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)

1、. .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)高效熱能發(fā)電機(jī)是一種不需要任何運(yùn)動(dòng)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(dòng)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，大局部直接實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電設(shè)備的共同的特點(diǎn)：熱電轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)電功率小。本發(fā)電機(jī)通過改良熱電子發(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。我為此曾向國家專利局申請了一個(gè)創(chuàng)造專利，名稱：高效熱能發(fā)電機(jī)，專利申請?zhí)枺?.2。熱電子發(fā)電是一種利用愛迪生

2、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):“加熱某種金屬材料到達(dá)一定溫度后，金屬中的電子獲得足夠的動(dòng)能，可以抑制金屬外表“勢壘的障礙，擺脫金屬原子核的束縛，逸出金屬外表而進(jìn)入外部空間的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的熱電子發(fā)電裝置由發(fā)射器和接收器兩個(gè)根本部件組成如圖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。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

3、為逸出電場，逸出電子到達(dá)收集器必須抑制電場做功，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(dòng)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)亮電子管的啟發(fā)，繪出了本創(chuàng)造最初發(fā)電的原理圖圖2：這個(gè)原理圖很簡單，可以一目了然。但為防止誤解我還是對圖2的作個(gè)簡單說明：1、金屬板A上外表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

4、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(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)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

5、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之間參加一個(gè)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差。此創(chuàng)造與磁流體發(fā)電機(jī)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，到達(dá)工作溫度后，發(fā)射器開場持續(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(qiáng)度B足夠大，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(shí)，負(fù)

6、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(qiáng)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(dòng)能。運(yùn)動(dòng)的熱電子流垂直穿越磁場時(shí),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(gè)發(fā)電過程可持續(xù)進(jìn)展。由于在整個(gè)發(fā)電過程中，只有熱電子流到達(dá)收集器時(shí)，一局部能量轉(zhuǎn)化為收集板的熱能而損失掉，其它大局部熱能都轉(zhuǎn)換為電能，所以發(fā)電機(jī)是高效的。轉(zhuǎn)化為收集板的熱能中，一小局部來自熱電子剩余動(dòng)能，

7、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，這局部能量來自熱源加熱。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，這局部份能量將主要轉(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(jī)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(jī)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：收集板溫度不能過高的原因：如果收集板溫度過高，收集板會(huì)在強(qiáng)電場作用下，向內(nèi)桶輻射熱電子；收

8、集板上更容易產(chǎn)生二次電子輻射，影響發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。發(fā)電功率估算：假設(shè)沒有參加磁場，當(dāng)熱源持續(xù)均勻加熱金屬板A到達(dá)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(qiáng)度發(fā)射熱電子，大功率地帶走熱源的熱能。整個(gè)裝置就類似一個(gè)大的“電子管，可以估算出這個(gè)“電子管的電流強(qiáng)度：假設(shè)金屬板A上外外表積為1平方米，氧化物陰極到達(dá)一定的溫度，最高可實(shí)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(shí)際發(fā)電過程中，由于發(fā)射器與接收器之間存在電動(dòng)勢，電流應(yīng)該沒這么高，但至少1/52000A 可以到達(dá)。發(fā)射器與接集器之間的輸出電動(dòng)勢應(yīng)該與外加電場E、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、發(fā)射器

9、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(shí)，輸出的電壓應(yīng)該不會(huì)小于5000伏。電流按2000A計(jì)算，發(fā)電機(jī)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(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高功率發(fā)電。圖2只是“高效熱能發(fā)電機(jī)最初的精簡的原理圖，我實(shí)際的創(chuàng)造與之原理一樣，但構(gòu)造有所改變，如圖3.、圖4所示，發(fā)電機(jī)采用的是圓柱筒體構(gòu)造，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。創(chuàng)造采用圓柱筒體構(gòu)造主要原因：1、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(shí)也保證發(fā)射器有盡

10、可能大的熱電子發(fā)射面積,保證熱電子流強(qiáng)度。2、由于氧化物陰極需要真空工作環(huán)境，這種構(gòu)造容易封裝，構(gòu)造簡單。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(huì)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)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)生屏蔽最小。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，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

11、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(qiáng)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(qiáng)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(gè)發(fā)電機(jī)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外表，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。整個(gè)加熱系統(tǒng)是一個(gè)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

12、裹，減少熱量損失。整個(gè)發(fā)電過程中，只有熱電子流到達(dá)收集板時(shí)，一局部能量轉(zhuǎn)化為收集板的熱能而損失掉，其它大局部熱能都轉(zhuǎn)換為電能，所以發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)在外圓柱金屬桶內(nèi)外表的氧化物涂層。電子管陰極技術(shù)開展很快，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)，陰極外表活性層具有較強(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創(chuàng)造。實(shí)際發(fā)電機(jī)構(gòu)造比照圖2雖然有所改變，但原理完全一樣，不再贅述發(fā)電過程。上述創(chuàng)造原理很簡單，構(gòu)造也不復(fù)雜,目前已申請專

13、利，專利申請?zhí)枺?.2以上所述創(chuàng)造原理很簡單，構(gòu)造也不復(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構(gòu)造的電子管，定制電子管要求的柵極的構(gòu)造如圖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)裝置用電子三極管的原因是想借其柵極做電子收集器，只要有適宜的

14、柵極構(gòu)造，四極管也可以實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)際創(chuàng)造構(gòu)造對應(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到達(dá)最適宜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，陰極到達(dá)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)到達(dá)最大時(shí)停頓加電壓。輕輕旋轉(zhuǎn)磁場中的電子管到達(dá)最正確角度位置此時(shí)電流表a的讀數(shù)到達(dá)最大，電流表b的讀數(shù)還是近似零。開場測量：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方我，在實(shí)驗(yàn)中盡量選擇柵極構(gòu)造適合接收磁場中偏轉(zhuǎn)的電子流的電子管。利用廢舊電動(dòng)機(jī)的磁鐵，換用不同電子