CN1335671A - 静电场可逆原理发电 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静电场可逆原理发电技术,适合于从各种热源(如,等离子体、核能、化学能、太阳能等热源)中取热直接发电。该技术是在电气体发电(又称为电流体发电)的基础上改进的,是把电气体发电的热流体,改为由静电场引起的电子(离子)流体,这样就能从根本上消除熵的影响,即远离了热力学系统。为此,本发明在系统中实现了高效率热电转换。

Description

静电场可逆原理发电

本发明涉及一种改进型电气体发电装置，特别是一种静电场可逆原理发电。适合于从各种热源(如，等离子体、核能、化学能、太阳能等)中取热直接发电。

现有的直接发电技术如电气体发电(又称电流体发电)，它是以高速热流体(气体或液体)为载体，运载正电荷由低电位移向高电位的过程中消耗热流体动能，从而使热能直接转变成电能。其中的正电荷是由高压启动电源对工作介质直接电离产生的，因此在总发电量中就包含电离能，我们把这种机制叫做启动能量“复制”。以热流体为能源，就会把熵引入系统而且一定是趋向增加，这是导致系统效率低下的直接原因。所以，电气体发电装置的热效率只有50％左右。尽管，这种技术比传统热发电技术先进，但依然存在着多种污染和热能浪费过半的严重后果，特别是在当今世界能源危机日趋严重的今天，改进技术提高效率就变得尤为重要。

分子物理学证明，任意分子(离子、电子)在空间至少有三个自由度，而热传递只有一个方向，因此，赋予一维的能量充其量也只有1/3，余下2/3的能量份额并没有发挥作用，这就是“熵”作用的实质。可见，系统熵是热几率的产物，要在热力学系统中消除它是不可能的，而提高效率又必须摈弃熵。解决这一矛盾的唯一途径就是远离热力学系统，或者说，不能通过纯粹的热力学系统达到提高热效率的目的。

本发明的任务是要提供一种静电场可逆原理发电技术，是把电气体发电中的热流体，改为由静电场引起的电子流体，这样就可以使系统远离热力学系统，彻底避免熵的影响。为此，系统热效率必然会大幅度提高。

本发明的任务是这样实现的，在一真空容器中，真空容器壁就是热源(Q)的传热表面，热媒体(电子或等离子气体)充满了整个真空容器，在气体中，还设置了热电转换系统和发电系统。热电转换系统，是由平行板静电场来实现的即保守力作正功(A_保守＞0)的过程。平衡态条件下，热媒与热源温度(T₀)相同，热运动电子(e)在进入热电转换系统后，在电场力作用下形成直线运动，而直线运动则意味着电子热能(E_h)与电场力作功(A_e)的迭加，即所谓“热电转换”。发电系统是热电转换的逆过程即保守力作负功(A_保守＜0)的过程，直线运动电子受到感应电场的制动，在直线运动方向上降速，此时电回路(负载)中就会有电流生成，即谓“发电”。而离开发电系统的电子末速度v_K已经很慢，故称之为慢电子，根据热传递定律，v_K必须符合下面的关系才能达到传热的目的即

        m_eV_K ²/2＜3kT₀/2    (1)(1)式说明，微观粒子直接碰撞传热表面获得热能量。

热电转换系统，是将电源电压(U_AB)连接到平行板A、B上形成平行板电场E_AB，并与通过电场的单极性电荷(电子)构成电回路。电极A的前面为平衡态电子气，单位时间内碰撞电极A上的微孔面积S_φ1的频度E(/s·m²)

             E＝n v/4    (2)n-带电粒子密度(/m³)v-带电粒子的平均速率(m/s)(2)式中，当n足够大时，单位时间里碰撞S_φ1的粒子数为一常数，当S_φ1小到一定程度时，电子只能一个接一个地进入电场并且在电场方向上一维顺序排列即一维束。束中电子，都具有独立的时间和空间这是高效率的唯一特征。下面给出，热电转换系统能量守恒关系为：平衡态条件下电子的热运动能量E_h(J)

        E_h＝3kT₀/2    (3)电子通过电场时电场力作功A_e(J)

         A_e＝eU_AB                            (4)热电转换之后的电子能量E(J)

E＝A_e+E_h＝eU_AB+eU_h＝e(U_AB+U_h)＝eU    (5)(5)式说明，电子通过电场后所携带的热能量E_h即刻就转变为电能eU_h。

热是微观粒子集团行为的集合比如平衡态。因此，对微观粒子而言，一旦从平衡态中被选出，热行为也就随之消失即粒子的能量形式由原来的3KT₀/2转变为m_eV_h ²/2＝eU_h。所以，这种方式的热电转换效率可以达到100％。

发电系统，是把由热电转换系统输出的“电”再转变为由导线输出的电，是根据静电场的保守性即可逆原理实现的。由负载R_L将平行板J、K电连接，并与通过平行板的直线运动电子构成电回路。电子带负电，在通过J极板(不接触)的同时使其感应带正电，K极板带负电。此时，平行板电场方向由J极板指向K极板，运动电子受到轴向反向电场力的作用开始在直线方向上降速，愈接近K极板电子速度愈慢，当离开K极板时其能量E_k已经很小，而负载R_L上既有电流(I_JK)通过又有电压U_JK生成。

由于发电回路中有负载R_L或电阻的存在，“电”与电的转换过程中，一定有能量损失，于是就产生了转换效率η_e。因此，发电系统总电功输出A(J)

            A＝(E-E_k)×η_e                       (6)

             ＝(A_e+E_h-E_k)×η_e净电功输出ΔA(J)

     ΔA＝A-A_e＝(η_eA_e-A_e)+(E_h-E_k)×η_e    (7)因为η_e＜1，所以(η_eA_e-A_e)＜0，这说明A_e的损失就必然由热能(E_h-E_k)来补偿以达到完全“复制”。于是，根据热效率的定义，本发明的系统效率η：

           η＝ΔA/(E_h-E_K)    (8)

             ＝η_e-(E_e/ΔE_h)(1-η_e)(6)、(7)、(8)式给出了发电机中的能量分配关系和原则，A_e在系统中循环不止并且其总量始终不变，这说明系统具备高效率机制，又是一种新的能量循环方式。如何定义η_e将放在以后谈，能量比(A_e/ΔE_h)对提高系统效率作用不是很大，但在某种意义上却是一种投入产出比，两者愈接近系统净输出愈多，反之则反。

A_e远远大于ΔA，(比如在千倍以上)，假如发电机净输出容量为兆瓦(MW)数量级，此时所需要的启动功率已经大到无法实现的地步，于是就产生了本发明的启动原理。将发电机进行功率细化，分成若干个与启动功率相同的发电单元，首尾相接即由A_e将发电单元串联起来。能量传输需要时间，这样就可以通过时间的积累达到启动能量在系统中的积累。而净功率输出既可以串联也可以并联。

由于采用了上述技术方案，系统热效率达到质的飞跃，是一项无污染、无噪音、洁净高效、长寿命低成本的热发电技术。它的诞生，意味着将要告别一个落后的能源技术时代。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明的原理图

图2是本发明启动原理图

图3是一维束原理图

图4是一维束电极结构图

图5是电场电极结构放大图

图中，1电极A、2电极B、3电极J、4电极K、5启动电源、6负载R_L、7内系统、8真空容器、9热源、10热媒、11发电单元、12电阻R_L1、13启动-运行转换开关、14负载R_L2、15一维束极板、16电绝缘体。

图1是本发明原理图，由A电极(1)、B电极(2)、启动电源(5)及一维束组成热电转换系统。发电系统由J电极(3)、K电极(4)、一维束、负载R_L(6)组成。热电转换与发电系统组成内系统(7)，而由热媒(10)、热源(9)及真空容器(8)共同组成外系统。内外系统彼此隔离，但存在电联系即真空容器(8)与A电极(1)均保持零电位，热媒(10)只能从A电极(1)进入，由K电极(4)输出。下面通过对各个系统的计算将会使原理更加清晰。

首先设定热源(9)的热量(Q→∞)无穷大，温度恒定T₀＝300K，并以电子为热媒。平衡态条件下电子的热运动速度v_h(m/s)

       v_h＝(3KT₀/m_e)^1/2＝1.168×10⁵热电转换系统的计算过程：设，启动电源U_ST＝2V；平行板A、B的间距d₁＝0.001m。电场力F_AB(N)

      F_AB＝eU_AB/d₁＝3.204×10^-16电子在d₁区间的加速度a(m/s²)

     a＝F_AB/m_e＝3.52×10¹⁴根据d₁＝v_ht_AB+(at_AB ²/2)力学关系，计算电子通过d₁区间的时间t_AB(s)

      t_AB＝[-v_h+(v_h ²+2ad₁)^1/2]/a＝2.1×10^-9该系统的末速度即电子离开B电极的速度v_B(m/s)

     v_B＝5.93×10⁵(U_ST)^1/2+v_h＝9.554×10⁵电子的功率P_AB(W)

     P_AB＝m_ev_B ²/2t_AB＝1.98×10^-10发电系统的计算过程：设，发电机净功率输出为ΔP＝4000(J/s)；电子末速度v_K＝3×10⁴m/s。传热过程：慢电子能量E_K(J)

     E_K＝m_ev_K ²/2＝4.1×10^-22J热源能量E_h(J)

     E_h＝3KT₀/2＝6.21×10^-21JE_h＞E_K，符合传热原则。发电系统：输出电压U_JK(V)

    U_JK＝m_e(v_k ²-v_J ²)/2e＝-2.59计算发电系统的其它参数，需要遵守热电转换与发电系统的功率平衡或匹配的原则即：P_AB＝P_JK+P_K将，P_JK＝m_e(v_K ²-v_J ²)/2t_JK，P_K＝m_e(-v_K ²)/2t_JK代入上式，可以得出：电子通过d₂区间的时间t_JK(s)

    t_JK＝m_e(v_k ²-v_J ²)t_AB/v_B ²＝2.098×10^-9d₂区间的负向加速度-a(m/s²)

    -a＝(v_K-v_J)/t_JK＝4.41×10¹⁴平行板距离d₂(m)

    d₂＝(v_K ²-v_J ²)/2(-a)＝0.00103电子的净功率P_h(W)

    P_h＝m_e(v_k ²-v_h ²)/2t_JK＝-2.76×10^-12单位时间电子数密度N_e(/s)

    N_e＝ΔP/P_h＝1.45×10¹⁵发电回路总功率输出∑P(W)

    ∑P＝N_eP_JK＝2.87×10⁵发电回路电流量I_JK(C/s)

    I_JK＝N_ee/t_JK＝1.11×10⁵发电回路负载R_L(Ω)

    R_L＝U_JK/I_JK＝2.33×10^-5在图1方式条件下，发电系统的转换效率η_e等于负载(R_L)的效率，如果R_L为纯电阻则η_e≈1。

本发明的传热原理，是慢电子直接碰撞热源表面获取热能，因此，不允许在K电极(4)与真空容器(8)之间有任何形式的电场对慢电子加速。事实上在这个区间已经存在加速电场，处理的办法是将真空容器的金属内表面及K电极的背面进行电绝缘处理。

图2是本发明的启动原理图，将大功率发电机分成若干个(I₁-I_n)与启动功率相同的发电单元(11)，并将前一单元的U_JK与后一单元的U_AB连接，最后一个单元I_n与第一个单元I₁通过转换开关(13)进行启动-运行的转换完成发电单元的首尾相接。而通过发电单元的一维束，却不是串联而是单元之间彼此独立，并且每一个单元的末速度v_K均符合传热原则。

启动过程：启动电源(5)通过转换开关(13)向I₁单元提供启动电压U_ST＝U_AB。发电系统的负载是I₂单元A、B极板，但没有形成电回路，为此必须在J、K极板上增设电阻R_L1(12)。考虑到转换效率η_e，R_L1的阻值往往比较大，根据前面的计算参数，如果R_L1＝1(Ω)，就会产生一个很小的电压U_R≈0.0067(V)，并建立起一个很弱的电场E_AB′＝U_R/d₂≈6.5(V/m)，这样就可以使负载加重同时U_R也会有所提高，U_R的提高又会使负载进一步加重，U_R进一步提高。这种“正反馈”机制会在很短的时间内使发电系统达到正常值输出。每一个单元都将重复上述过程直到I_n单元，当负载(在这里一般采用大功率电阻代之)R_L上的电压U_JK＝U_ST时，将开关(13)由1位(启动)拨至2位(运行)即形成闭合循环。整个启动过程，由I₁至I_n单元需要一定的时间，这正是在系统中形成能量积累的过程。

发电单元中发电系统是由J、K极板和j、k极板组成，也可以是J、K、k极板组成，其中K、j为同一极板。J、K系统完成启动能量A_e的复制，j、k系统则对外输出净功率。图2中的净输出是由各单元的j、k极板串联，并与负载R_L2(14)、一维束构成电回路。串联可以提高输出电压，若并联则可以增大输出电流。若设，启动功率P_ST＝1000W，那么，发电单元总数I_n

        I_n＝(∑P-ΔP)/P_ST＝283由于电阻R_L1的存在，必然有功率损耗P_R(W)即

        P_R＝U_JKI_R＝2V×2A＝4于是，发电系统的转换效率η_e

η_e＝(P_ST-P_R)/P_ST＝0.996

图3是一维束原理图，一维束是由单极性电荷组合而成并且在一维方向上顺序排列，每一个电荷在电场中都有相同的加速度或减速度，若用力学关系表示即

       v₂-v₁=at₁，v_(n-1)-v_n=at_n

   v₁₂-v₁₁＝(-a)t₁₁，v_(1n-1)-v_1n＝(-a)t_1n其中加速度a、(-a)均为常数，一旦确定了参考时间t₁或t_n，就一定有t₁＝t_n。于是，就形成公差D

     D＝v₂-v₁＝v_(n-1)-v_n

     D＝v₁₂-v₁₁＝v_(1n-1)-v_1n为此，一维束在电场中自然形成等差数列。在E_AB系统中，D＞0，说明一维束中电子与电子的最小间距出现在r₁，在E_JK系统中，D＜0，说明最小间距出现在r_1n。

在束中，F_e＝eE表现为引力，而同性电荷也必然存在斥力F_r，只有当两种力相等时才能形成最大束密度，即

            eE＝e²/(4πε₀r²)于是，一维束的最小间距r₁(m)

     r₁＝[e/(4πε₀E_AB)]^1/2＝8.49×10^-7ε₀＝8.85×10^-12F/m公差D＝v₂-v₁

      v₂＝(2ar₁+v₁ ²)^1/2＝1.171×10⁵m/s

              D＝v₂-v₁＝2.57×10³于是，在d₁区间里一维束密度n_φ1

            n_φ1＝v_B/D＝372

图4是一维束电极结构图，极板(15)是由金属膜片制成，直径为φ₀，除去焊接部位(图中空白区域)，余下面积将通过微细加工技术制作微孔φ₁。φ₁孔是形成一维束的充分条件，即同性电荷在φ₁距离上的排斥力F_φ，一定大于d₁区间的电场力F_AB，即

        e²/(4πε₀φ₁ ²)＞F_AB符合了这种关系，单极性电荷只能一个接一个进入φ₁孔，即一维束。已知：F_AB＝eE_AB＝3.204×10^-16N，并设φ₁＝0.1×10^-6m。计算F_φ(N)

      F_φ＝e²/(4πε₀φ₁ ²)＝3.2×10^-14上式证明，选择φ₁＝0.1×10^-6m能够实现一维束。

图5是电场电极结构放大图，是对内系统(7)局部放大。将束电极(15)嵌入各金属极板中(如A、B、J、K、j、k)焊接并与极板保持同一平面。在各极板之间填充电绝缘体(16)并要求各极板上的φ₀孔同一轴线，各极板上的束电极(15)的φ₁孔也同一轴线。

φ₀孔的确定涉及到两种力的计算即平行板受力、束对极板的反作用力，相比之下后者可以忽略。根据静电计原理计算出极板受力F_c(N)

        F_c＝2πσ²S_φ0σ-面电荷密度C/m²S_φ0-受力极板的面积m²将E_AB＝U_AB/d₁＝4πσ带入上式，得

        F_c＝2π(E_AB/4π)² S_φ0设，束极板φ₀＝0.6mm，S_φ＝πφ₀ ²/4＝2.826×10^-7m²，极板受力F_c

        F_c＝2π×(2000/4π)²×2.826×10^-7＝0.045此力对于束极板而言是十分安全的。

Claims (9)

1.由热电转换系统、发电系统共同组成内系统(7)，由真空容器(8)、热源(9)、热媒(10)共同组成外系统，其特征是：内系统(7)被外系统所包围彼此隔离，但存在电联系即真空容器(8)与A电极(1)均保持相同电位即零电位，热媒(10)只能从A电极(1)进入，由K电极(4)输出，热电转换系统是由电源U_AB连接平行板A电极(1)、B电极(2)并与通过A、B电极的一维束(D＞0)构成电回路，发电系统由负载R_L(6)将平行板J电极(3)、K电极(4)连接起来并与通过J、K电极的一维束(D＜0)构成电回路，发电系统之后要求带电粒子的末速度v_K符合mv_K ²/2＜3KT₀/2传热关系。

2.根据权利要求1所述，热电转换系统电回路其特征是：平行板电场E_AB从A电极前面选取单一带电粒子顺序进入电场，并在电场中完成热能E_h与电场力作功A_e的迭加。

3.根据权利要求1所述，φ₁孔是形成一维束的充分条件其特征是：单极性电荷在φ₁距离上的排斥力F_φ，一定要大于电场力F_AB，即F_φ＞F_AB。

4.根据权利要求1所述，发电系统电回路其特征是：带电粒子因受到平行板感应电场E_JK的轴向反向作用力，在直线运动方向上减速。

5.根据权利要求1所述，发电系统一维束其特征是：公差D＞0的一维束在经过感应电场E_JK的同时，其公差转变为D＜0。

6.根据权利要求1所述，启动原理其特征是：将发电机总的电量容量进行细化，分成若干个与启动能量相同的发电单元(11)，首尾相接构成A_e的循环回路。

7.根据权利要求1所述，其特征是：系统热效率定义为：

        η＝ΔA/(E_h-E_n)

          ＝η_e-(A_e/ΔE_h)(1-η_e)。

8.根据权利要求1所述，传热系统其特征是：在真空容器(8)的内表面以及K极板(4)的背面进行电绝缘处理，防止加速电场对慢电子的影响。

9.根据权利要求1所述，其特征是：在平行板电极上开设的φ₀孔同一轴线，一维束极板(15)上的φ₁孔在平行板电极上同一轴线。

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