高效熱能發(fā)電機(jī)

高效熱能發(fā)電機(jī)-高效率實(shí)現(xiàn)熱電直接轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)

(2012-02-0221:01:42)轉(zhuǎn)載標(biāo)簽：

高效

高功率

熱電直接轉(zhuǎn)換

熱電轉(zhuǎn)換

熱電子發(fā)電

太陽能熱電

核能

高效熱能發(fā)電機(jī)是一種不需要任何運(yùn)動部件，直接把熱能高效轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電設(shè)備，這種發(fā)電機(jī)發(fā)電效率不低于普通的交流發(fā)電機(jī)，且可以和交流發(fā)電機(jī)一樣制成多種不同發(fā)電功率的設(shè)備。小型設(shè)備可用于汽車發(fā)動機(jī)尾氣熱發(fā)電，大型設(shè)備可應(yīng)用在沙漠太陽能熱發(fā)電和中型核電上。目前，大部分直接實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電設(shè)備有些共同的特點(diǎn)：熱電轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)電功率小。本發(fā)電機(jī)通過改進(jìn)熱電子發(fā)電（熱離子發(fā)電）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效率、高功率發(fā)電。本發(fā)電機(jī)的原理與磁流體發(fā)電機(jī)有較大的相似性。

熱電子發(fā)電是一種利用愛迪生效應(yīng)來發(fā)電的技術(shù)，是把熱能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電技術(shù)！愛迪生效應(yīng)是“加熱某種金屬材料達(dá)到一定溫度后，金屬中的電子獲得足夠的動能，可以克服金屬表面“勢壘”的障礙，擺脫金屬原子核的束縛，逸出金屬表面而進(jìn)入外部空間的現(xiàn)象?！眰鹘y(tǒng)的熱電子發(fā)電裝置由發(fā)射器和接收器兩個(gè)基本部件組成（如圖1所示）。兩者由一個(gè)小空間分隔開。發(fā)射器經(jīng)加熱后逸出電子，電子通過中間空間到達(dá)收集器，并在發(fā)射器和收集器之間形成電勢差。接通外部負(fù)載，就成為低壓直流電源。其原理圖如圖1所示（圖中，金屬板A為發(fā)射器，其上表面是以電子管氧化物陰極工藝技術(shù)制備的氧化物涂層，構(gòu)成發(fā)射器）。

上述發(fā)電裝置發(fā)電容量較小，效率低，不能實(shí)現(xiàn)大功率熱電轉(zhuǎn)換！主要原因：隨著熱電子發(fā)射，發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生電勢差，兩者之間形成電場（下文中稱為逸出電場），逸出電子到達(dá)收集器必須克服電場做功，所以到達(dá)收集器的熱電子流較小，輸出功率自然也較小。提高發(fā)射器工作溫度可提高逸出電子初動能，從而可提高發(fā)電功率，但提高非常有限。

利用熱電子發(fā)電要實(shí)現(xiàn)高效率、高功率的熱電轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵就是提高發(fā)射器輻射到接收器的熱電子流強(qiáng)度。一天我在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，受到一只被點(diǎn)亮電子管啟發(fā)，發(fā)明了該設(shè)備。電子管的結(jié)構(gòu)使陰極可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的熱電子發(fā)射，我為什么不能設(shè)計(jì)個(gè)類似電子管結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置呢？于是我很快就繪出了最初發(fā)電機(jī)的原理圖（圖2）：

這個(gè)原理圖很簡單，可以一目了然。但為避免誤解我還是對圖2的作個(gè)簡單說明：1、金屬板A上表面是以電子管氧化物陰極工藝技術(shù)制備的氧化物涂層，構(gòu)成發(fā)射器。使用氧化物陰極技術(shù)主要是為降低工作溫度，發(fā)射器溫度只需保持在700-900攝氏度發(fā)電機(jī)就可正常工作。它與金屬板B（兩者是同樣大小正方形金屬薄板）水平放置，平行相對，兩者之間空間是真空環(huán)境

2、氧化物陰極需要真空工作環(huán)境，增加設(shè)備復(fù)雜性，但真空卻大大減少了發(fā)射器與收集器之間直接的熱交換，有助于發(fā)電效率提高。

用電子管氧化物陰極工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)在外圓柱金屬桶內(nèi)表面的氧化物涂層。電子管陰極技術(shù)發(fā)展很快，工藝不斷進(jìn)步。采用氧化鈧摻雜鎢基體應(yīng)用于堿土金屬鋇擴(kuò)散陰極技術(shù)，陰極表面活性層具有較強(qiáng)的自恢復(fù)能力，耐高溫和抗離子轟擊性能強(qiáng)，具有長期穩(wěn)定工作的潛能，此類工藝技術(shù)制備的陰極非常適合用于本發(fā)明。實(shí)際發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)對比圖2雖然有所改變，但原理完全相同，不再贅述發(fā)電過程。以上所述發(fā)明原理很簡單，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，一個(gè)中學(xué)生都可以對其一目了然。如果認(rèn)定它可以大功率、高效率發(fā)電，任何人都可能心生疑竇。所以，我在意見陳述中提出了我的原理驗(yàn)證裝置，驗(yàn)證裝置電路圖如圖5。圖5中的電子三極管始終垂直固定于強(qiáng)磁場中。

實(shí)驗(yàn)裝置中電子三極管最理想是采用定制的特殊柵極結(jié)構(gòu)的電子管，定制電子管要求的柵極的結(jié)構(gòu)如圖6所示。電子管中的柵極采用三塊金屬片制成，三塊金屬片形狀、放置位置如圖6所示，三塊金屬片通過導(dǎo)線相互連接，連接同一個(gè)柵極電極。如果定制是基于是大功率電子管來做，本實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。

實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)際發(fā)明結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系：電子管陰極對應(yīng)外金屬桶發(fā)射極，電子管柵極充當(dāng)收集器，電子管陽極相當(dāng)于金屬內(nèi)桶，實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)電功率由柵極與陰極輸出。驗(yàn)證過程：旋轉(zhuǎn)固定在磁場中的電子管達(dá)到最合適的角度位置（便于磁場穿過電子管，被柵極阻擋最小化），接通電子管加熱電路，陰極達(dá)到工作溫度后，可變電壓源從小到大逐漸提高陰、陽兩極之間的電壓，同時(shí)注視電流表b的指針是否為零，注意電流表a的讀數(shù)，當(dāng)電流表b的讀數(shù)還是近似為零，電流表a的讀數(shù)達(dá)到最大時(shí)停止加電壓。輕輕旋轉(zhuǎn)磁場中的電子管達(dá)到最佳角度位置（此時(shí)電流表a的讀數(shù)達(dá)到最大，電流表b的讀數(shù)還是近似零）。開始測量：用電壓表測出加熱電路電壓Ur，用電流表測出加熱電流Ir，加熱總功率Pr=Ur*Ir

，讀出輸出電路中電流表a的讀數(shù)：輸出電流Ic，就可以得到輸出功率Pc=Ic2

*R。R為輸出電路中負(fù)載電阻值。發(fā)電驗(yàn)證裝置熱電轉(zhuǎn)換效率：Pc/

Pr

。

雖然實(shí)驗(yàn)中可變電壓源也有電功率輸出，但由于電流值近似為零，功率也近似為零，所以將其忽略不計(jì)。無條件定制電子管者（比如我），在實(shí)驗(yàn)中盡量選擇柵極結(jié)構(gòu)適合接收磁場中偏轉(zhuǎn)的電子流的電子管。利用廢舊電動機(jī)的磁鐵，換用不同電子管多次實(shí)驗(yàn)，我得到的熱電轉(zhuǎn)換效率在16%-25%之間。專業(yè)人員應(yīng)該有更好的實(shí)驗(yàn)條件，可以定制大功率電子管，使用更強(qiáng)的磁場，陰、陽兩極加更高電壓。我認(rèn)為他們應(yīng)該可以得到更高的轉(zhuǎn)換效率、更大的輸出功率。我做的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)可以證明本發(fā)明原理的