各种实施例之一，优选的做法是采用,不具有表面偶极相关的功函数或具有最小表面偶极相关的功函数组成部分的导体,作为收集电极，以促进从发射极收集电子。例如，非极性有机导体通常在表面没有明显的电子“散布”，因此可以选择用作集电极。

阻碍常规热电子转换器性能的主要问题是在电极间空间中形成静态电子空间电荷云(Physics of Plasmas 21，023510(2014)；doi：10.1063/1.4865828)。在不对称功能门控的等温电子发电系统(图14)中,那种“空间电荷问题”可完全被最小化。例如，在不对称功能门控的等温电子发电系统(图14)设计应用中,跨电极空间的电流密度(J)明显较低(通常在从低于亚安培/平方厘米,至不超过几安培/平方厘米的范围内),比常规(温度1000-2000K)热电子转换器的安培数通常在10-100安培/平方厘米的数量级小得多；这就可把那种“空间电荷问题”降到最低。在传统的热电子转换器中，由于电子以如此高的电流密度(J)发射到电极间空间，它们可以互相排斥并趋向于把电子拉回到发射极中，发射极现在在失去一些电子后具有正电荷，并在发射极表面附近空间形成一团负电荷云。这导致了所谓的空间电荷效应，该效应随后也会排斥额外发射的电子离开集电极，从而减少了传递到集电极的电流。空间电荷效应还会对电子发射产生额外的势垒,也导致只有那些具有足够动能的电子才能到达集电极。因此，根据各种实施例之一，通过选自以下的多种方式使“空间电荷问题”最小化：1)通过以相对较低的电流自然操作等温电子发电系统(图14)(跨电极空间的密度(J)范围从亚安培/平方厘米至不超过几安培/平方厘米)；2)通过将发射极接地，如图14c所示；3)通过将电容器与发射极和/或集电极一起使用，4)通过将发射极和集电极之间的电极间空间距离最小化为微米和/或纳米的尺度；5)利用重力促进热电子从发射极流向集电极；6)通过在收集器表面上使用带正电的分子结构，例如质子化的胺基；及其组合。

根据各种实施例中的一个，可以在具有等温电出口(在下面的图20的示例中示出)的发射器和收集器对的每对之间使用一系列电容器，以增加在每对发射器和集电极之间的电容。以提高等温电子发电机系统的稳定性和效率。

根据各种实施例中的一个，通过适当地缩小发射极表面与集电极表面之间的空间分隔距离(在下面的图22的示例中示出)，使其间隙空间变窄,来增加在每对发射极和集电极之间的电容，以提高等温电子发电机系统的功效和稳定性。较小的高真空电极间间隙距离会有利于限制在其中传播的电子数量。传输中过多的电子将形成电子云，由于空间电荷效应而导致效率降低。因此，优选的做法是适当地最小化发射极表面与集电极表面之间的间隔距离以增加电容并限制在电极间空间中形成静态电子空间电荷云以增强等温电子发电。

另一方面，发射极表面和集电极表面之间的势垒空间分隔距离应足够大(略大于电子隧穿距离2或3纳米(nm))，以避免由于可能的电子隧穿而造成电流泄漏损失。将金属表面视为二维系统，电子无法逃逸，但是由于“势垒穿透”，金属的电子密度实际上延伸到金属表面之外。对于电子隧穿来说，电子概率密度下降到刚好在金属内部的电子概率密度的1/1000的金属表面之外的距离在0.1到1纳米(nm)的数量级上。电子隧穿距离还取决于材料的性质和势垒空间。例如，呼吸酶中的金属中心之间可能发生电子转移和隧穿，通常距离最远可达20或

(文献:2010 Laser Phys。20(1)：125-138)。还已知厚度约4纳米(nm)的生物脂质双层膜,作为膜电位电压差为约200毫伏(mV)的电绝缘势垒空间工效良好。在某些情况下，例如为了易于制造和某些机械操作，也可能需要更大的发射极表面和集电极表面之间的间隙空间。因此，根据给定的特定应用及其相关的温度条件，系统组成以及电极材料和势垒空间的特性，根据以下一项，跨一对发射极和集电极的电极间间隔距离(间隙尺寸d)各种实施方案选自:2纳米(nm),3纳米,4纳米,5纳米,6纳米,7纳米,8纳米,9纳米,10纳米,12纳米,14纳米,16纳米,18纳米,20纳米,25纳米,30纳米,35纳米,40纳米,45纳米,50纳米,60纳米,70纳米,80纳米,100纳米,120纳米,140纳米,160纳米,180纳米,200纳米,250纳米,300纳米,500纳米,600纳米,700纳米,800纳米,900纳米,1000纳米,1.2微米(μm),1.4微米,1.6微米,1.8微米,2.0微米,2.5微米,3.0微米,3.5微米,4.0微米,4.5微米,5.0微米,6.0微米,7.0微米,9.0微米,10微米,12微米,14微米,16微米,18微米,20微米,25微米,30微米,35微米,40微米,45微米,50微米,60微米,70微米,80微米,90微米,100微米,120微米,140微米,160微米,180微米,200微米,250微米,300微米,400微米,500微米,600微米,700微米,800微米,900微米,1000微米,1.2毫米(mm),1.4毫米,1.6毫米,1.8毫米,2.0毫米,2.5毫米,3.0毫米,4.0毫米,5.0毫米,6.0毫米,7.0毫米,8.0毫米,9.0毫米,10毫米,12毫米,15毫米,20毫米,30毫米,40毫米,50毫米,60毫米,80毫米,100毫米,和/或在这些值中的任何两个范围内。

根据各种实施例之一，势垒空间成分选自:真空空间，半真空空间，气态空间，惯性气体空间，特殊气体空间，弹道电子可飞越渗透的多孔材料空间，穿孔的二维(2D)材料，带孔的绝缘膜例如带孔的特氟龙(Teflon)膜,及其组合。当考虑利用某些特殊的气态空间时，应注意避免在等温电子发电过程中跨电极间空间形成的电场可能会与气体分子以及空间屏障组合物和相关电极材料的可能的副反应。当在等温电子发电期间跨电极间空间形成的电场可能高到足以引起某些副作用时，则可能引起某些不良的副作用，例如不良的电流泄漏，等离子体或自由基物质的形成，以及如果气态空间包含氧气(O2)，则会产生臭氧(O3)。对于许多应用，使用真空空间作为电极间空间屏障1104(图14)是一种优选实践。此外，利用穿孔的二维(2D)材料,例如穿孔的薄绝缘膜(例如穿孔的Teflon)和某些允许热发射的电子以最小的吸收系数,以弹道模式飞越飞过的塑料膜也很有价值。穿孔绝缘子薄膜的质量可能非常小，使其对于移动电器产品应用具有吸引力。

根据各种实施例之一，将发射器和收集器安装在诸如具有一定真空空间的真空容器中，诸如真空电管(图16)，真空瓶，真空室和/或真空箱。真空容器壁由多种导热材料制成，并结合了电绝缘材料，这些材料选自包括:不锈钢，铝，铜和金属合金在内的导热金属，真空管玻璃，真空灯灯泡玻璃，电绝缘材料，碳纤维复合材料，乙烯基酯，环氧树脂，聚酯树脂，气密电绝缘硅凝胶(Kafuter 704RTV)材料，热塑性塑料，高导热石墨烯，石墨，纤维素纳米纤维/环氧树脂纳米复合材料，导热和电绝缘塑料，导热和电绝缘陶瓷，导热和电绝缘玻璃，玻璃纤维增强塑料材料，硼硅酸盐玻璃，派热克斯玻璃，玻璃纤维，溶胶-凝胶，硅酮凝胶，硅橡胶，石英矿物，钻石材料，玻璃陶瓷，透明陶瓷，透明塑料，例如丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，醋酸丁酸纤维素，聚碳酸酯(Lexan)和乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)，聚丙烯，聚乙烯和聚乙烯HD，导热透明塑料，导热和电绝缘涂料，无色玻璃，透明塑料含有某些减反射材料或涂层的透明玻璃，含有某些减反射材料或涂层的透明玻璃,及其组合。

根据各种实施例之一，容器壁与电极板和/或电线之间的界面接触/密封件由导热和电绝缘材料制成。根据给定的特定应用及其相关的温度条件，界面接触/密封材料选自:导热和电绝缘塑料，环氧树脂，聚酯树脂，气密电绝缘硅凝胶(Kafuter 704RTV)材料，热塑性塑料，导热和电绝缘陶瓷，导热和电绝缘玻璃，高导热石墨烯，石墨，透明塑料，例如丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，丁酸酯(乙酸丁酸纤维素)，聚碳酸酯(Lexan)和乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)，聚丙烯，聚乙烯HD，导热透明塑料，导热胶，电绝缘胶，导热漆，电绝缘漆，导热玻璃，硼硅酸盐玻璃例如派热克斯玻璃，溶胶凝胶，硅凝胶，硅橡胶，石英矿物，金刚石材料，纤维素纳米纤维/环氧树脂纳米复合材料，碳纤维复合材料，玻璃陶瓷材料，透明陶瓷，包含抗反射材料和/或涂层的透明透明塑料，包含抗反射材料或涂层的透明玻璃及其组合。

根据各种实施例之一，基于不对称功能门控的基于等温电子的环境热能利用系统包括涂覆在银(Ag)金属电极表面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs),以用作低功函数的发射极,和在真空条件下,用铜金属导体作高功函数的集电器。

根据各种实施例中的一个，基于不对称功能门控的基于等温电子的环境热能利用系统的原型包括一对低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1203(涂覆在银电极1201表面上)和高功函数的钼金属导体1202由真空管中的真空空间1204隔开(图16)。涂在银电极1201上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1203用作发射极，而钼(Mo)金属导体1202用作集电极。在某些示例中，有时(在Ag-O-Cs膜制造过程中)共同生产的钼-氧-铯(Mo-O-Cs)膜也可以用作集电器，因为它通常具有比上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)更高(更大)的功函数。图16展示了一个示例如何制造和测试等温电子发电系统的示例。在该示例中，如图16a所示，在真空管中安装了一对银和钼电极。将具有少量氧气的铯(Cs)蒸气引入真空电子管。在制造过程中，钼电极用作临时阳极，通过使用Cs蒸气的一种氧等离子体放电氧化银电极表面，随后在银电极1201上形成上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜如图16b所示。有时，此制造过程还会导致在钼电极1202上共生成钼-氧-铯(Mo-O-Cs)膜。

根据各种实施例之一，如图16b所示的不对称功能门控电子管系统的原型可以等温地发电，可以使用静电计的输入电阻在25℃(298K)的环境温度下对其进行测量的负载。可以预测，当发射极1201的电力出口端子1206与静电计的237-ALG-2型低噪声电缆正(红色)输入连接器相连，而集电极1202的电力输出端子1207与电子计的负极(黑色)输入连接器连接端相连时，它将测量由等温电子发电系统产生的正电流(图16b)。当不对称功能门控电子管系统和静电计以相反(反向)方向连接时，其中集电极1202连接到静电计的正(红色)输入连接器，而发射极1201连接到负(黑色)输入静电计的连接器，等温电子发电系统(图16b)有望为静电计提供可测量的负电流。

这些预测特征已在初步实验中得到了成功证明，将不对称功能门控的电子管放入由金属箔制成的法拉第屏蔽盒中，并用吉时利6514系统静电计(吉时利仪器有限公司，克利夫兰市，美国俄亥俄州)。当发射极1201与吉时利6514系统静电计的正(红色)输入连接器鳄鱼夹连接，而集电极1202与负(黑色)输入连接器鳄鱼夹连接时，吉时利6514静电计确实检测到正电流。垂直于电极间空间的横截面积的稳态电流密度经测量为5.17微微安培(pA)/平方厘米(cm²)。同时，当非对称功能门控电子管系统和静电计以相反(反向)方向连接时，实际上通过吉时利6514静电计测量了具有相当幅度的负电流。垂直于在相反方向上测量的电极间空间的横截面积的稳态电流密度为负(-)4.50微微安培/平方厘米。从两个方向测得的绝对值得出的平均稳态电流密度为4.84±0.34微微安培/平方厘米。

类似地，根据各种实施例之一，可以预测，当发射极1201与吉时利6514静电计的正(红色)输入连接器鳄鱼夹连接，而集电极1202与负(黑色)输入连接器鳄鱼连接时，它将测量由等温电子发电系统产生的正电压(图16b)。当不对称功能门控电子管系统与静电计以相反方向连接时，等温电子发电系统(图16b)将为静电计提供可测量的负电压。这些预测特征也已在初步实验中得到成功证明。在此示例中，从在两个方向上测得的绝对值求平均值的稳态输出电压约为140毫伏(mV)。

在本实验原型系统的示例中(图16b),根据测得的稳态电流密度(4.84±0.34微微安培/平方厘米)和稳态输出电压(约140毫伏)，计算出电极间空间横截面单位面积的等温发电功率密度约为6.78x 10^-13瓦特(Watt)/平方厘米(cm²)。

表7给出了更多关于非对称功函数门控电管的等温电子发电电流密度的实验数据示例，该门控电管类似于图16b所示，分别在正向和反向方向上测量电热密度。注意到，有时在正常方向上测得的等温电流密度的幅值要比在反方向上测得的等温电流密度的幅值稍大。对于表7中列出的每个不对称功函数门控的电子管样品1、2、3和4，在正常方向上测得的等温电流密度值为5.17、4.90、7.06和9.62微微安培/平方厘米(pA/cm²)，似乎略大于相反方向的绝对值(-4.50，-1.63，-2.72和-5.52微微安培/平方厘米(pA/cm²)。在相应的电压测量结果中观察到了类似的趋势。在正常方向上测得的等温输出电压的幅值似乎也比在反向方向上测得的幅值稍大。这可以通过不对称功函数门控电子管系统与吉时利(Keithley6514)静电计的相互作用来解释。例如，如果在测量过程中，吉时利6514系统的输入连接器(黑色)以相反的方向以某种方式为发射器提供了一个略微正电压，则它可能会略微降低发射器上的费米能级，从而降低发射器发射电子的能力，这可以解释等温电子发电电流密度略有降低，并因此也可以降低电压输出。

如表7中所示，对于不对称功函数门控的电管样品2、3和4，从两个方向上测得的绝对值平均的等温电子发电电流密度分别为:3.26、4.87和7.57微微安培/平方厘米(pA/cm²)。相应的平均电压输出为:94、141和218毫伏(mV)。对于不对称功函数门控电子管样品2，3和4，分别在给定的实验条件下无需进行任何优化,根据等温电子发电电流密度与相应电压输出的乘积计算出的等温电子发电功率密度为:3.07x10^-13、6.90x 10^-13和1.65x 10^-12瓦特/平方厘米。因此，这些实验数据和具体细节旨在示出根据各种实施例之一的原理的证明，并且它们不应被视为对其性能的限制。

表7列出了更多关于不对称功函数门控电子管(类似于图16b所示的)等温电子发电电流密度(微微安培/平方厘米(pA/cm²))的实验数据示例，在正向和反向方向测量，并观察到输出电压(毫伏(mV))和等温电子发电功率密度(瓦特/平方厘米(Watt/cm²))。

根据各种实施例中的一个例子，如图14所示的不对称功能门控热电子发电系统1100等温运行，其中发射器的温度(T_e)等于收集器的温度(T_c)。在等温运行条件下(T＝T_e＝T_c)，从发射极1101到集电极1102的发射电子1105的等温电子发电理想净电流密度(J_isoT)，也被定义为垂直于发射极和集电极表面的电流通量(flux),可以根据理查森·杜什曼(Richardson-Dushman)公式计算出(也称为理想的等温电子发电电流密度(A/cm²)，定义为发射极/集电极间空间的横截面积每平方厘米(cm²)的电流安培(A)值)。使用以下理想等温电子发电电流密度(J_isoT)公式进行公式化来计算表达：

J_isoT＝AT²(e^{-[WF(e)+e·V(e)]/kT}-e^{-[WF(c)+e·V(c)]/kT}) [11b]

其中A是通用因子(被称为理查森·杜什曼(Richardson-Dushman)常数,可以表达为

[其中m是电子质量，e是电子单位电荷，k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数])；T是发射极和集电极的绝对温度，以开尔文(K)为单位；WF(e)是发射器表面的功函数；e·V(e)是电子单位电荷e与发射极电压V(e)的乘积；k是玻尔兹曼常数(以eV/K为单位)；WF(c)是收集器表面的功函数；e·V(c)是电子单位电荷e与集电极电压V(c)的乘积。

特别重要的是，这种不对称功能门控热电子发电系统,不需要外部耗能加热器或排气散热器等,就可以将环境热能(潜热能)等温地转换为电能，因此能源效率基本上为100％,不受热力学第二定律的约束。

根据各种实施例之一，当发射极处的电压(V(e))为零时，例如当发射极接地时，如图14c所示，理想净等温电子从发射极1101飞越流过真空空间到收集器1102的电流密度,可以使用以下修改的理想等温电子发电电流密度(J_isoT(gnd))公式来计算：

J_isoT(gnd)＝AT²(e^-[WF(e)]/kT-e^{-[WF(c)+e·V(c)]/kT}) [12]

根据各种实施例中的一个，当在发射极(V(e))和集电极(V(c))处的电压都为零时，例如在等温发电系统1100的初始状态下，如图14a所示(或如果/当包括负载1108以及相关导线，电极和连接电力出口端子1106和1107的电路的电阻为零时)，从发射器1101到集电极1102的整个真空空间的最大净等温电子流密度达到最高可达到的水平，在消除了任何负空间电荷和其他限制因素的影响之后，将其视为“饱和”(上限)通量。可以使用以下理想饱和等温电子发电电流密度(J_isoT(sat))公式来计算该理想饱和电子通量：

J_isoT(sat)＝AT²(e^-[WF(e)]/kT-e^-[WF(c)]/kT) [13]

根据各种实施例之一，如图14c所示，在发射极和集电极电力出口端子(1106和1107)之间的“开路”平衡态理想饱和输出电压(V_sat)可以表达为功函数之差：

其中e是1的一个电子电荷(电子电荷单位)；如图15右边的1100(c)所示，WF_(c)和WF_(e)分别是集电极功函数和发射极功函数。

根据各种实施例之一，发射极和集电极电力出口端子(1106和1107)之间的稳态工作输出电压(V_st)可以表达为：

V_st＝V_(c)-V_(e) [15]

其中V_(c)和V_(e)分别是集电极和发射极的稳态工作电压，如图15(中,1100(b))所示。

根据各种实施例之一，如图14a所示，跨发射极和集电极之间的电极间空间的理想饱和电流(I_sat),可以表达为电极间空间横截面(发射极表面)面积(S)和理想的饱和等温电子发电电流通量(称为饱和电流密度(J_isoT(sat)))的乘积，其公式如下：

I_sat＝S.J_isoT(sat)＝S.AT²(e^-[WF(e)]/kT-e^-[WF(c)]/kT) [16]

根据各种实施例之一，如图14a所示，通过电负载1108的理想稳态工作电流(I_st)可以表达为：

其中R_l是电负载的电阻，R_m是来自包括电极和导线材料的电路的任何可能的杂项电阻；V_st是以上公式[15]所表达的稳态工作输出电压。

根据各种实施例之一，不对称功能门控的等温发电活性的作用是可以累加的。即，可以串联和/或并联使用如图14所示的不对称功能门控的等温电子发电机系统。当串联使用多个(n)如图14所示的不对称功能门控等温发电机系统时，总稳态输出电压(V_st(total))为每个不对称功能门控的等温电子发电机系统的稳态输出电压(公式[15]所表达的V_st(i))的总和：

类似地，串联运行的等温电子发电机系统的总饱和输出电压(V_sat(total))是来自每个不对称函数门控等温电子发电机的饱和输出电压(它是等式[14]所表达的V_sat(i))的总和：

根据各种实施例之一，当并联使用多个(n)不对称功能门控的等温电子发电机系统时，总的理想电流(I_sat(total))是来自每个不对称函数门控等温电子发电机的电流(等式[16]所表达的单个门控等温电子发电机电流I_sat(i))的总和：

因此，不对称功能门控的等温电子发电效果是可以累加的。取决于给定的特定应用及其相关的工作条件(例如温度条件)以及诸如它们的屏障空间厚度和组成，发射极和集电极的特性以及其他物理化学特性,可以利用多个(n)不对称功能门控的等温电子发电机系统,作并联和/或串联使用。

当多个(n个)不对称功能门控的等温电子发电机系统并联运行时，总稳态电流(I_st(total))是来自每个不对称功能门控等温电子发电机的稳态电流(I_st(i))的总和，而总稳态输出电压(V_st(total))保持不变。

当多个(n个)不对称功能门控的等温电子发电机系统串联运行时，总稳态输出电压(V_st(total))是来自每个不对称功能门控的等温电子发电机的稳态输出电压(V_st(i))的总和，而总稳态电流(I_st(total))保持不变。

图17a给出了理想等温电子发电电流密度(安培/平方厘米(A/cm²),定义为每平方厘米(cm²)发射极-集电极间空间横截面积的电流安培(A)值)作为工作温度T的函数的示例。这些等温电子发电电流密度是为发射极接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))在0.00至3.86伏特(V)范围内的各种输出电压V(c)情况下,使用等式12计算得出的。由于发射极接地，因此输出电压等于V(c)，这是集电极电压V(c)与接地的发射极电压(V(e)＝0)之差。因此，如图15的1110(a)中的能量图所示，初始状态下输出电压V(c)为0.00伏特(V)时的等温电子发电电流密度(A/cm²)代表在等式13中表达的饱和等温电子发电电流密度。

如图17a所示，在温度T为225至325开尔文(K)的范围,输出电压V(c)为3.00伏特(V)时的理想等温电子发电电流密度曲线与饱和等温电子发电电流密度(V(c)＝0.00V)的曲线几乎重叠。当输出电压V(c)升高到3.80伏特(V)时，等温电流密度曲线仅稍低于最大饱和等温电流密度曲线。在这些情况下，等温电子发电电流密度随温度T的增加而急剧增加。但是，当输出电压V(c)进一步提高到3.86伏特(V)时，等温电流密度将急剧降低到零(一条实线)，它代表如图15(右)的1110(c)所示的平衡状态，其中从发射极流向集电极的热电子等于从集电极流向发射极的热电子，导致净等温电子发电电流密度为零。

图17b给出了发射极接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))在273、293、298和303开尔文(K)的工作环境温度下,等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线随输出电压V(c)从0.00到3.86伏特(V)时的变化的示例。这些曲线表明，在273、293、298和303开尔文(K)的每个工作环境温度下，饱和等温电流密度在0.00至3.75伏特(V)的输出电压V(c)范围内都非常恒定(稳定)的。当输出电压V(c)从3.75升高到3.86伏特(V)时，等温电流密度急剧降低到零。在从0到3.50伏特(V)的输出电压下，随温度从273开尔文(K)(摄氏零度:0℃)增加到293K(20℃),298K(25℃),和303K(30℃)时,稳态等温电子发电电流密度分别从273开尔文(K)时的1.07微安培/平方厘米(μA/cm²)急剧增加到9.39,15.5和25.1微安培/平方厘米(μA/cm²)。

表8列出了等温发电机系统的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)值与工作温度T从203K(-70℃)至673K(400℃)的函数关系。这些等温电子发电电流密度(A/cm²)值,是从发射极接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV,铜Cu(110)),在输出电压V(c)为0.00,1.50,3.00,3.50,3.80和3.86伏特(V)时,使用等式12计算得出的。数据显示，等温电子发电电流密度强烈依赖于温度T,在合理的输出电压V(c)约为3伏特(V)的情况下，从203K(-70℃)时的2.07x10^-11安培/平方厘米(A/cm²),在298K(25℃)时上升到1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)，在673K(400℃)时上升达到311安培/平方厘米(A/cm²)。

表8给出了从一对发射极功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))使用等式12计算出来的理想等温电子发电电流密度(安培/平方厘米(A/cm²)),作为工作温度(开尔文,T(K))在各种输出电压V(c)从0.00至3.86伏特(V)的函数的示例。这发射极接地，输出电压V(c)是集电极和接地发射极之间的电压差。

根据各种实施例之一，当发射极接地时，各种输出电压V(c)伏时的理想等温电子发电功率生产密度P_isoT(gnd)(W/cm²),可以表达为：

P_isoT(gnd)＝AT²(e^-[WF(e)]/kT-e^{-[WF(c)+e·V(c)]/kT})V(c) [21]

表9列出了发射极接地的一对发射极功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))的理想的等温电子发电功率密度，定义为发射极-集电极间空间横截面积每平方厘米的产电功率瓦特数值(W/cm²),作为工作温度T从203K(-70℃)至673K(400℃)的范围内的函数,在多个输出电压V(c)值包括0.00,1.50,3.00,3.50,3.80和3.86伏特(V)的状态条件下,使用等式21计算出来的。数据显示，在此示例中，提供最佳等温电子发电功率生产密度(W/cm²)的输出电压V(c)约为3.50伏特(V)。输出电压V(c)为3.50伏特(V)时的等温发电功率密度(W/cm²)强烈取决于温度T，从温度T在203K(-70℃)时的7.24x10^-11瓦特/平方厘米(W/cm²),至在298K(25℃)时的5.41x10^-5(W/cm²),，在673K(400℃)时高达1090(W/cm²)。

表9给出了发射极接地的一对发射极功函数(WF(e)＝0.70eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))的理想等温电子电力生产功率密度(瓦特/平方厘米(W/cm²)),随工作温度(开尔文,T(K))变化的示例，该功率密度定义为发射极-集电极间空间横截面积每平方厘米的产电功率瓦特数值(W/cm²),在各种输出电压V(c)0.00至3.86伏特(V)的状态条件下,根据等式21计算。

图17c给出了等温电子发电机系统在输出电压V(c)3.00伏特(V)的状态下的理想等温电子发电电流密度(A/cm²),随工作环境温度T和随一系列发射器功函数(WF(e))值的变化的示例。该系列发射器功函数值包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1或1.2eV的值与发射极接地的集电极功函数值(WF(c)＝4.56eV，铜Cu(110))配对。数据表明，使用功函数值较低的发射器对于利用环境热产生等温电非常重要。因此，根据各种实施例之一，优选的做法是采用具有低功函数值的发射极，该发射极低功函数值选自0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1和1.2eV,和/或这些值中的任何两个范围内,在以250至673开尔文(K)的温度范围内等温电子发电使用。

图18a给出了对于发射极接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.60eV)和集电极功函数(WF(c)＝5.91eV，铂Pt(111))，在工作温度(T(K))为273、293、298、303开尔文时的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线,随输出电压V(c)从0.00到5.31伏特(V)之间时的变化示例。这些曲线表明，在273、293、298和303开尔文(K)的每个工作环境温度下，等温电流密度在输出电压V(c)从0.00至5.00伏特(V)范围内都非常恒定(稳定)。只有当输出电压V(c)升高到5.0伏特(V)以上，达到5.31伏特(V)的极限时，等温电流密度显着降低到零。输出电压5.00伏特(V)时的稳态等温电子发电电流密度伴随工作温度急剧增加:从温度273K(0℃)时的7.50x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)升高到293K(20℃)时的4.93x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)，再升高到298K(25℃)时的7.59x10^-4和303K(30℃)时的1.15x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)。

图18b给出了等温发电机系统的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)与工作环境温度T和发射器功函数值的关系的示例，该发射器功函数(WF(e))值包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.0,和2.2电子伏特(eV)。在这里,每个发射器功函数(WF(e))值都与发射极对集电极功函数(WF(c)＝5.91eV，铂Pt(111))配成对并接地。数据表明，使用功函数较低的发射器来利用环境热量产生等温电是一种较好的做法。因此，根据各种实施例之一，优选的做法是采用具有低功函数值的发射极，该发射极低功函数值选自0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.0,和2.2eV,和/或这些值的任何两个范围内,在250至1500开尔文(K)的温度范围内等温发电使用。

图18c给出了输出电压V(c)为4.00伏特(V)时等温电子发电机系统的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)随工作环境温度T和随一系列发射器功函数(WF(e))值的变化的示例。系列发射器功函数(WF(e))值包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,和2.0电子伏特(eV)，每个发射器功函数值与集电极功函数(WF(c)＝5.91eV,铂(Pt(111)))配成对，且发射极接地。数据表明，使用功函数值较低的发射器来利用环境热量产生等温电是一种较好的做法。因此，根据各种实施例之一，采用具有低功函数值的发射极是更优选的实践，该发射极低功函数值选自由0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,和1.8电子伏特(eV)，和/或在这些值中的任何两个值所限定的范围内，在250至1500开尔文(K)的温度范围内,以4.00伏特(V)的输出电压V(c)进行等温发电。

图18d给出了输出电压V(c)为5.00伏特(V)时等温发电机系统的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)随工作环境温度T和随一系列发射器功函数(WF(e))的变化的示例。系列发射器功函数值包括:0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,和0.9电子伏特(eV)，每个发射器功函数值与集电极功函数值(WF(c)＝5.91eV，铂Pt(111))配成对，且发射极接地。数据表明，使用功函数值较低的发射器来利用环境热量产生等温电是一种较好的做法。因此，根据各种实施例中的一个，优选的做法是使用具有低功函数值的发射极，该发射极低功函数值选自:0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,和0.9电子伏特(eV),和/或这些值中的任意两个值限制的范围,在250到900开尔文(K)的温度范围内，以5.00伏特(V)的输出电压V(c)进行等温发电。

图19a给出了在273、293、298和303开尔文的工作环境温度(T(K))下，发射器接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.50eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.60eV，石墨烯和/或石墨)的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线,随输出电压V(c)从0.00到4.10伏特(V)时的变化的示例。这些曲线表明，在273、293、298和303开尔文(K)的每个工作环境温度下，等温电流密度在0.00至4.00伏特(V)的输出电压V(c)范围内都非常恒定(稳定)。当输出电压V(c)超过4.00V上升到4.10V的极限时，等温电流密度急剧降低到零。输出电压为3.50V时的稳态等温电流密度水平可随工作环境温度上升而急剧增加,从温度在273K(0℃)时的5.26x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)增加到293K(20℃)时的2.59x10^-2,298K(25℃)时的3.73x10^-2和303K(30℃)时的5.32x10^-2安培/平方厘米(A/cm²)。

图19b给出了在253、263、273和277开尔文(K)的冷冻和/或冷藏温度(T(K))下，发射极接地的一对发射器功函数(WF(e)＝0.50eV)和集电极功函数(WF(c)＝4.60eV，石墨烯和/或石墨)的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)曲线,随输出电压V(c)从0.00到4.10伏特(V)时的变化的示例。这些曲线表明，在253、263、273和277开尔文(K)的每个工作温度(T(K))下，等温电流密度在0.00至4.00V的输出电压V(c)范围内都非常恒定。只有当V(c)升高到4.00伏特(V)以上，达到4.10伏特(V)的极限时，等温电流密度急剧降低至零。在输出电压为3.50伏特(V)时的稳态饱和等温电流密度随着温度急剧增加,从253K(-20℃)时的8.42x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)增加到263K(-10℃)时的2.18x10^-3，273K(0℃)时的5.26x10^-3，和277K(4℃)时的7.36x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)。

图19c给出了等温发电机系统的理想等温电子发电电流密度(A/cm²)随工作环境温度(T(K))和随一系列发射器功函数(WF(e))的变化的示例。其中的一系列发射器功函数(WF(e))值包括0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6,2.8,3.0,和3.5电子伏特(eV)，每个发射器功函数(WF(e))值都与一个收集器功函数(WF(c)＝4.60eV，石墨烯和/或石墨)配成对，且发射极接地。数据表明，使用功函数较低的发射器利用环境热量产生等温电是一种较好的做法。因此，根据各种实施例之一，优选的做法是使用具有低功函数的发射极，该发射极低功函数选自0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.2,2.4,2.6,2.8,和3.0电子伏特(eV),和/或这些值中的任何两个范围内,在200-2000开尔文(K)的温度范围内等温发电使用。

图20给出了包括多对串联工作的发射器和收集器的集成等温电子发电机系统1300的示例。如图20所示，系统1300包括四个平行的导电体板1301、1302、1321和1332，其在导电体板之间设置有势垒阻隔空间(例如真空空间)1304、1324和1334。因此，第一导电板1301的右侧表面覆盖有用作第一发射极的低功函数(LWF)薄膜(薄层)1303；第二导电板1302的左侧表面涂覆有用作第一集电极的高功函数(HWF)薄膜1309，而其右侧表面涂覆有用作第二个发射器的低功函数(LWF)薄膜1323。第三导电板1321的左侧表面涂覆有用作第二集电器的高功函数(HWF)薄膜1329，而其右侧表面涂覆有用作第三个发射器的低功函数(LWF)薄膜1333。第四导电板1332的左侧表面覆盖有用作第三(端子)集电极的高功函数(HWF)薄膜1339的薄层。第一势垒空间1304允许热电子流1305在第一对发射器1303和收集器1309之间弹道地飞越穿飞过；第二势垒阻挡空间1324允许热电子流1325在第二对发射器1323和收集器1329之间弹道穿飞飞越通过；第三阻挡空间1334允许热电子流1335在第三对发射器1333和收集器1339之间弹道地穿飞飞越通过。

根据各种实施例中的一个，优选的做法是采用：如图20所示，第一电容器1361连接在第一导电板1301和第二导电板1302之间,第二电容器1362连接在第二和第三导体板1302和1321之间,在第三和第四导体板1321和1332之间使用了第三电容器1363。以这种方式使用电容器通常可以提供更好的系统稳定性和稳健的等温电子发电电力输送。在该示例中，在第一导电体板1301接地的情况下，可以根据特定的输出功率需求，通过电力出口端子1306和1376或1377来输送等温电。当等温电通过一对发射极和集电极由出口端子1306和1376输送时，根据发射极和集电极之间的负载电阻和功函数差异,系统工作条件的不同，稳态工作输出电压V(c)通常等于约为3-4伏特(V)。当等温电通过出口端子1306和1377跨三对发射极和集电极传递时，稳态工作输出电压为3x V(c)，在此示例中通常约为9-12伏特(V)。

根据各种实施例中的一个例子，系统1300的等温电(图20)也可以通过电力出口端子1376和1377进行输送。在这种情况下，第二导电板1302上的V(c)电压由第一发射极(具有LWF膜1303的导体1301)和第一集电极(HWF板1309)的活性产生的,可以用作第二发射体(第二电导体板1302的右侧表面上的LWF膜1323)的偏置电压，从而将使第二发射器1323更容易地向第三导体板1321的左侧表面上的第二收集器1329发射热电子。随后，在第三导体的第二收集器1329处产生V(c),可以用作在第三导体板1321右侧的第三发射极1333的偏置电压，以便更容易地向第四导体板1332处的端子集电极1339发射热电子，以促进等温电流的产生,通过出口端子1376和1377来输送等温电。因此，使用此特殊功能可以帮助更好地提取环境能量，尤其是在工作环境温度较低或仅用某些发射器的功函数可能不足以完全有效地工作时。当通过出口端子1376和1377输送等温电时，稳态工作输出电压为2xV(c)，在这种情况下通常约为6～8伏特(V)。

图21a示出了用于等温电子发电机系统1400A的原型的示例，其具有安装在真空管腔中的一对发射器(功函数为0.7eV)和集电器(功函数为4.36eV)。如图21a所示，系统1400A包括涂覆在电导体板1401的右侧表面上以用作发射极的低功函银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄膜1403的薄层，允许热电子流体1405在发射器和收集器之间弹道地穿飞飞越通过的真空空间1404。高功函数钼(Mo)膜1439涂覆在面对着发射器板1403的第二电导体板1432的左侧表面上,以用作收集器，真空管壁1450与电导体板1401和1432的边缘接触,以允许环境热能在管壁与电导体板1401(发射器)和1432(收集器)之间传递，与第一电导体板1401连接的第一电力出口插座1406，与第二电导体板1432连接的第二电力出口插座1477，连接在两个电力出口插座1406和1477之间的电容器1461，并与第一电力出口插座1406连接的接地1410。

等温发电机系统1400A(图21a)类似于图16b的原型，与图16b的原型相比，不同之处在于真空管壁1450与系统1400A中两个电导体板1401和1432的边缘的有效导热接触，它可以更有效地将环境热量从管壁传递到发射器和收集器系统。此外，与图16b的原型相比，如图21a所示，将地线1410和电容器1461与电力出口插座1406和1477一起使用,也为等温发电和输送提供了更稳定和更好的系统性能。

如表6所示，钼(Mo)膜的功函数为约4.36eV，并且,银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜的功函数可以为0.5至1.2电子伏特(eV)之间的任何值。在如图21a所示的等温发电机系统1400A的示例中，一种银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜的功函选择为0.7eV,用作发射极，而钼(Mo)膜的功函选择为4.36eV,用作集电极。因此，当通过出口端子1406和1477输送等温电时，在这种情况下，稳态工作输出电压通常可以约为3.5伏特(V)。在标准环境温度298K(25℃)下，其饱和等温电子发电电流密度(在3.5伏特(V)输出电压下)为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。该系统在各种输出电压V(c)下的理想等温电流密度(A/cm²)与工作温度T的函数关系的特征模式也类似于具有一对发射器功函数(0.70eV)和集电极功函数(4.56eV，铜Cu(110))的系统的特征模式,示于图17b。

图21b示出了用于等温发电机系统1400B的原型的示例，其具有安装在真空管腔室中的两对发射器(功函数为0.7eV)和集电器(功函数为4.36eV)。如图21b中所示，系统1400B包括：薄层低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1403，其涂覆在第一导电板1401的右侧表面上以用作第一发射极；第一真空空间1404允许热电子流1405在第一对发射器和收集器之间弹道穿飞飞越通过。涂覆在面对第一发射极的第二电导体板1402的左侧表面上的高功函数(4.36eV)的钼(Mo)膜/板1409用作第一集电体；低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄膜1423覆盖在第二导电板1402的右侧表面上以用作第二发射极。第二真空空间1424允许热电子流1425在第二对发射极和收集极之间弹道穿飞飞越通过。涂覆在面对第二发射极的第三导电板1432的左侧表面上的高功函数钼(Mo)膜/板1439用作端子集电极；真空管壁1450，其与三个电导体板1401、1402和1432的边缘接触，以允许环境热量从管壁传递到导电体板1401(发射器)、1402(收集器/发射器)和1432(收集器)；第一电力出口插座1406与第一导电板1401连接。第二电力出口插座1476与第二导电板1402连接。第三电力出口插座1477与第三导电板1432连接。连接在第一导电板1401与第二导电板1402之间的第一电容器1461。第二电容器1462，其连接在第二和第三导电板1402和1432之间。接地1410与第一导体板1401连接。

等温发电机系统1400B(图21b)与系统1400A(图21a)类似，不同之处在于中间电极板1402的左侧表面涂有钼(Mo)膜1409和在其右侧表面上涂有的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜,同时用作第一集电极和第二发射极。因此，该系统具有两对串联的发射器和收集器。根据等式18，当串联使用多个(n个)不对称门控的等温发电机时，总稳态输出电压(V_st(total))是来自每个不对称门控等温发电机的输出电压之和。因此，当通过出口端子1406和1477输送等温电时，在该示例中，系统1400B的总稳态输出电压(V_st(total))约为2×3.5伏特(V)。但是，在298K(25℃)的标准环境工作温度下，总饱和等温电子发电电流密度(在7伏特(V)输出电压下)仍约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

此外，该系统1400B设计提供了一种以通过出口端子1476和1477输送等温电的选项，从而留下由第一对发射极(银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1403)和集电极(钼(Mo)膜/板1409)产生的V(c)电压(约3.5伏特(V)),作为第二发射极(第二导体板1402右侧表面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1423)的偏置电压，以便它更容易地发射电子,飞向第三导体板1432的终端集电极(钼(Mo)膜/板1439)。有时，使用此选项可以帮助更好地提取环境热能，特别是在工作环境温度较低或仅用某一发射器的功函数可能不足以发挥有效作用时。在此示例中，当通过出口端子1476和1477输送等温电时，稳态工作输出电压通常约为3.5伏特(V)。

图21c示出了用于集成等温电子发电机系统1400C的原型的示例，该系统具有安装在真空管中的三对发射器(功函数为0.7eV)和集电器(功函数为4.36eV)。如图21c中所示，系统1400包括：低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄层膜1403，其涂覆在第一导电板1401的右侧表面上以用作第一发射极；第一真空空间1404，其允许热电子流1405在第一对发射器和收集器之间弹道地飞越通过；一种(高功函数4.36eV)钼(Mo)膜/板1409被涂覆在面对第一发射极的第二电导体板1402的左侧表面上,以用作第一集电极；在第二导电板1402的右侧表面上涂覆一层低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄膜1423，以用作第二发射极；第二真空空间1424允许热电子流1425在第二对发射极和收集极之间飞越,以弹道方式通过。一种(高功函数4.36eV)钼(Mo)膜/板1429，被涂覆在面对第二发射极的第三电导体板1421的左侧表面上，以用作第二集电极；在第三导电板1421的右侧表面上涂覆一层低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄膜1433，以用作第三发射极；第三真空空间1434允许热电子流1435在第三对发射极和收集极之间弹道地飞越通过。一种(功函数4.36eV)钼(Mo)膜/板1439，被涂覆在面对第三发射极的第四电导体板1432的左侧表面上，以用作端子集电极板；真空管壁1450，其与电导体板1401、1402,1421和1432的边缘接触，以允许环境热量从管壁传递到电导体板1401(发射极)、1402(集电极/发射极)，1421(收集器/发射极)和1432(收集器)；第一电力出口插座1406与第一导电板1401连接。与第二导电板1402连接的第二电力出口插座1476。第三电力出口插座1477与第四导电板1432连接。第一电容器1461连接在第一导电板1401和第二导电板1402之间。第二电容器1462连接在第二和第三导电板1402和1421之间。第三电容器1463连接在第三导电板1421和第四导电板1432之间。接地1410与第一导电板1401连接。

如图21c所示，根据特定的输出功率需求，该示例中的等温电可以通过出口端子1406和1476或1477输送。当等温电通过一对发射极和集电极的出口端子1406和1476输送时，稳态工作输出电压等于V(c)，根据系统工作条件(包括负载的阻抗,发射极和集电极之间功函数的差异)，该工作电压通常约为3.5伏特(V)。在298K(25℃)的标准环境温度下，饱和等温电流密度(在7伏特(V)输出电压下)约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

根据等式18，当等温电通过出口端子1406和1477跨三对发射器和收集器输送时，稳态工作输出电压通常可以高达约10.5伏特(V)。但是，总饱和等温电流密度(在输出电压为10.5伏特(V)时)保持为约1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。在此示例中，标准环境温度为298K(25℃)。

更重要的是，当等温电通过出口端子1476和1477传递时，第一发射极(带有银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1403的1401)和第一集电极(Mo膜/板1409)的活动可用于产生约3.5伏特(V)的V(c),用作第二导体板1402的表面上的第二发射极(银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1423)的偏置电压。这样，第二发射极(银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1423)将更容易向第三导体板1421的第二收集器(钼(Mo)膜/板1429)发射热电子。随后，在第三导体板1421的第三收集器1429处产生增强的V(c)的可以起作用,作为偏置电压，可以使第三发射极更容易地向第四导体板1432的端子集电极1439,发射热电子。因此，使用此特殊功能,可以帮助更好地提取环境热能，特别是在工作环境温度相对较低或仅某些发射器的功函数可能不足以充分发挥作用的时候。当等温电通过出口端子1476和1477输送时，根据等式18，稳态工作输出电压通常可以约为7伏特(V)。在此示例中，在298K(25℃)的标准环境温度下，总饱和等温电流密度(在7伏特(V)输出电压下)保持约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例中的一例，一对平行的发射极板和集电极板的系统电容反过来取决于它们的间隔距离(d)。优选的做法是通过适当地将发射极表面和集电极表面之间的间隔距离(d),从100毫米(mm)缩小到应小至微米和/或亚微米级的刻度,根据特定的应用和操作条件，以选定间隙大小来增加每对发射极和集电极板之间的电容。这样，可以消除使用外部电容器的需要。此外，在发射极板和集电极板之间使用狭窄的(微米和/或亚微米)的空间间隙也可以帮助限制在电极间空间中形成静态电子空间电荷云，从而获得更好的系统性能。图22示出了集成等温发电机系统1500的示例，其安装在垂直设置的真空管腔室中的三对发射器和收集器中的每对具有窄的电极间间隙尺寸(间隔距离d)。系统1500(图22)包括以下组件，该组件从其顶部到底部安装在真空管腔中：LWF(低功函)膜1503涂覆在第一电导体板1501的底面上以用作第一发射器，第一狭窄空间1504，其允许热发射电子1505在第一对发射极和集电极之间弹道地飞越流动，涂覆在第二电导体1502顶表面上的HWF(高功函数)膜1509用作第一集电极，LWF(低功函)的膜1523涂覆在第二电导体1502的底表面上以用作第二发射极，允许热发射电子1525在第二对发射极和集电极之间弹道地飞越流过的第二狭窄空间1524，在第三电导体1521的上表面上涂覆的HWF(高功函数)膜1529以作为第二集电体，在第三电导体1521的底表面上涂覆的LWF膜1533用作第三发射极，第三狭窄空间1534，其允许热发射电子1535在第三对发射极和收集极之间弹道地飞越流过，在第四电导体1532的顶表面上涂覆的HWF(高功函数)膜1539用作端子(第三)集电极，与第一导电板1501连接的第一电力出口插座1506(+)和地线1510，与第四导电体1532连接的第二电力出口插座1537(-)。

集成的等温发电机系统1500(图22)与系统1400C(图21c)类似，不同之处在于仅将第一电导体板1501和终端导体板1532布线以提供电力出口插座1506和1507。在该示例中，第一导电板1501与端子(第四)导电板1532之间的第二导电板和第三导电板中的每一个被设计为同时在其顶表面上用作集电极，并且在其底表面上同时用作发射极。例如，导体板1502在其顶面上朝上以接收来自位于狭窄空间1504上方的第一发射器(LWF膜1503)的热发射电子1505的集电极(HWF膜1509)和在底侧上的发射器(LWF膜1523)向下发射热电子1525。同时，导体板1521在其顶表面上朝上具有HWF膜1529，以接收来自位于狭窄空间1524上方的第二发射器(LWF膜1523)的热发射电子1525，在其底部具有LWF膜1533以发射热电子1535向下落下到端子导体1532上的端子集电器(HWF 1539)。在此示例中，当等温电通过出口端子1506和1537在三对发射极和集电极之间传递时，最大总稳态工作输出电压通常可以约为9-12伏特(V)。

根据各种实施例之一，如图22所示,优选使用非对称功能门控热电子发电系统的方法,是利用其发射器方向朝下,而其位于较低位置的集电极板面方向朝上，以便可以利用重力,为了更好地收集来自放置在较高位置的发射器发出的热发射电子。通过这种方式，这个系统可以利用重力来帮助将电子从上方的发射器拉到下方的收集器。尽管重力的影响可能较小，但它可以帮助确保一些动能几乎为零的热发射的电子随重力向下传播到集电极。根据本发明的各种实施例之一，任何热发射的电子在进入收集器之后，它们对等温电的贡献同样良好。

例如，某些发射的电子可能具有非常有限的动能，可能不足以克服收集器电极表面电子的排斥力而立即进入收集电极。重力的使用提供了两种作用，这些作用有益于收集从发射电极来的电子。首先，它可以在某种程度上帮助加速来自发射器的电子更快地向下移动到收集电极中。第二个效果是通过使用重力以这种方式帮助将这些发射的电子中的一些,本地化定位在集电极板表面和真空空间之间的界面处(和/或附近)。类似地，如先前用本地化质子所证明的那样，本地化电子种群密度的使用可以增强环境热的利用,以有益于利用热电子发电。例如，由于包括本地化自由电子在内的自由电子可通过吸收来自环境中的红外辐射而在集电极表面和真空空间之间的界面上获得额外的动能，因此在真空空间与收集电极板表面之间的界面上本地化电子浓度的提高,提高了本地化电子利用其热运动能量最终进入集电极的可能性。在电子进入通常具有相对较高的功函的集电极之后，无论其在进入之前或之后的初始动能如何，其对热电子功率产生的贡献基本上是确定的。

根据各种实施例之一，用于通过利用与本地化电子相关的电子热运动能来产生有用的吉布斯自由能的这种特殊的能量技术过程具有其特殊的特征，即通过对环境热能的特殊利用而产生的本地化电子动力势(Local emf)。可以根据以下公式计算表达：

其中R是气体常数，T是绝对温度，F是法拉第常数，

是在集电极表面和真空空间之间的界面处的本地化电子浓度，

是在整体真空空间中非本地化的电子浓度。

有了这个本地化电子动力势(emf)公式22,现在首次了解到,如等式22所示，该本地化电动势是对界面处的本地化电子浓度

与真空空间体积中非本地化的电子浓度

之比的对数函数。根据各种实施例之一，该本地化电动势的适当应用,可以促进热电子通过间隙空间-收集器表面的界面进入收集器。例如，使用带正电荷的分子官能团修饰的集电极表面和/或使用重力可将发射的电子带到间隙空间-集电极表面的界面，在此处形成本地化电子动力势，从而有助于克服集电极表面的偶极子阻挡层，以促进热电子进入收集器，以增强等温电子发电。

根据各种实施例之一，许多个发射器-收集器对可以作集成系统使用,其等温电子发电的效果是累加的。根据给定的特定应用及其相关的工作条件(例如温度条件)以及势垒空间的属性(例如其厚度和成分，发射极和集电极以及其他物理化学特性)，为了等温地提取环境热能以发电，如图22所示，每个集成系统可以使用的发射器-收集器对的数量可以选自:1、2、3、4、5、6、7、8、8、9，10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、500、1000、2000、5000、10,000、100,000、1,000,000，更多和/或在这些值中的任何两个范围内。

图23示出了集成等温发电机系统1600的另一示例，该系统具有三对发射器和收集器，该三对发射器和收集器安装在垂直设置的真空管腔中，以利用重力来帮助将来自发射器的电子下拉至收集器。系统1600(图23)包括以下组件，该组件从其顶部到底部安装在真空管容器中：LWF(低功函数)膜1603涂在圆顶形顶端的真空管壁1650内表面上，用作第一发射器，其具有与电容器1611相连的电力出口插座1606(+)，电容器1611与接地1610连接，第一真空空间1604允许热发射电子1605弹道飞越流过,HWF(高功函数)膜1609用作电导体1602的顶表面上的第一集电极，低功函数(LWF)膜1623作为电导体1602的底表面上的第二发射极，第二真空空间1624允许热发射电子1625弹道飞越流过，HWF(高功函数)膜1629作为电导体1621顶表面上的第二集电极，LWF膜1633作为电导体1621底表面上的第三发射极，第三真空空间1634允许热发射的电子1635弹道飞越流过，并且在真空管的倒圆顶形底端内表面上涂覆了HWF(高功函数)膜1639，用作与电力出口插座1637(-)连接的终端集电器。当通过三对发射极和集电极通过出口端子1606和1637输送等温电时，在此示例中，最大总稳态工作输出电压通常可以约为9到12伏特(V)。

集成的等温发电机系统1600(图23)与系统1500(图22)类似，不同之处在于：1)系统1600使用真空管腔室圆顶形顶端的内表面,作为通过涂覆LWF(低功函数)膜1603来构造第一发射极的物理载体；2)利用真空管腔的倒圆顶形底端的内表面通过涂覆HWF(高功函)膜1639来构造端子集电器；3)第一发射极具有与电容器1611连接的电力出口插座1606(+)，该电容器1611与大地1610相连，而终端集电器与电力出口插座1637(-)相连。这些特征使得集成的等温发电机系统1600比系统1500更紧凑。在电力出口1606(+)和地线1610之间可选择使用电容器1611,这也提供了一种减少和/或调制发射极处的可能电压的额外方法,以提高系统性能。

根据各种实施例之一，在等温发电期间，诸如系统1300、1400、1500和1600中的那些的有效发射器,如图20-22所示,吸收来自外部环境的热能并且利用环境热能来发射电子。提供从环境到发射器的有效导热很重要。系统1500(图22)提供了一个示例，其中环境热能主要通过管壁-导电板的接头流到导电板表面上的发射器。因此，优选的做法是在制造管壁时使用导热材料，更重要的是在制造管壁-导体板的接头时使用导热材料，以确保将环境中热能有效地从环境传导到发射器。

集成的等温发电机系统1600(图23)提供了一个发射器的示例，该发射器通过涂覆低功函(LWF)膜1603构造在真空管腔的圆顶形顶端的内表面上。真空管圆顶形顶壁内表面和发射器之间的接触可以有利地促进从管壁环境到发射器的热传递。

根据各种实施方案之一，通过在表面上添加某些带正电的分子结构例如质子化的胺基来工程化构建收集器表面。如国际专利申请出版物WO2017/007762 A1和美国专利申请出版物US 2017/0009357 A1中所公开的那样，通过使用静电本地化的过量质子的质子化方法,制备的在其表面上具有质子化的胺基(正电荷)的质子化的(聚)苯胺,被选择用作这个实施例中使用质子化方法的收集电极。

根据各种实施方案之一，在集电极电极表面上的带正电荷的基团，例如质子化的胺基，在促进从发射电极发射来的电子的收集方面,提供了许多有益的效果：1)吸引从发射电极发射来的电子,导致集电极表面附近的本地化电子云浓度

的增加，从而根据等式22,可以更好地利用其环境热能,促进真空电子进入集电极而发电；2)中和集电极表面的负表面偶极子(如果有的话)；3)平衡由于收集的电子在集电极中的积累而产生的负表面电势，以用于更多的电子能量存储。

图24a展示了一个等温电子发电机系统1700A的示例，该系统具有低功函(0.6eV)银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜发射极和高功函(4.42eV)质子化聚苯胺膜收集器，该发射极安装在具有圆顶形的顶端和收集器安装在圆顶形的底端。系统1700A(图24a)包括以下组件，该组件从其顶部到底部安装在腔室型真空管中：在腔室的圆顶形顶部内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1703用作发射器；腔室式真空管壁1750；质子化的聚苯胺膜1739被涂敷在腔状真空管的倒圆顶状的底部内表面上，作为集电极；真空空间1704允许热发射的电子1705在发射器1703和集电极1739之间弹道飞行飞越；与发射器1703连接的电力出口插座1706(+)；以及与集电器1739连接的电力出口插座1737(-)。当通过出口端子插座1706和1737输送等温电时，稳态工作输出电压通常约为3.5伏特(V)。在此示例中，在298K(25℃)的标准环境温度下，其饱和等温电子发电电流密度(在输出电压3.5伏特(V)时的)最大为7.59x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)。

图24b示出了集成等温发电机系统1700B的示例，该系统具有两对串联的发射器和收集器，它们采用银-氧-铯(Ag-O-Cs)的低功函(0.6eV)和质子化的聚苯胺的高功函(4.42eV)。系统1700B(图24b)包括从其顶部到底部安装在真空管腔室中的以下组件：涂在真空管圆顶形顶端内表面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1703用作发射极,真空管腔室壁1750,第一发射器具有的电力出口插座1706(+)，允许热发射电子1705弹道飞越流过的真空空间1704，质子化的聚苯胺膜1709涂在中间的导电体1702顶面上用作第一收集器，在中间电导体1702的底表面处的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1723作为第二发射极，允许热发射电子1735弹道流过的第二真空空间1734，在真空管的倒圆顶形底端表面上的质子化的聚苯胺膜1739,用作与电力出口插座1737(-)连接的端子集电器。当等温电通过出口端子1706和1737输送时，根据等式18，稳态工作输出电压通常可以约为7伏特(V)。在此示例中，在标准环境温度298K(25℃)下，饱和等温电流密度(在7伏特(V)输出电压下)约为7.59x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)。

图24c示出了具有三对串联工作的低功函(0.6eV)银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器和高功函数(4.42eV)的质子化聚苯胺收集电极的集成等温发电机系统1700C的示例。系统1700C(图24c)包括从顶部到底部安装在真空管腔中的以下组件：涂在真空管壁圆顶形顶端内表面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1703成为第一个发射器；真空管腔室壁1750；质子化的聚苯胺膜1709(集电体)被涂布在第一中间电导体1702的上表面上，作为第一收集器；第一真空空间1704允许热发射的电子1705在第一发射器和第一收集器之间弹道飞行飞越；在第一中间电导体1702底面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1723用作第二发射极；质子化的聚苯胺膜1729覆盖在第二中间电导体1721的上表面上，作为第二收集器；第二真空空间1724允许热发射电子1725在第二发射极和第二收集极之间弹道飞行飞越；涂覆在第二中间电导体1721底表面上以用作第三发射极的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1733；涂覆在真空管的倒圆顶形底端内表面上的质子化聚苯胺膜1739以用作第三(终端)收集器；第三真空空间1734允许热发射电子1735在第三发射极和终端集电极之间弹道飞行飞越；第一电力出口插座1706(+)与第一发射极1703连接；第二电力出口插座1737(-)与第三(终端)集电体连接。当等温电通过电力出口端子1706和1737在三对发射极和集电极之间传递时，根据公式18，最大总稳态工作输出电压通常可以约为10.5伏特(V)。在此示例中，在标准环境温度298K(25℃)下，饱和等温电流密度(在10.5伏特(V)的输出电压下)约为7.59x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例之一，基于等温电子的环境热能利用系统包括银-氧-铯(Ag-O-Cs)的低功函和Cu金属的高功函。图25a示出了等温电子发电机系统1800A的另一示例，该等温发电机系统具有安装在室形真空管中的低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数(4.56eV)的Cu金属收集器。系统1800A(图25a)包括以下组件，该组件从其顶部到底部安装在室形真空管中：在室的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1803用作发射器；圆顶室状的真空管壁1850；真空空间1804允许热发射的电子1805在发射器1803和集电极1839之间弹道地飞越流过；在室状真空管的倒圆顶状的底端内表面上覆盖有Cu膜/板1839，以作为收集器1839；第一电力出口插座1806(+)与发射极1803连接；第二电力出口1837(-)与集电极1839连接。当等温电通过出口端子1806和1837传输时，最大总稳态工作输出电压通常约为3.5伏特(V),在此示例中，在标准环境温度298K(25℃)下，饱和等温电子发电电流密度(在3.5伏特(V)输出电压下)约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

图25b示出了集成等温电子发电机系统1800B的另一个示例，该系统具有串联运行的两对低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)(0.7eV)发射器和高功函数的Cu金属(4.56eV)的收集器。系统1800B(图25b)包括从顶部到底部安装在真空管腔中的以下组件：在真空管腔的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1803用作第一发射器；真空管腔壁1850；第一真空空间1804，其允许热发射电子1805弹道地飞越流过第一对发射器和收集器之间；覆盖在中间电导体1802顶面上的Cu膜1809用作第一集电体；银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1823被涂覆在中间电导体1802的底面上以用作第二发射极；第二真空空间1834允许热发射电子1835弹道地飞越流过第二对发射极1823和集电极1839之间；在真空管室的倒圆顶状的底端内表面上覆盖有Cu膜1839，以作为端子集电体；与第一发射极1803连接的第一电力出口插座1806(+)；第二电力出口插座1837(-)与终端集电器1839连接。

当等温电通过电力出口端子1806和1837跨两对发射极和集电极传输时，系统1800B的最大总稳态工作输出电压(图25b)通常约为7伏特(V)。在此示例中，在298K(25℃)的标准环境温度下，总饱和等温电子发电电流密度(输出电压为7伏特(V)时)约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

图25c示出了集成的等温电子发电机系统1800C的另一示例，该系统具有三对其采用低功函(0.7eV)银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器和高功函(4.56eV)Cu金属收集器的串联操作。系统1800C(图25c)包括从顶部到底部安装在真空管中的以下组件：涂在真空管壁圆顶形顶端内表面上的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1803用作具有电力出口1806(+)的第一发射器；真空管壁1850；第一真空空间1804允许热发射的电子1805弹道飞越流过；在导体1802顶面的Cu膜1809用作电第一集电极；在电导体1802底面的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1823作为第二发射极；允许热发射电子1825弹道飞越流过的第二真空空间1824；在导电体1821上表面的Cu膜/板1829作为第二集电极；在导电体1821的下表面的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1833作为第三发射极；允许热发射电子1835弹道飞越流过的第三真空空间1834；和涂在真空管的倒圆顶形底端的内表面的Cu膜1839用作与电力出口插座1837(-)连接的端子集电器。当等温电通过出口端子1806和1837跨三对发射极和集电极传输时，最大总稳态工作输出电压通常约为10.5伏特(V)。在此示例中，在298K(25℃)的标准环境温度下,总饱和等温电子发电电流密度(在10.5伏特(V)的输出电压下)约为1.55x10^-5安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例之一，基于等温电子的环境热能利用系统包括银-氧-铯(Ag-O-Cs)的低功函和金(Au)金属的高功函。图26示出了集成等温发电机系统1900的另一个示例，该系统采用三对串联工作的极低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)(0.5eV)发射器和高功函数的金(Au)金属(5.10eV)收集器。系统1900(图26)包括从其顶部到底部安装在真空管腔中的以下组件：在真空管腔的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜(发射极)1903用作具有电力出口插座1906(+)的第一发射器；真空管腔壁1950；第一真空空间1904允许热发射电子1905弹道地飞越流过第一对发射器1903和收集器1909之间；在第一中间导电体1902的上表面涂布金(Au)膜1909，作为第一集电体；在第一中间导电体1902的底面上涂布银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1923作为第二发射极；第二真空空间1924允许热发射电子1925弹道地飞越流过第二对发射极1923和集电极1929之间；在第二中间导电体1921的上表面涂覆金(Au)膜1929，作为第二集电极；在第二中间导电体1921的底面上涂布银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜1933作为第三发射极；第三真空空间1934允许热发射电子1935弹道地飞越流过第三对发射器1933和集电极1939之间；在该真空管室的倒圆顶状的底端的内表面上形成有金(Au)膜1939，该金(Au)膜1939用作与电力出口插座1937(-)连接的端子集电体。当等温电通过出口端子1906和1937在三对发射极和集电极之间传输时，最大总稳态工作输出电压通常可以约为12伏特(V)。在此示例中，在298K(25℃)的标准环境温度下,总饱和等温电子发电电流密度(在12伏特(V)输出电压下)约为33.73x10^-2安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例中的一个，基于等温电子的环境热能利用系统包括低功函的掺杂石墨烯发射极和高功函的石墨集电极。图27示出了集成等温发电机系统2000的另一示例，其采用了掺杂石墨烯的低功函(1.01eV)和石墨的高功函(4.60eV)。系统2000(图27)包括从其顶部到底部安装在真空管中的以下组件：涂覆在真空管壁2050的圆顶形顶端的内表面上的掺杂石墨烯膜(发射极)2003,用作具有电力出口2006(+)的第一发射器；允许热发射电子2005弹道飞越流过的第一真空空间2004；在第一中间电导体2002顶面上的石墨膜2009用作集电极；在第一中间电导体2002的底表面上的掺杂石墨烯膜2023作为第二发射极；允许热发射电子2025弹道飞越流过的第二真空空间2024；在第二中间电导体2021上表面的石墨膜2029作为第二收集器；在第二中间电导体2021的下表面的掺杂石墨烯膜2033作为第三发射极；允许热发射电子2035弹道飞越流动的第三真空空间2034；并且在真空管的倒圆顶形底端的内表面上覆盖有一层石墨膜2039，以用作与电力出口插座2037(-)连接的端子集电器。当等温电通过出口端子2006和2037跨三对发射极和集电极传输时，最大总稳态工作输出电压通常可以约为9伏特(V)。在以下工作温度下,总理想饱和等温电子发电电流密度(输出电压为9伏特(V)时)分别为：在298K(25℃)时为1.30x10^-10安培/平方厘米(A/cm²)，在373K(100℃)时为5.14x10^-7安培/平方厘米(A/cm²)，在473K(200℃)时为5.94x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)，在573K(300℃)时为6.31x10^-2安培/平方厘米(A/cm²)，在673K(400℃)时为1.76安培/平方厘米(A/cm²)，在763K(490℃)时为17.3安培/平方厘米(A/cm²)，在823K(550℃)时为61.1安培/平方厘米(A/cm²)和在873K(600℃)时为154安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例中的一个，基于等温电子的环境热能利用系统包括低功函的掺杂石墨烯发射极和高功函的石墨烯集电极。图28示出了集成等温发电机系统2100的另一示例，其采用多对低功函数掺杂石墨烯(1.01eV)发射极和高功函数石墨烯(4.60eV)集电极。系统2100(图28)包括从其顶部到底部安装在真空管腔室中的以下组件：涂覆在真空管腔室壁2150的圆顶形顶端内表面上的掺杂石墨烯膜(发射极)2103用作具有电力出口2106(+)的第一发射器；允许热发射电子2105弹道飞越流过第一对发射器2103和集电极2109之间的第一真空空间2104；位于第一中间电导体2102顶表面上的石墨烯膜2109用作第一集电极；掺杂石墨烯薄膜2123涂覆在第一中间电导体2102底表面上用作第二发射极；第二真空空间2124允许热发射电子2125弹道飞越流过第二对发射极2123和集电极2129之间；在第二中间电导体2121顶表面上涂覆的石墨烯膜2129以用作第二集电极；在第二中间电导体2121的底表面上涂覆有掺杂石墨烯膜2133作为第三发射体；第三真空空间2134以允许热发射的电子2135弹道地飞越流过第三对发射体2133和集电极2139之间；并且在真空管腔的倒圆顶形底端内表面上涂覆有的石墨烯膜2139,用作与电力出口插座2137(-)连接的端子收集器。当通过出口端子2106和2137输送等温电时，在此示例中，通过三对串联工作的发射极和集电极等温电子发电的最大总稳态工作输出电压,通常可以约为9伏特(V)。在以下工作温度下的总理想饱和等温电子发电电流密度(在9伏特(V)输出电压下)分别为：在298K(25℃)时为1.30x10^-10安培/平方厘米(A/cm²)，在373K(100℃)时为5.14x10^-7安培/平方厘米(A/cm²)，在473K(200℃)时为5.94x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)，在573K(300℃)时为6.31x10^-2安培/平方厘米(A/cm²)，在673K(400℃)时为1.76安培/平方厘米(A/cm²)，在763K(490℃)时为17.3安培/平方厘米(A/cm²)，在823K(550℃)时为61.1安培/平方厘米(A/cm²),在873K(600℃)时为154安培/平方厘米(A/cm²),在923K(650℃)时为354安培/平方厘米(A/cm²)和973K(700℃)时的750安培/平方厘米(A/cm²)。

根据各种实施例中的一个例子，本文公开的任何等温电子发电机系统可以被修改用于各种应用。例如，典型的智能手机设备(例如iPhone 6)每天(24小时)消耗约10.5瓦时。使用在本发明中公开的某些等温电子发电机系统,可以使得能够产生新一代的智能移动电子设备，它可以利用来自环境温度的环境中潜在的(现有隐藏的)热能来作等温电子发电,为智能移动设备(例如智能手机)持续永久供电，而无需任何常规的电源。例如，使用此处公开的一个约为40平方厘米(cm²)芯片大小的不对称功能门控等温发电机系统,具有3伏特(V)200毫安培(mA)等温电子发电电流输出,就足以为智能移动手机电话设备,永久持续供电使用。

根据各种实施例之一，高度优化的等温电子发电发电机系统，例如集成等温电子发电发电机系统1900，它采用了极低功函(0.5eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜和高功函(5.10eV)的金(Au)金属膜(图26中所示),其等温电子发电活性动力,可以强大到足以从–20℃(T＝253K)的低温环境中,提取环境热能。因此，可以使用这种高度优化的等温电子发电机系统为新型冷冻机和/或冰箱提供新颖的冷却，同时通过从冷冰柜(热源)内部等温提取环境热能来产生等温电。优化和利用极低功函数(0.5eV)的材料(例如银-氧-铯(Ag-O-Cs)薄膜作为发射体),对于此应用从冷箱内表面提取环境热能至关重要。用于该应用的集电极功函数材料不必是金(Au)膜，也可以使用功函数约为4.6eV的其他功函数材料，例如铜(Cu)金属膜，石墨烯和/或石墨导体。

如图19b所示，对于一对0.50eV的发射极功函数和4.60eV的集电极功函数，等温电子发电电流密度(A/cm²)随输出电压V(c)的变化曲线表明，这种类型的等温电子发电机系统甚至可以在253、263、273和277开尔文(K)的制冷和/或冷冻低温下工作。在3.50伏特(V)的输出电压下，稳态理想等温电子发电饱和电流密度为：在253K(-20℃)时的8.42x10^-4安培/平方厘米(A/cm²)、在263K(-10℃)时的2.18x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)、在273K(0℃)时的5.26x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)和277K(4℃)时的7.36x10^-3安培/平方厘米(A/cm²)。因此，在此示例中，等温电子发电机的冷却功率定义为发射极-集电极间空间的每平方厘米截面积的瓦特(W)数值：在253K(-20℃)时为2.88x10^-3瓦特/平方厘米(W/cm²),在263K(-10℃)时为7.63x10^-3瓦特/平方厘米(W/cm²)，在273K(0℃)时为1.84x10^-2瓦特/平方厘米(W/cm²)，在277K(4℃)时为2.58x10^-2瓦特/平方厘米(W/cm²)。典型的家庭大小的冷冻机/冰箱,通常需要72.5瓦特(W)电力运行,它的高度为174厘米，深度为80厘米，宽度为91厘米。它的总外表面积为74,068平方厘米(cm²)。即使在253开尔文(K)(-20℃)低温下,这一种不对称功能门控等温发电机的冷却功率密度为2.88x10^-3瓦特/平方厘米(W/cm²)。只要使用50％的冰箱表面积(74,068x 50％x 2.88x10^-3＝106瓦特(W))，就可以最大程度地输出106瓦特(W)的电力,加上新颖的106瓦特(W)的冷却功率，在此示例中,足以为整个家庭通常需要72.5瓦特(W)电力运行的冷冻机/冰箱,提供充裕的冷却和电力。

根据各种实施例中的一个例子，具有一对极低功函数(0.5eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜发射极和高功函数(4.60eV)的石墨烯收集器的不对称功能门控优化等温电子发电机系统,通过在产生等温电的同时等温地从冷冻机/制冷机内部提取环境热能，可用于为新型冷冻机/制冷机提供新颖的冷却，而无需任何常规制冷机构的压缩机，冷凝器，蒸发器和/或散热器等。

此外，根据各种实施例之一的某些等温电子发电机系统的使用可以通过利用来自多种废热源的废热来发电，这些废热源包括(但不限于)来自电气设备诸如电子计算机的废热，机动车辆引擎的废热,发动机的废热，空调热交换系统的废热，基于燃烧的发电厂的废热，燃烧系统的废热，基于热的蒸馏系统的废热，核电站的废热，地热热源，太阳能和光伏板产生的废热。

图29-31显示了等温电子发电机系统的其它原型，该系统包括一对低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜发射极板(尺寸：40毫米(mm)x 46毫米(mm))和高功函数的铜(Cu)膜集电板(尺寸：40毫米x 46毫米)安装在带螺帽(图31a)或非螺帽(图31b)的密封玻璃瓶(中国制造的中国名杯诺岩口杯)中。在电瓶原型设计中，每个瓶内的空气都可以通过真空泵轻松排出，从而形成真空状态。这些原型电瓶是通过与中国浙江省杭州市的一家私人照明电器设备制造公司的私人合作而制造的。

图29a展示了用铝绝缘板支撑的一对银(Ag)和铜(Cu)电极板(尺寸：40mm x 46mm)与电绝缘塑料垫片(垫圈)，其两个电极板中的每个电极板的四个角螺钉和螺母固定在一起形成一对银-氧-铯(Ag-O-Cs)型发射极(CsOAg)和经过或不经过氧等离子体处理的铜(Cu)集电器的照片。图29b展示了一对平行的铝板支撑的银(Ag)和铜(Cu)集电电极板(尺寸：40mm x 46mm)与电极板角上的电绝缘塑料垫片(垫圈),热收缩塑料管绝缘的金属螺钉和螺母固定在一起的情况。银(Ag)板和铜(Cu)集电板分别通过钎焊连接有涂有红色绝缘体的铜线和涂有蓝色绝缘体的铜线。通过用稀释的氧化铯溶液涂漆，在银(Ag)电极板表面上涂覆一层氧化铯(Cs₂O)薄分子层,然后干燥形成一种经过或不经过氧等离子体处理的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射体类型。这显示了如何组装一对原型银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极(CsOAg)和铜(Cu)集电极。

图30显示了CsOAg-Cu原型电瓶的零件照片，该电瓶包括一对平行的铝板支撑的CsOAg(镀有Cs₂O的银(Ag))膜发射极板和铜(Cu)集电板,安装有红色和蓝色的绝缘体涂层的铜线穿过螺口瓶盖。通过螺旋瓶盖中的两个附加孔安装了两个蓝色塑料空气管。电绝缘和气密的白色硅胶(Kafuter 704RTV)用于密封穿过瓶盖的电线和管子的接头。这显示了如何组装原型CsOAg-Cu电瓶。

图31a展示了一张照片，显示了使用螺口瓶盖瓶盖制造的四个原型CsOAg-Cu电瓶。每个电瓶包括一对平行的铝板支撑的CsOAg(一种银-氧-铯(Ag-O-Cs))发射极板和铜(Cu)集电极板，该电极表面安装有穿过螺口瓶盖的涂有红色和蓝色绝缘体的电线。安装并用电绝缘和气密的白色硅胶(Kafuter 704RTV)密封后，使用真空泵通过瓶盖带有的蓝色塑料管从每个电瓶中除去空气。图31b展示了17个CsOAg-Cu原型电瓶的照片，这些电瓶使用无螺纹的瓶盖瓶制成，并用电绝缘且气密的白色硅胶(Kafuter 704RTV)材料密封。

以下方法和步骤用于制造这些CsOAg-Cu原型电瓶(图31a和31b)：a)使用1.0毫米厚的铝板(尺寸：160毫米x184毫米，厚度为1.0毫米)作为机械支撑板材料；b)将预制的铜(Cu)膜(35-微米(μm)厚)用一层0.2毫米(mm)的粘性导热和电绝缘凝胶机械挤压到铝板上(尺寸：160毫米(mm)x 184毫米(mm),厚度为1.0毫米(mm))，形成铜膜(35微米厚)-绝缘凝胶(0.2毫米厚)-铝片(1毫米厚)结构；c)然后将10微米(μm)厚的银(Ag)膜电镀到铜膜(35微米(μm)厚)-绝缘凝胶(0.2毫米厚)-铝片(1毫米厚)结构上,使用包含硝酸银和氰化钾的银条电镀液(剧毒，必须由受过专业培训的专业人员小心使用防护设备进行处理)，才能生产出160毫米x 184毫米的银(Ag)膜(厚10微米(μm))-铜(Cu)膜(厚35微米(μm))-绝缘胶(0.2毫米厚)-铝片(1毫米厚)结构；d)机械切割160毫米x 184毫米的铜(Cu)膜绝缘凝胶铝片，以生产尺寸为40毫米x 46毫米的小块，用作高功函数的铜(Cu)集电板；e)类似地，将160毫米x184毫米的银(Ag)膜(厚度为10微米(μm))-铜(Cu)膜(厚度为35微米(μm))-绝缘凝胶(厚度为0.2毫米)-铝板(厚度为1毫米)切割成生产尺寸为40毫米x 46毫米的小块，用作银(Ag)板；f)通过用稀释的(10毫摩尔(mM))Cs₂O溶液涂覆在银(Ag)电极板表面上，然后干燥(从而在银(Ag)电极板表面上形成一层氧化铯(Cs₂O)薄分子层。或者用氧气等离子体处理银(Ag)板表面，用汽化的铯(Cs)原子涂覆)以产生一种低功函数的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板；g)使用机械打孔机在每个40毫米×46毫米的电极板上的四个角的每个角附近制作一个小孔(直径3毫米)；h)每个银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板均通过与涂有红色绝缘体的铜线(带有红色绝缘体涂层的单根16号铜线)进行焊接连接；i)类似地，每个铜集电板通过与涂有蓝色绝缘体的铜线(带有蓝色绝缘体涂层的单根16号铜线)焊接连接。j)如图29b所示，每对低功函数银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板(尺寸：40毫米x46毫米)和高功函数铜(Cu)集电极板(尺寸：40毫米x46毫米)分别为使用一组四个热缩塑料绝缘子管绝缘的金属螺钉，四个绝缘塑料垫圈/垫片和四个螺母(或使用一组电绝缘塑料垫片(垫圈)，螺钉和螺母，如图29a所示),以5毫米的间距平行组装，在两个电极板的四个角处拧紧螺丝螺母；k)如图30所示，在每个瓶盖(通常由不锈钢和/或塑料制成)上,开一对直径为3毫米的孔，以使红色和蓝色导线穿过；l)在瓶盖上开了两个直径为8毫米的孔，以便一对蓝色塑料(或不锈钢)管通过(以便稍后抽真空)；m)然后将组装好的一对银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板和铜(Cu)集电极板插入玻璃瓶中，其绝缘的红色和蓝色导线穿过瓶盖的3毫米直径的孔(图30)；n)用密封的电绝缘硅凝胶材料(Kafuter 704RTV)密封导线和瓶盖中所有管子的所有接头(图30和31)；o)安装后，使用真空泵通过瓶盖上的蓝色塑料管(或不锈钢管)从每个电瓶中抽出空气，并通过关闭空气管的橡胶阀将每个电瓶在真空条件下密封(图31)；p)质量检查：例如，通过0.2毫米厚的绝缘胶对银(Ag)膜/铜(Cu)膜与支撑铝板之间的绝缘，以及通过加热使金属螺钉与银(Ag)膜/铜(Cu)膜板之间的绝缘对所有金属螺栓的收缩塑料绝缘管进行电绝缘测量，检查每对电极板。

因此，尽管金属螺钉/螺母如图29b所示与支撑铝板接触，但是CsOAg膜发射器和铜(Cu)膜集电器仍与金属螺钉和支撑铝板都很好地绝缘。在此示例中，对于典型的CsOAg-Cu电瓶原型，在一对CsOAg膜发射极端子线(红色)和铜(Cu)膜集电极端子线(蓝色)之间测得的绝缘体电阻超过50兆欧(MΩ)。

如图32所示，使用吉时利(Keithley 6514)静电计(美国俄亥俄州,克利夫兰市的吉时利公司(Keithley Instruments,Inc.))测量每个CsOAg-Cu原型电瓶中的等温电子发电活性。在实验测量过程中，原型电瓶包括一个将一对安装在密封玻璃瓶中的低功函数银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板(尺寸：40毫米x46毫米)和高功函数铜(Cu)集热板(尺寸：40毫米x46毫米)放入由重型铝箔制成的33厘米x 30厘米x 42厘米的法拉第盒，可减少周围环境的潜在电干扰。如图32a所示，吉时利6514静电计的红色鳄鱼夹与银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极板的导线(红色)相连，而静电计的黑色鳄鱼夹与铜(Cu)集电极板的导线(黑色)相连。如图32b所示，通常通过与吉时利6514静电计的绿色鳄鱼夹(接地线)连接而接地的法拉第金属盒在所有侧面都已关闭，以屏蔽原型电瓶装置，以最大程度地减小在测试等温电子发电活动的测量过程中来自周围环境的潜在电干扰。

如图32b中所示，例如，通过吉时利(Keithley 6514)静电计读数值“20.9444PA.CZ”来测量等温发电。这表明，使用吉时利6514静电计的零位校验和零位(基线)校正(CZ)功能，使用完善的安培测量程序，在室温(21℃)下测得的原型电瓶装置的等温电流(图32a)约为20.94微微安培(pA)。

通过实验测试了许多原型CsOAg-Cu电瓶的等温发电性能。表10列出了示例性等温电子发电机(电热瓶样品“CsOAg-Cu 1”)与对照电热瓶样品“CK Ag-Cu”在23℃下,用吉时利6514系统静电计测试得到的实验性等温电子发电结果的示例。对照电瓶“CKAg-Cu”具有与电瓶“CsOAg-Cu 1”相同的结构，不同之处在于，对照电瓶“CK Ag-Cu”的Ag板表面未涂覆氧化铯(Cs₂O)。在使用了采用吉时利6514静电计的零位检查和零(基线)校正(CZ)的安培测量程序的实验中,测试了:1)使用电瓶“CsOAg-Cu 1”；2)吉时利6514系统的237-ALG-2型低噪声电缆，带有三个鳄鱼夹(无电瓶装置)；和3)对照电瓶“CK Ag-Cu”。根据吉时利6514系统静电计的12个读数进行的实验测量，测得的电瓶“CsOAg-Cu 1”的等温电流为11.17±0.08微微安培(pA)，远高于使用吉时利6514系统的237-ALG-2型低噪声电缆带有三个鳄鱼夹(无电瓶装置)测得的静电计基线信号值0.071±0.17微微安培(pA)。对照电瓶“CK Ag-Cu”的电流读数为-0.360±0.005微微安培(pA)，与电瓶“CsOAg-Cu 1”的电流读数(11.17±0.08微微安培(pA))完全不同。因此，这些实验结果非常清楚地证明了原型电瓶“CsOAg-Cu 1”中的等温电子发电。

当以反极性方向测量原型电瓶“CsOAg-Cu 1”的等温电子发电时,吉时利(Keithley 6514)系统静电计的237-ALG-2型低噪声电缆黑色鳄鱼夹连接器连接到CsOAg板(一种银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器)，并且其红色鳄鱼夹接头与铜(Cu)集电极板的导线相连，测得的等温电流为-10.77±0.17微微安培(pA)，与对照电瓶“CK Ag-Cu”的反方向测量的电流信号值(0.220±0.003微微安培(pA))完全不同(请参见表10中的“rev,pA.CZ”)。因此，这些实验结果也非常清楚地证明了原型电瓶“CsOAg-Cu 1”中的等温电子发电活动符合预期。

注意，垂直于发射极和集电极表面的等温电子通量(J_isoT)(也称为等温电流密度)可以计算为等温电流(11.17±0.08pA)与CsOAg板表面面积(4.0x 4.6＝18.4平方厘米)的比率。如表10所示，电瓶“CsOAg-Cu 1”的CsOAg板的表面积中的电流密度,以正常的正极性方向测得的数值为0.607微微安培/平方厘米(pA/cm²),以反极性方向测得的为-0.586微微安培/平方厘米(pA/cm²)。通过取其绝对值，计算出电瓶“CsOAg-Cu 1”中的平均电流密度为0.596微微安培/平方厘米(pA/cm²)。基于此等温电子通量(J_isoT)在23℃时为0.596微微安培/平方厘米，在此示例中，电瓶“CsOAg-Cu1”中CsOAg发射极板表面的功函数估计约为1.1电子伏特(eV)。

表10列出了由等温发电机(电瓶“CsOAg-Cu 1”)与对照电瓶“CK Ag-Cu”在23℃下用吉时利6514静电计的零位检查和零位基线校正(CZ)功能,测试得出的实验性等温电子发电结果。

表11列出了另一只等温电子发电机(电瓶“(3)CsOAg-Cu”)的等温发电实验结果，该结果根据工作温度进行了测量。使用该吉时利6514静电计的零位检查和零位(基线)校正(CZ)的标准安培和电压测量方法来测试该原型“(3)CsOAg-Cu”电瓶。根据吉时利6514系统静电计的12个测量读数，测得电瓶“(3)CsOAg-Cu”在20.5℃,23℃和25℃时的等温电子发电电流平均值分别为:2.12±0.03,5.81±0.03和7.35±0.02微微安培(pA)。该实验结果表明，随着环境温度的升高，等温电子发电量确实可以显着增加。

表11列出了使用吉时利6514静电计的零位检查和零位基线校正(CZ)功能,测量的原型等温电子发电机(电瓶“(3)CsOAg-Cu”)在工作温度为20.5℃,23℃和25℃时的实验等温电子发电结果。

当以相反极性测量来自电瓶“(3)CsOAg-Cu”的等温电时(吉时利Keithley 6514系统的237-ALG-2低噪声电缆黑色鳄鱼夹连接器连接到CsOAg板(一种银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器)，并且其红色的鳄鱼夹连接器连接到集电板上)，测得的等温电子发电电流为-7.43±0.03微微安培(pA)(表11)，与电瓶“CsOAg-Cu 1”(表10)中观察到的有些相似。

根据吉时利6514系统静电计进行的测量的12个读数(表11)，测得的电瓶“(3)CsOAg-Cu”在25℃的等温电压输出为54.2±0.8毫伏(mV)。在此示例中，根据在25℃下测得的等温电压(54.2±0.8mV)和等温电流(7.35±0.02pA)，这个电瓶“(3)CsOAg-Cu”原型的等温电子发电输出功率计算为3.98x10^-13瓦(Watts)。

如表11中所列，在电瓶“(3)CsOAg-Cu”中，跨CsOAg板表面积的电流密度在正常极性方向测量为0.399微微安培/平方厘米(pA/cm²),而在以相反极性方向进行测量时为-0.404pA/cm²。通过取绝对值，计算出电瓶“(3)CsOAg-Cu”中的平均电流密度为0.402pA/cm²。基于此实验在25℃时确定的等温电子发电电流通量(J_isoT)为0.402pA/cm²，估计电瓶“(3)CsOAg-Cu”中CsOAg发射极板表面的功函约为1.1电子伏特(eV)。

图33a展示了另一张原型电瓶的照片，该电瓶放置在法拉第盒中并进行了正常极性方向测试(吉时利Keithley 6514系统静电计的低噪声电缆/红色鳄鱼夹连接器连接到CsOAg银(Ag)板(一种银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器)和黑色鳄鱼夹连接到集电极板上的插头)，电流读数为“11.888pA.CZ”。这表明，通过吉时利6514静电计的零位检查和零(基线)校正(CZ),在室温(21℃)下,测得该原型电瓶的等温电子发电电流约为11.89微微安培(pA)。如图33b所示测试同一电瓶的负极性方向(吉时利6514黑色鳄鱼夹接CsOAg板和红色鳄鱼夹接铜(Cu)板)时，其负电流读数为“-11.030pA.CZ”。这是重要的实验结果，因为它证明了测得的电流的符号确实取决于预期的CsOAg-Cu电瓶的发电极性。

图34a展示了另一张CsOAg-Cu电瓶的照片，该电瓶放置在法拉第盒中并进行了正常极性方向测试(吉时利Keithley 6514红色鳄鱼夹连接至CsOAg发射极，黑色鳄鱼夹连接至Cu集电极)，其电压读数为“0.10051V.CZ”。这表明，通过吉时利6514静电计的零位检查和零(基线)校正(CZ)测量,在室温(21℃)下，该样品电瓶的等温电压约为100.5毫伏(mV)。随后，如图34b所示，当通过在CsOAg板的端子(红色线)和铜(Cu)板的端子(蓝色线)之间用导线连接,使该CsOAg-Cu电瓶短路时，电压如预期的立即导致归零。预期的电压输出读数为“-0.00001V.CZ”。最后，当以相反极性方向测试相同的CsOAg-Cu电瓶时(Keithley 6514系统的黑色鳄鱼夹连接器连接到CsOAg发射极，红色鳄鱼夹连接器连接到铜收集器，如图34c所示)，结果输出的电压也是期望的负值“-0.11329V.CZ”。这也是重要的结果，因为它证明了根据本发明的各种实施方式之一，所测得的电压的确确实取决于原型CsOAg-Cu电瓶的等温电子发电活动极性。

图35展示了两原型电瓶并联测试的照片，这些电瓶以其正常极性并联(吉时利Keithley 6514系统的红色鳄鱼夹连接器连接到CsOAg发射器，黑色鳄鱼夹连接器连接到铜(Cu)收集器)，其电流读数为“22.230pA.CZ”。两个原型电瓶分别测量的等温电流,每个分别为11微微安培(pA)。根据上面公开的等式20，当并联使用多个(n个)不对称功能门控的等温发电系统时，总电流(I_sat(total))是从可以使用等式16表达的每个不对称功能门控的等温发电机电流(I_sat(i))的总和。因此，并联使用的两个原型电瓶的预测等温电流应该为22微微安培(pA)，这与测得的电流读数“22.230pA.CZ”非常匹配符合。这是重要的结果，因为这证明了并联使用的两电瓶的等温电流产生效果确实是具有可加性的，这实际上也是根据本发明各种实施例之一所预期的。

图36展示了在法拉第盒内以正常极性并联连接的三个原型电瓶测试照片(吉时利Keithley 6514红色鳄鱼夹与CsOAg发射器连接，黑色鳄鱼夹与铜(Cu)集电极连接)，其电流读数为“26.166pA.CZ”。如上所述，前两个原型电瓶分别具有约11微微安培(pA)的单独测量的等温电子产电电流，而第三个电瓶单独测量的等温电子产电电流是约4微微安培(pA)。因此，并联的三个原型电瓶的预测总等温电子产电电流应为26微微安培(pA)，这与测得的电流读数“26.166pA.CZ”非常符合。这是重要的结果，因为它再次证明，根据本发明的各个实施例之一，并联连接的原型电瓶的等温电子发电效应确实是相加的。

尽管已经通过几个实施例的描述说明了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了说明性实施例，但是申请人的意图不是将本发明权利要求的范围限制或以任何方式限制到这种细节。其他优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节，代表性装置和方法以及说明性示例。因此，可以在不脱离申请人的总体发明精神或范围的情况下偏离这些细节。

Claims (20)

1.一系列利用等温电子发电的能量更新的方法，该方法创造并利用一种特殊的不对称功能门控的基于等温电子的,可等温地利用环境热能发射电子的发电系统，该系统包括至少一对安装在势垒空间的低功函数热电子发射极器和高功函数电子收集极器。安装在带有导电体支撑的容器中，以实现至少一种以下的等温地利用环境热能的能量更新和应用的功用方式：

a)等温地利用环境中耗散的热能进行能量更新发电，以产生具有输出电压和电流的电力能来作有用功；

b)通过等温地从冰箱内部提取其环境热能,同时产生等温电子电力能，从而为新型冰箱提供新颖的冷却功能，而无需任何常规制冷机构的压缩机，冷凝器，蒸发器或散热器；和

c)其组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统是一种集成等温电子发电系统，其安装在垂直设置的真空管腔中的每对发射极器和收集极器之间具有狭窄的电极间间隙尺寸包括：

在第一导电板底面上涂覆的低功函数膜用作第一发射极；

在第一对发射极和收集极之间第一狭窄空间，使热发射的电子弹道地飞越；

涂覆在第二导电体顶面上的高功函数膜以用作第一收集电极器；

在第二导电体底面上的低功函数膜用作第二发射极；

在第二对发射极和收集极之间的第二狭窄空间，允许热发射电子弹道地飞越；涂覆在第三导电体顶面上的高功函数膜作为第二收集电极体；

在第三电导体底面上涂覆的低功函数膜用作第三发射极；

在第三对发射极和收集极之间的第三狭窄空间，使热发射电子弹道地飞越；

涂在第四导电体顶面上的高功函数膜用作端子收集电极器；

与第一导电板连接的第一电力出口插座和接地；

与第四导电体连接的第二电力出口插座。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述的发射极器和收集极器电极之间的间隙尺寸选自：2纳米(nm)，3nm，4nm，5nm，6nm。7，nm，8nm，9nm，10nm，12nm，14nm，16nm，18nm，20nm，25nm，30nm，35nm，40nm 45nm，50nm，60nm，70nm，80nm，100nm，120nm，140nm 160nm，180nm，200nm，250nm，300nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm，1000nm，1.2微米(μm)，1.4μm，1.6μm，1.8μm，2.0μm，2.5μm，3.0μm，3.5μm，4.0μm，4.5μm，5.0μm，6.0μm，7.0μm，9.0μm，10μm，12μm，14μm，16μm，18μm，20μm，25μm，30μm，35μm，40μm，45μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，120μm，140μm，160μm，180μm，200μm，250μm，300μm，400μm，500μm，600μm，700μm，800μm，900μm，1000μm，1.2毫米(mm)，1.4毫米，1.6毫米，1.8毫米，2.0毫米，2.5毫米，3.0毫米，4.0毫米，5.0毫米，6.0毫米，7.0毫米，8.0毫米，9.0毫米，10毫米，12毫米，15毫米，20毫米，30毫米，40毫米，50毫米，60毫米，80毫米，100毫米,和在这些值中的任何两个范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统是具有低功函数(0.6eV)银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数(4.42eV)的质子化的聚苯胺收集极器，安装在腔状真空管中，这种真空管等温电子发电系统包括：

在腔状真空管壁的圆顶形顶部内表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜以用作发射极器；

一种质子化的聚苯胺薄膜，该薄膜涂覆在腔状真空管的倒圆顶形底部内表面上，用作收集极器；

发射极器和收集极器之间的真空空间，使热发射的电子弹道地飞越通过；

与发射极器连接的电力出口插座；

与集极器连接的电力出口插座。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统是具有三对低功函数(0.6eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数(4.42eV)的质子化聚苯胺收集器,这种串联集成运行的等温电子发电系统包括：

将银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜涂覆在真空管壁的圆顶形顶部内表面上用作第一发射器；

质子化的聚苯胺膜(集电体)涂覆在第一中间电导体顶面上以用作第一集电体；

第一真空空间，使热发射的电子弹道地飞过第一发射极和第一集电极；

在第一中间导体底表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜以用作第二发射极；

质子化的聚苯胺膜，其涂覆在第二中间电导体顶表面上以用作第二集电体；

第二真空空间，使热发射电子在第二发射极和第二收集极之间弹道飞行飞越；

在第二中间电导体底表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜用作第三发射极；

质子化的聚苯胺膜涂覆在真空管的倒圆顶形底部内表面上以用作第三收集器；

第三真空空间，使热发射电子在第三发射极和第三收集极之间弹道飞行飞越；

与第一发射极器连接的第一电力出口插座；

与终端收集极器连接的第二电力出口插座。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统是具有低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函数(4.56eV)的铜金属收集器,这种安装在腔状真空管中的等温电子发电系统包括：

在腔状真空管壁的圆顶状顶端内表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为发射极；

在发射极和收集极之间的真空空间,使热发射的电子弹道地飞越；

在腔状真空管的倒圆顶形的底端内表面上涂覆的铜(Cu)膜以用作收集器；

与发射器连接的第一电力出口插座；

与收集器相连的第二电力出口插座。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电机系统,具有串联集成的两对低功函数(0.7eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射器和高功函数(4.56eV)铜金属收集器,这种串联集成的等温电子发电机系统包括：

在真空管腔室壁的圆顶形顶端内表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为第一发射极；

在第一对发射极和收集极之间的第一真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

在中间导电体顶面上涂覆的Cu膜/板用作第一收集电极体；

在中间电导体底面上涂的一层银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为第二发射极；

在第二对发射极和收集极之间的第二真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

在真空管室的倒圆顶状的底端内表面上覆盖有Cu膜，作为终端收集极器；

与第一发射极器连接的第一电力出口插座；

与终端收集极器连接的第二电力出口插座。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电机系统采用串联集成的三对极低功函数(0.5eV)的银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极器和高功函数金(Au)金属(5.10eV)收集器，这种串联集成等温电子发电机系统包括：

在真空管腔室壁的圆顶形顶端内表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜，以用作第一发射极器；

在第一对发射极和收集极之间的第一真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

在第一中间电导体顶面上涂覆金(Au)膜以用作第一收集极；

在第一中间导体底表面上涂覆银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜以用作第二发射极；

在第二对发射极和收集极之间的第二真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

在第二中间电导体顶面上涂覆金(Au)膜以用作第二收集极；

在第二中间电导体底表面上涂覆的银-氧-铯(Ag-O-Cs)膜作为第三发射极；

在第三对发射极和收集极之间的第三真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

在真空管腔室的倒圆顶形底端内表面上涂覆金(Au)膜，以用作端子收集极；

与第一发射极器连接的电力出口插座；

与终端收集极器连接的电力出口插座。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电系统是采用串联集成的多对低功函数(1.01eV)掺杂石墨烯发射极和高功函数(4.60eV)石墨烯收集极，这种串联集成的等温电子发电系统包括：

涂覆在真空管腔壁的圆顶形顶端内表面上的掺杂石墨烯膜，用作第一发射器；

在第一对发射极和收集极之间的第一真空空间，使热发射电子弹道地飞越流过；

涂覆在第一中间电导体顶表面上的石墨烯膜用作第一集电体；

涂覆在第一中间电导体底表面上的掺杂石墨烯膜以用作第二发射极；

在第二对发射极和收集极之间的第二真空空间，允许热发射电子弹道地飞越流过；

涂覆在第二中间电导体顶表面上的石墨烯膜用作第二集电体；

涂覆在第二中间导体底表面上的掺杂石墨烯膜作为第三发射极；

在第三对发射极和收集极之间的第三真空空间,使热发射电子弹道地飞越流过；

涂覆在真空管腔的倒圆顶形底端内表面上的石墨烯膜，用作的端子集电器；

与第一发射极器连接的电力出口插座；

与端子集电极器连接的电力出口插座。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低功函数热电子发射极体具有特殊功函数值选自:0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.4,2.6,2.8,3.0电子伏特(eV),和在这些值中的任何两个范围内。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高功函数电子收集器具有的特殊功函数值选自:1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.4,2.6,2.8,3.0,3.2,3.4,3.6,3.8,4.0,4.2,4.4,4.6,4.8,5.0,5.5,6.0电子伏特(eV),和在这些值中的任何两个范围内。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不对称功能门控的等温电子发电系统设计的等温操作温度或温度范围选自:193开尔文(K)(-80摄氏度(℃)),200K(-73℃),210K(-63℃),220K(-53℃),230K(-43℃),240K(-33℃),250K(-23℃),260K(-13℃),270K(-3℃),273K(0℃),278K(5℃),283K(10℃),288K(15℃),293K(20℃),298K(25℃),303K(30℃),308K(35℃),313K(40℃),318K(45℃),323K(50℃),328K(55℃),333K(60℃),338K(65℃),343K(70℃),348K(75℃),353K(80℃),363K(90℃),373K(100℃),383K(110℃),393K(120℃),403K(130℃),413K(140℃),423K(150℃),433K(160℃),453K(180℃),473K(200℃),493K(220℃),513K(240℃),533K(260℃),553K(280℃),573K(300℃),623K(350℃),673K(400℃),723K(450℃),773K(500℃),823K(550℃),873K(600℃),923K(650℃),973K(700℃),1073K(800℃),1173K(900℃),1273K(1000℃),1373K(1100℃),1473K(1200℃),和在这些值中的任何两个范围内。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低功函数热电子发射器由特殊的发射器材料制成，该特殊的发射极器材料选自:银-氧-铯(Ag-O-Cs)，氧化铯(Cs₂O)涂覆的银(Ag)板表面，钾-氧/硅(100)(K-O/Si(100))，特殊低功函材料(C12A7:e-)，钨碲(WTe2)上的钾(K)，磷(P)-掺杂的金刚石，特殊钙铝氧化物(Ca₂₄Al₂₈O₆₄)，铯/氧(Cs/O)-掺杂的石墨烯，特殊锶钡钒氧化物(Sr_1-xBa_xVO₃),钡(Ba)涂层的碳化硅(SiC)，钨(W)上的氧-钡(O-Ba)，铂(Pt)金属上的铯(Cs),及其组合。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高功函数电子收集极器由特殊的收集器材料制成，该特殊的收集极器材料选自:铂(Pt)金属，银(Ag)金属，金(Au)金属，铜(Cu)金属，钼(Mo)金属，铝(Al)金属，钨，铼，钼，铌，镍，石墨烯，石墨，聚苯胺膜，锌金属氧化物(ZnO)，ITO金属氧化物，FTO金属氧化物，二维镍，特殊高功函材料(PEDOT:PSS)，质子化聚苯胺薄膜,及其组合。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发射极被涂覆在导电体的某些表面上，所述导电体选自由以下各项组成的组：导热导电体，导热金属导体，难熔金属，金属合金，不锈钢，铝，铜，银，金，铂，钼，导电的钼氧化物(MoO₃),钨，铼，钼，铌，镍，钛，石墨烯，石墨，导热导电聚合物，聚苯胺膜，质子化聚苯胺膜,及其组合。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述收集电极器涂覆在电导体的某些表面上，该导电体选自由下列各项组成的组：导热导电体，导热金属导体，难熔金属，金属合金，不锈钢，铝，铜，银，金，铂，钼，导电的钼氧化物(MoO₃)，钨，铼，钼，铌，镍，钛，石墨烯，石墨，导热导电聚合物，聚苯胺膜，质子化聚苯胺膜,及其组合。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器由多种导热壁材料制成，所述导热壁材料选自:导热金属和导热非金属材料包括不锈钢，铝，铜,金属合金，真空管玻璃，真空灯泡玻璃，电绝缘材料，碳纤维复合材料，乙烯基酯，环氧树脂，聚酯树脂，热塑性塑料，高导热石墨烯，石墨，纤维素纳米纤维/环氧树脂纳米复合材料，导热和电绝缘塑料，导热和电绝缘陶瓷，导热和电绝缘玻璃，玻璃纤维增强塑料材料，硼硅酸盐玻璃，派热克斯玻璃，玻璃纤维，溶胶-凝胶，硅凝胶，硅橡胶，石英矿物，金刚石材料，玻璃陶瓷，透明陶瓷，透明塑料，例如丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯)，丁酸酯(乙酸纤维素丁酸酯)，聚碳酸酯(Lexan)和乙二醇改性(PETG),聚对苯二甲酸乙二酯，聚丙烯，聚乙烯(或聚乙烯)和聚乙稀HD，导热透明塑料，导热和电绝缘涂料，无色玻璃，包含某些防反射材料或涂层的透明透明塑料，包含某些防反射的透明玻璃材料,及其组合。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器壁与电极板之间的接口接触和密封由某些导热但电绝缘的材料制成，该材料选自:导热和电绝缘的塑料，环氧树脂，聚酯树脂，气密电绝缘的硅凝胶(Kafuter 704RTV)材料，热塑性塑料，导热和绝缘的陶瓷，导热和绝缘的玻璃，高导热石墨烯，石墨，透明塑料，丙烯酸(聚甲基丙烯酸甲酯)，丁酸酯(醋酸丁酸纤维素)，聚碳酸酯(Lexan)和乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)，聚丙烯，聚乙烯和聚乙烯HD，导热透明塑料，导热胶，电绝缘胶，热导电涂料，电绝缘涂料，导热玻璃，耐热玻璃等硼硅酸盐玻璃，溶胶-凝胶，硅凝胶，硅橡胶，石英矿物，金刚石材料，纤维素纳米纤维/环氧树脂纳米复合材料，碳纤维复合材料，玻璃陶瓷材料，透明陶瓷，包含减反射材料和/或涂层的透明塑料，透明玻璃包含抗反射材料,及其组合。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，具有所述能量回收过程功能的所述不对称功能门控的等温电子发电系统包括以下特征：可以根据以下公式计算其从环境热能提取中产生的等温电子发电电流密度(J_isoT)：

J_isoT＝AT²(e^{-[WF(e)+e·V(e)]/kT}-e^{-[WF(c)+e·V(c)]/kT})

其中A是通用因子(被称为理查森·杜什曼(Richardson-Dushman)常数,可以表达为

[其中m是电子质量，e是电子单位电荷，k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数])；T是发射极和集电极的绝对温度，以开尔文(K)为单位；WF(e)是发射器表面的功函数；e·V(e)项是电子单位电荷e与发射极电压V(e)的乘积；k是玻尔兹曼常数(以eV/K为单位)；WF(c)是收集器表面的功函数；e·V(c)是电子单位电荷e与集电极电压V(c)的乘积。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特殊的不对称功能门控的基于等温电子的发电机系统具有一对低功函(0.5eV)银-氧-铯(Ag-O-Cs)发射极和高功函(4.60eV)石墨烯的收集器用于通过从冰箱内部提取环境热能，同时产生等温电子电力，而且为新型冰箱提供新颖的冷却方式。

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