高效熱能發(fā)電機高效率實現(xiàn)熱電直接轉(zhuǎn)換的發(fā)電機

1、高效熱能發(fā)電機-高效率實現(xiàn)熱電直接轉(zhuǎn)換的發(fā)電機 高效熱能發(fā)電機是一種不需要任何運動部件，直接把熱能高效轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電設(shè)備，這種發(fā)電機發(fā)電效率不低于普通的交流發(fā)電機，且可以和交流發(fā)電機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，大部分直接實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電設(shè)備的共同的特點：熱電轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)電功率小。本發(fā)電機通過改良熱電子發(fā)電（熱離子發(fā)電）技術(shù)實現(xiàn)了高效率、高功率發(fā)電。本發(fā)電機的原理與磁流體發(fā)電機有較大的相似性。我為此曾向國家專利局申請了一個發(fā)明專利，名稱：高效熱能發(fā)電機，專利申請?zhí)枺?00910175967.2。熱電

2、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):“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)射器和接收器兩個基本部件組成（如圖1所示）。兩者由一個小空間分隔開。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）。上述發(fā)電裝置發(fā)電容量較小，效率低，不能實現(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)

3、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度。一天我在學(xué)校實驗室受到一只被點亮電子管的啟發(fā)，繪出了本發(fā)明最初發(fā)電的原理圖（圖2）：這個原理圖很簡單，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70

4、0-900攝氏度發(fā)電機就可正常工作。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。3、用高壓直流電壓源在金屬板a與金屬板b之間加一高電壓，金屬板b接正極。兩者之間就會形成一個很強的外加電場e，電場方向垂直金屬板b的平面，方向向下）。4、金屬板a與金屬板b之間放置多塊長方形金屬薄板（如圖2所示），各塊薄板互相平行，之間通過導(dǎo)線相連在一起構(gòu)成接收器（下文也稱電子收集板）。每塊電子收集板的長邊與金屬板a邊長等長，長邊水平放置，與金屬板a 的一邊

5、平行，寬小于金屬板a、b之間的距離，寬邊垂直水平面（如圖2所示）。發(fā)電裝置內(nèi)，金屬板a、金屬板b、接收器之間不接觸，完全絕緣。5、在金屬板a與金屬板b之間加入一個強磁場，磁場方向與外加電場方向垂直,與金屬板a、b平面平行，與電子收集板平面平行。磁場方向如圖2所示，磁感應(yīng)強度為b。6、霍爾效應(yīng)：當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差。此發(fā)明與磁流體發(fā)電機在原理上有相似之處，都利用了霍爾效應(yīng)。發(fā)電過程：熱源持續(xù)均勻加熱金屬板a發(fā)射器，達(dá)到工作溫度后，發(fā)射器開始持續(xù)輻射熱電子流，熱電子流在外電場、磁場共同作用下，到達(dá)電子收集板（需磁場磁感應(yīng)強度b足夠大）

6、，發(fā)射器與接收器就形成了較高的電勢差。當(dāng)兩者通過外電路接通時，負(fù)載上就有電流通過，這就是發(fā)電過程。能量轉(zhuǎn)換過程:由于引入外電場e一定程度上抵消了逸出電場的影響，發(fā)射器可發(fā)射高強度的熱電子流，熱源加熱發(fā)射器的熱能被大功率轉(zhuǎn)換為熱輻射電子逸出功與初動能。運動的熱電子流垂直穿越磁場時,在洛倫茲力作用下轉(zhuǎn)向，到達(dá)收集器（各電子收集板之間有導(dǎo)線互連構(gòu)成收集器），最終從收集器上連接負(fù)載，就可以和發(fā)射器構(gòu)成回路，而獲得電功率。只要熱源以足夠功率持續(xù)加熱，電子流穩(wěn)定持續(xù)，整個發(fā)電過程可持續(xù)進行。由于在整個發(fā)電過程中，只有熱電子流到達(dá)收集器時，一部分能量轉(zhuǎn)化為收集板的熱能而損失掉，其它大部分熱能都轉(zhuǎn)換為電能，所

7、以發(fā)電機是高效的。轉(zhuǎn)化為收集板的熱能中，一小部分來自熱電子殘余動能，最大的能量損失是發(fā)射極熱電子的逸出功，即熱電子突破“勢壘”所需的能量，這部分能量來自熱源加熱。當(dāng)熱電子到達(dá)收集板，熱電子又重入“勢壘”，必將釋放能量，這部分份能量將主要轉(zhuǎn)化為收集板的熱能，引起收集板溫度升高。要保證發(fā)電機穩(wěn)定工作，收集板的溫度不能過高，所以必須為收集板降溫。通過降溫系統(tǒng)將收集板上的廢熱排放到外部環(huán)境中。降溫系統(tǒng)：1、在收集板兩端用低溫制冷液在兩端制冷（低溫制冷液可用冷卻水，大功率發(fā)電機可用液氮）。2、水冷，收集板中有夾層，使用冷卻水流過夾層制冷。收集板的降溫系統(tǒng)是本系統(tǒng)熱循環(huán)最后階段廢熱出口。注：收集板溫度不能

8、過高的原因：如果收集板溫度過高，收集板會在強電場作用下，向內(nèi)桶輻射熱電子；收集板上更容易產(chǎn)生二次電子輻射，影響發(fā)電機正常運行。發(fā)電功率估算：若沒有加入磁場，當(dāng)熱源持續(xù)均勻加熱金屬板a達(dá)到工作溫度后，在金屬板a與金屬板b之間外加5萬伏以上高電壓，金屬板a可大強度發(fā)射熱電子，大功率地帶走熱源的熱能。整個裝置就類似一個大的“電子管”，可以估算出這個“電子管”的電流強度：假設(shè)金屬板a上表面面積為1平方米，氧化物陰極達(dá)到一定的溫度，最高可實現(xiàn)每平方厘米1a的持續(xù)輻射電流，那么金屬板a的發(fā)射電流就有10000a。在實際發(fā)電過程中，由于發(fā)射器與接收器之間存在電動勢，電流應(yīng)該沒這么高，但至少1/5（2000a

9、 ）可以達(dá)到。發(fā)射器與接集器之間的輸出電動勢應(yīng)該與外加電場e、磁感應(yīng)強度b、發(fā)射器溫度正相關(guān)，當(dāng)金屬板a與金屬板b之間外加5萬伏以上高電壓時，輸出的電壓應(yīng)該不會小于5000伏。電流按2000a計算，發(fā)電機的輸出功率為1萬千瓦。估算不夠嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確，但卻可以說明只要加熱功率有保證，發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)高功率發(fā)電。圖2只是“高效熱能發(fā)電機最初的”精簡的原理圖，我實際的發(fā)明與之原理相同，但結(jié)構(gòu)有所改變，如圖3.、圖4所示，發(fā)電機采用的是圓柱筒體結(jié)構(gòu)，金屬板a發(fā)射器變形為外金屬桶，金屬板b變形為同軸的內(nèi)圓柱金屬桶，內(nèi)桶半徑小于外桶半徑的一半。內(nèi)、外兩桶同軸，如圖3、圖4所示。發(fā)明采用圓柱筒體結(jié)構(gòu)主要原因：1、

10、發(fā)電裝置在有限體積內(nèi)，發(fā)射器有盡可能大的受熱面積，保證加熱功率；同時也保證發(fā)射器有盡可能大的熱電子發(fā)射面積,保證熱電子流強度。2、由于氧化物陰極需要真空工作環(huán)境，這種結(jié)構(gòu)容易封裝，結(jié)構(gòu)簡單。直流高壓電壓源在兩金屬桶之間加一直流高電壓(1-10萬伏, 內(nèi)金屬桶為陽極)，加電壓后，兩桶之間將會將會產(chǎn)生一個強電場e。內(nèi)、外金屬桶之間放入電子收集板，電子收集板為長方形金屬薄板，長為圓柱金屬桶的高，寬為內(nèi)、外圓柱桶半徑之差的2/3。電子收集板長邊與圓柱中軸線平行，寬邊沿徑線方向放置（如圖4 橫截面圖所示，這樣放置，對電場、磁場產(chǎn)生屏蔽最?。?。本系統(tǒng)共需電子收集板16塊（在圖3 透視原理圖中,為了清楚顯示

11、，只繪出了16塊電子收集板中的兩塊，正對視線方向的兩塊），相鄰電子收集板之間夾角22.5,所有電子收集板由底部導(dǎo)線相連成一體構(gòu)成接收器。接收器、外金屬桶、內(nèi)金屬桶之間高度絕緣,桶內(nèi)為真空環(huán)境。在內(nèi)、外金屬桶之間加一超強磁場，磁場用高性能的磁鐵或超導(dǎo)磁體產(chǎn)生, 磁場磁感應(yīng)強度為b，磁場方向與外加電場方向垂直，與圓柱筒體中軸線平行，如圖3所示。為均勻、快速地加熱整個發(fā)電機的外圓柱桶外壁，加熱采用熱傳導(dǎo)液傳導(dǎo)。在發(fā)電裝置的外金屬桶外包環(huán)形管道，保證熱傳導(dǎo)液在環(huán)管內(nèi)均勻、快速流過外金屬桶外表面，完成加熱。加熱過程：熱源加熱熱傳導(dǎo)液，熱傳導(dǎo)液加熱發(fā)射器（外金屬桶）之后流回，由熱源重新加熱再循環(huán)回來加熱。

12、整個加熱系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。為保證效率，熱傳導(dǎo)液流經(jīng)的環(huán)管和其它管道，外圍均采用絕熱材料包裹，減少熱量損失。整個發(fā)電過程中，只有熱電子流到達(dá)收集板時，一部分能量轉(zhuǎn)化為收集板的熱能而損失掉，其它大部分熱能都轉(zhuǎn)換為電能，所以發(fā)電機是高效的。收集板的廢熱通過降溫系統(tǒng)將收集板上的廢熱排放到外部環(huán)境中。用電子管氧化物陰極工藝技術(shù)實現(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，工藝不斷進步。采用氧化鈧摻雜鎢基體應(yīng)用于堿土金屬鋇擴散陰極技術(shù)，陰極表面活性層具有較強的自恢復(fù)能力，耐高溫和抗離子轟擊性能強，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。實際發(fā)電機結(jié)構(gòu)對比圖

13、2雖然有所改變，但原理完全相同，不再贅述發(fā)電過程。上述發(fā)明原理很簡單，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜,目前已申請專利，專利申請?zhí)枺?00910175967.2以上所述發(fā)明原理很簡單，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，一個中學(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證裝置，驗證裝置電路圖如圖5。圖5中的電子三極管始終垂直固定于強磁場中。實驗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，連接同一個柵極電極。如果定制是基

14、于是大功率電子管來做，本實驗裝置可實現(xiàn)較大的輸出功率。（實驗裝置用電子三極管的原因是想借其柵極做電子收集器，只要有合適的柵極結(jié)構(gòu)，四極管也可以）實驗裝置與實際發(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，實驗裝置的發(fā)電功率由柵極與陰極輸出。驗證過程：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)電驗證裝置熱電轉(zhuǎn)換效率：pc/ pr 。雖然實驗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。無條件定制電子管者（比如我），在實驗中盡量選擇柵極結(jié)構(gòu)適合接收磁場中偏轉(zhuǎn)的電子流的電子管。利用廢舊電動機的磁鐵，