熱離子電源發電單元的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬熱能發電技術領域，熱離子發電單元是一種靜態的熱電轉換裝置，適用于核能、火力、太陽能發電等領域；該新型的熱離子電源能以優良和高效的性能利用核能、火力、太陽能等多種熱源，將熱能轉化為電能。
【背景技術】
[0002]熱離子能量轉換器是利用金屬表面熱電子發射現象提供電能的一種靜態發電電源，它不需要機械轉動部分直接將熱能轉化為電能。由于現有熱離子電源的發電理論的電壓計算公式:U e = 0E - 0C - E ^存在問題，導致現有熱離子電源的熱電轉化效率很低，設備可靠性差。
【發明內容】
[0003]我們修正了現有熱離子電源的發電理論，提出了新的熱離子熱電轉換理論，新理論包括熱離子電源第一電壓公式:
Ue = Q^Effl = Z1 (T,0E)；
熱離子電源第二電壓公式:
U e = E ffl - E d = /2( T ) - 0E - E d = /3 ( T, 0E, Ed)
熱離子電源實用電壓公式:
Ue = /2(T) — /2 (T，)+ (0C — 0E) — ( E d — E ’ d)
其中U為極間電壓，e為電子電量，0ES發射極逸出功,0。為接收極逸出功，E L為熱電子跨越極間時動能損失，E m為出逸熱電子的平均最大動能，E d為發射極熱電子飛躍極間距離所需要的初始能量，T為發射極工作溫度，T’為接收機工作溫度，E’ &為接收極熱電子飛躍極間距離所需要的初始能量。
[0004]新理論明確了與現有熱離子電源不同的熱電轉換原理和條件:發射極的逸出功要小于或等于接收極的逸出功，發射極的工作溫度可以等于或大于接收極的工作溫度，極間電壓與極間距離直接相關，并且隨著距離的增大而減小。
[0005]基于上述我們的熱離子電源理論和計算公式，我們的發明設計了專門用于熱離子發電單元的熱電子收發混合電極和熱電子接收極，用具有較高表面勢壘而容易俘獲熱電子的逸出功較高和熔點較高的導體制成末級接收極；熱電子收發混合電極用作發射極和中間電極；所述熱電子收發混合電極是用逸出功較高的高熔點導體作為熱電子收發混合電極的接收極基體；在接收極基體上，除需要發射熱電子的結構面外，其他各個外表面因為有較高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體上，對需要發射熱電子的結構面進行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發射熱電子的發射極表面；所述發射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯；熱離子發電單元可以由一個發射極和一個接收極組成，也可以由一個發射極、若干個中間電極和一個末級接收極依次串聯組成。
[0006]本發明所用的熱電子收發混合電極是一種由逸出功較高的高熔點導體作為基體，基體通過其較高的表面勢壘在需要俘獲熱電子的結構面上首先滿足更容易俘獲熱電子的接收極特性，而在面對其他接收極的結構面上通過降低逸出功的表面處理，使這個表面成為容易發射熱電子的發射極表面；本發明所用的熱電子接收極是一種由逸出功較高的高熔點導體制成的通過其較高的表面勢壘而更容易俘獲熱電子的電極。
[0007]熱電子接收極和熱電子收發混合電極的基體實質上是由同類材料構成，一般可以用鎢W、鑰Mo、鉭Ta、鎳N1、鉬Pt、鈮Nb、錸Re、石墨C、P型半導體等基材制造。熱電子收發混合電極上熱電子發射表面的處理方式包括貼敷:低逸出功材料、氧化物陰極材料、原子膜陰極材料、釷鎢陰極材料、稀土一鑰陰極材料、稀土一鶴基鈧系擴散陰極材料。一般用銫Cs、BaSrCa的氧化物、W-ThO2、W2O-ThO2、釷錸鎢、鈰鎢、Mo-La2O3、鋁酸鹽鋇鎢、鎢酸鹽鋇鎢、硼化物、金屬陶瓷等陰極材料來制造。
[0008]高溫熱源可以直接或間接地向各個電極補充熱量并保持一定的高溫，發射極、中間電極和末級接收極可以在相同或相近的溫度下工作，或者在發射極、中間電極和末級接收極存在依次由高到低的溫度梯度下工作，或者發射極和中間電極工作在相同的溫度下，而讓末級接收極工作在溫度相對較低的條件下。上述發射極和中間電極均不需要降溫排熱而處于同一個高溫熱腔內，末級接收極在不俘獲熱電子的側面需要具備可以控制散熱量，并能使接收極保持一定溫度的散熱條件，末級接收極需要通過少量的降溫排熱來保持其溫度小于或等于收發混合電極(包括發射極和中間電極)的工作溫度。末級接收極上的熱量來源主要是由熱電子流帶來的珀爾貼熱和中間電極向其輻射的熱量。發射極和中間電極保持高溫的目的是要實現熱電子發射，使熱能以熱電子發射的方式轉化為電勢能；末級接收極需要通過少量排熱來維持其不高于收發混合電極的溫度、并且維持在較高溫度水平的原因是要減小其相鄰中間電極向其輻射的熱量，進而減小排熱和熱能損失。
[0009]【附圖說明】:
圖1熱電子收發混合電極；
圖2熱離子發電單元結構示意圖。
[0010]圖中，1、熱電子收發混合電極，2、收發混合電極的接收極基體，3、收發混合電極的發射極表面，4、第I級熱電子收發混合電極，5、第2級熱電子收發混合電極，6、第3級熱電子收發混合電極，7、第4級熱電子收發混合電極，8、第m級熱電子收發混合電極，9、末級(第η級)熱電子接收極，10、絕熱外殼，11、導線，12、負載，13、高溫熱源，14、向電極補充的熱量，15、珀爾貼熱，16、回路電流，17、散熱裝置。
[0011]【具體實施方式】:
參照附圖，對本發明作進一步說明。
[0012]用具有較高表面勢壘而容易俘獲熱電子的逸出功較高和熔點較高的導體制成末級接收極9 ;熱電子收發混合電極I用作發射極和中間電極；所述熱電子收發混合電極I是用逸出功較高的高熔點導體作為熱電子收發混合電極I的接收極基體2 ;在接收極基體2上，除需要發射熱電子的結構面外，其他各個外表面因為有較高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體2上，對需要發射熱電子的結構面進行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發射熱電子的發射極表面3 ;所述發射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯；既由第I級熱電子收發混合電極4、第2級熱電子收發混合電極5、第3級熱電子收發混合電極6、第4級熱電子收發混合電極7、第m級熱電子收發混合電極8、末級熱電子接收極9，共計η個電極依次串聯排列組成熱離子發電單元的熱電轉換組件。上述的η個電極相串聯組成熱離子發電單元的熱電轉換組件包含在絕熱外殼10內部，其中末級熱電子接收極9連接散熱裝置17 ;高溫熱源13向絕熱外殼10內部補充熱量Qin，所有收發混合電極4、5、6、
7、8直接或間接地從高溫熱源13獲得向電極補充的熱量14 (Ql?Qm)，熱量14 (Ql?Qm)使得所有電極工作在相同或相近的高溫條件下，并保證各個收發混合電極的發射極表面在足夠高的溫度下發射熱電子，繼而在收發混合電極上將熱能轉化為極間電勢能El?Em。導線11將第I級熱電子收發混合電極4、負載12和末級熱電子接收極9連接成熱離子發電單元外的電流回路。回路電流16將珀爾貼熱15從第I級熱電子收發混合電極4開始，流經第2級熱電子收發混合電極5、第3級熱電子收發混合電極6、第4級熱電子收發混合電極7、第m級熱電子收發混合電極8、最終傳遞到末級熱電子接收極9，為保證末級熱電子接收極9的溫度不會持續增高，并且不會高于其他電極的溫度，用可以控制散熱量的散熱裝置17將珀爾貼熱15排出到熱離子發電單元的絕熱外殼10的外部。各級電極之間的電勢能El?Em通過導線11傳輸到負載12,負載12將獲得電能Eout。所述熱離子發電單元在各電極保持相同或相近的高溫條件下工作；或在發射極和中間電極溫度相同，而末級接收極溫度相對較低的條件下工作；或在依次經過發射極、各級中間電極、末級接收極存在由高到低的溫度梯度的條件下工作；其中發射極和中間電極的工作溫度必須保持在能夠高效發射熱電子的溫度范圍。
【主權項】
1.一種熱離子電源發電單元，其特征在于:用逸出功較高的高熔點導體制成更容易俘獲熱電子的熱電子末級接收極(9);熱電子收發混合電極(I)用作發射極和中間電極；所述熱電子收發混合電極(I)是用逸出功較高的高熔點導體作為熱電子收發混合電極(I)的接收極基體(2)，在接收極基體(2)上，除需要發射熱電子的結構面外，其他各個外表面因為有較高的表面勢壘而容易俘獲熱電子；在接收極基體(2)上，對需要發射熱電子的結構面進行降低逸出功的表面處理，使此表面成為容易發射熱電子的發射極表面(3);所述發射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯；既由第I級熱電子收發混合電極(4)、第2級熱電子收發混合電極(5)、第3級熱電子收發混合電極(6)、第4級熱電子收發混合電極(7)、第m級熱電子收發混合電極(8)、末級熱電子接收極(9)，共計η個電極依次串聯排列組成熱離子發電單元的熱電轉換組件，其中m > 1，n=m+l。
2.按照權利要求1所述的熱離子電源發電單元，其特征在于:所述的η個電極相串聯組成熱離子發電單元的熱電轉換組件包含在絕熱外殼(10)內部，其中末級熱電子接收極(9)連接散熱量可控的散熱裝置(17);高溫熱源(13)向絕熱外殼(10)內部補充熱量；導線(11)將第(I)級熱電子收發混合電極(4)、負載(12)和末級熱電子接收極(9)連接成熱離子發電單元外的電流回路。
3.按照權利要求1所述的熱離子電源發電單元，其特征在于:所述熱離子發電單元在各電極保持相同或相近的高溫條件下工作；或在發射極和中間電極溫度相同，而末級接收極溫度相對較低的條件下工作；或在依次經過發射極、各級中間電極、末級接收極存在由高到低的溫度梯度的條件下工作；其中發射極和中間電極的工作溫度必須保持在能夠高效發射熱電子的溫度范圍。
【專利摘要】本發明涉及一種熱離子電源發電單元，其特征在于：用逸出功較高的高熔點導體制成更容易俘獲熱電子的熱電子末級接收極9；熱電子收發混合電極1用作發射極和中間電極；所述發射極、若干中間電極和末級接收極依次串聯；既由第1級熱電子收發混合電極4、第2級熱電子收發混合電極5、第3級熱電子收發混合電極6、第4級熱電子收發混合電極7、第m級熱電子收發混合電極8、末級熱電子接收極9，共計n個電極依次串聯排列組成熱離子發電單元的熱電轉換組件，本發明能以優良和高效的性能利用到核能、火力、太陽能等多種熱源，熱離子電源的熱電轉化效率大大得到提高。
【IPC分類】H02N3-00
【公開號】CN104753395
【申請號】CN201310478093
【發明人】張維國
【申請人】張維國
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月26日