高效热能发电机

所属技术领域

高效热能发电机（专利申请号：[1**********]72），是利用霍尔效应，使定向电子流与磁场相对运动而发电的一种设备。原理与磁流体发电机相似，但此发电机以定向电子流取代等离子流，工作温度远低于磁流体发电机，且无电极腐蚀难题。

高功率电子管在工作时，由于外加电压的存在，其阴极可以实现大功率的热电转换，且转换的效率也较高。但电子管阴极热转化的“电”，以定向电子流的形式存在，电子流在电场驱动下，定向运动到阳极，又全部转换为更多的热能（其中还包含一部分外加电源输出的电功率,P=UI）,这并非可输出的电能。

此发电系统采用类电子管结构，通过外加电场，实现热阴极以较大的功率进行热电转换，产生趋向阳极运动的定向电子流，同时利用霍尔效应，外加与电子流运动方向垂直的磁场，电子流在磁场作用下偏转到电子收集板（图2为原理图），无法到达外加电源的阳极,从而形成电子收集板与阴极之间的电势差，连接负载输出即完成发电过程。由于外加高电压的存在，电子流运动的定向性好，相对于磁场垂直运动的速度很快，所以可以产生很高的感应电动势，也即：收集板和阴极之间可以产生高电势差。且外电源电压越高，收集板和阴极之间的电势差越高。

详细介绍

高效热能发电机是一种不需要任何运动部件，直接把热能转变为电能的发电设备，此发电机与交流发电机一样可以制成多种不同发电功率的设备。其原理是通过改良热电子发电技术，实现高功率发电的设备。其原理与磁流体发电机相似，但此发电机以电子流取代等离子流，工作温度远低于磁流体发电机（工作温度只有700-900摄氏度），且不存在电极腐蚀的难题。整个发电系统闭环运作，效率较高。

热电子发电是一种利用爱迪生效应来发电的技术，是把热能直接转变成电能的发电技术！爱迪生效应是“加热某种金属材料达到一定温度后，金属中的电子获得足够的动能，可以克服金属表面“势垒”的障碍，摆脱金属原子核的束缚，逸出金属表面而进入外部空间的现象。”传统的热电子发电装置由发射器和接收器两个基本部件组成（如图1所示）。两者由一个小空间分隔开。发射器经加热后逸出电子，电子通过中间空间到达收集器，并在发射器和收集器之间形成电势差。接通外部负载，就成为低压直流电源。其原理图如图1所示（图中，金属板A为发射器）。

上述发电装置发电容量较小，效率低，不能实现大功率热电转换！主要原因：随着热电子发射，发射器和接收器之间产生电势差，两者之间形成电场（下文中称为逸出电场），逸出电子到达收集器必须克服电场做功，由于电子荷质比较大，所以能够到达收集器的热电子流较小，输出功率自然也较小。提高发射器工作温度可提高逸出电子初动能，从而可提高发电功率，但因为电子荷质比高的原因，提高非常有限。

利用热电子发电要实现高效率、高功率的热电转换，关键就是提高发射器辐射到接收器的热电子流强度。高效热能发电机的发明是受到电子管的工作原理启发，其原理图如下（图2）：

这个原理图很简单，可以一目了然。下面对图2的做个简单说明：

1、金属板A上表面是以电子管氧化物阴极工艺技术制备的氧化物涂层，构成发射器。使用氧化物阴极技术主要是为降低工作温度，发射器温度只需保持在700-900摄氏度发电机就可正常工作。它与金属板B（两者是同样大小正方形金属薄板）水平放置，平行相对，两者之间空间是真空环境

2、氧化物阴极需要真空工作环境，增加设备复杂性，但真空却大大减少了发射器与收集器之间直接的热交换，有助于发电效率提高。

3、用高压直流电压源在金属板A与金属板B之间加一高电压，金属板B接正极。两者之间就会形成一个很强的外加电场E，电场方向垂直金属板B的平面，方向向下）。

4、在金属板A与金属板B之间加入一个强磁场，磁场方向与金属板A、B平面平行，与外加电场方向垂直,与电子收集板平面平行。磁场方向如图2所示，磁感应强度为B（×表示磁场方向）。

5、金属板A与金属板B之间放置多块长方形金属薄板（如图2所示），各块薄板互相平行，之间通过导线相连在一起构成接收器（下文也称电子收集板）。每块电子收集板的长边与金属板A边长等长，长边水平放置，与金属板A的一边平行，宽小于金属板A、B之间的距离，宽边垂直水平面（如图2所示）。发电装置内，金属板A、金属板B、接收器之间不接触，完全绝缘。

6、电子收集板需保持较低工作温度，所以要额外使用降温系统。降温系统实现方案：在电子收集板内有夹层，可让液氮流过夹层来带走废热，保持低温。

7、热源以较高功率持续加热发射板A，保证发射板在辐射电子流后损失热能后仍能保持在正常的工作温度（700-900摄氏度）。

发电过程：热源持续均匀加热金属板A发射器，达到工作温度后，发射器开始向外持续辐射热电子流，热电子流在外加电场作用下，趋向向上运动，运动的电子流在磁场作用下转向，到达电子收集板（需磁场磁感应强度B足够大），发射器与接收器就形成了较高的电势差。当两者通过外电路接通时，负载上就有电流通过，这就是发电过程。

能量转换过程:由于引入外电场E一定程度上抵消了逸出电场的影响，发射器可发射高强度的热电子流，热源加热发射器的热能被大功率转换为热辐射电子逸出功与初动能。运动的热电子流垂直穿越磁场时,在洛伦兹力作用下转向，到达收集器（各电子收集板之间有导线互连构成收集器），最终从收集器上连接负载，就可以和发射器构成回路，而获得电功率。只要热源以足够功率持续加热，保证发射极维持在工作温度，电子流稳定持续，整个发电过程可持续进行。由于在整个发电过程中，只有热电子流到达收集器时，一部分能量转化为收集板的热能而损失掉，其它大部分热能都转换为电能，所以发电机是高效的。当然发射极也会向外热辐射，损失一部分能量。

能量转换过程：热能----电子流----电能与废热（废热通过收集板降温系统排出到外部环境）

由于在整个发电过程中，热电子流到达收集器时，一部分能量转化为收集板的热能而导致收集板温度上升（热辐射也会导致收集板温度上升），会影响发动机稳定工作，需用降温系统将收集板降温。实现方法：电子收集板内有夹层，可让液氮流过夹层汽化来带走废热，让收集板保持较低温度。

发电功率估算：若没有加入磁场，当热源持续均匀加热金属板A达到工作温度后，在金属板A与金属板B之间外加5万伏以上高电压，金属板A可大强度发射热电子，大功率地带走热源的热能。整个装置就类似一个大的“电子管”，可以估算出这个“电子管”的电流强度：假设金属板A上表面面积为1平方米，氧化物阴极达到一定的温度，理论上可实现每平方厘米1A的持续辐射电流，那么金属板A的发射电流就有10000A。在实际发电过程中，由于发射器与接收器之间存在电势差，电流应该达不到这么高。发射器与接集器之间的输出电势差应该与外加电场E、磁感应强度B、发射器温度正相关，当金属板A与金属板B之间外加5万伏以上高电压时，输出的电压至少可以保持不小于5000伏。电流按2000A计算，发电机的输出功率为1万千瓦。估算不够严谨、准确，但却可以说明只要加热功率有保证，发射极可以保持工作温度，发电机能够实现高功率发电。

图2只是“高效热能发电机最初的”精简的原理图，实际的发明原理与之相同，但结构有所改变，如图3.、图4所示，发电机采用的是圆柱筒体结构，金属板A发射器变形为外金属桶，金属板B变形为同轴的内圆柱金属桶，内桶半径小于外桶半径的一半。内、外两桶同轴，如图3、图4所示。发电机采用圆柱筒体结构主要原因：1、发电装置在有限体积内，发射器有尽可能大的受热面积，保证加热功率；同时也保证发射器有尽可能大的热电子发射面积,保证热电子流强度。2、由于氧化物阴极需要真空工作环境，这种结构容易封装，结构简单。3、便于将带个发电装置用绝热材料包裹，减少向外的热散失。

直流高压电压源在两金属桶之间加一直流高电压(1-10万伏,内金属桶为阳极)，加电压后，两桶之间将会将会产生一个强电场E。在内、外金属桶之间加一超强磁场，磁场用高性能的磁铁或超导磁体产生,磁场磁感应强度为B，磁场方向与外加电场方向垂直，与圆柱筒体中轴线平行，如图3所示。内、外金属桶之间放入电子收集板，电子收集板为长方形金属薄板，长为圆柱金属桶的高，宽为内、外圆柱桶半径之差的2/3。电子收集板长边与圆柱中轴线平行，宽边沿径线方向放置（如图4横截面图所示，这样放置，对电场、磁场产生屏蔽最小）电子收集板内有夹层，可用液氮流过夹层来带走废热，让收集板保持较低工作温度。本系统共需电子收集板16块（在图3透视原理图中,为了清楚显示，只绘出了16块电子收集板中的两块，正对视线方向的两块），相邻电子收集板之间夹角22.5°,所有电子收集板由底部导线相连成一体构成接收器。接收器、外金属桶、内金属桶之间高度绝缘,桶内为真空环境。

为均匀、快速地加热整个发电机的外圆柱桶外壁，加热采用热传导液传导。在发电装置的外金属桶外包环形管道，保证热传导液在环管内均匀、快速流过外金属桶外表面，完成加热。

加热过程：热源加热热传导液，热传导液加热发射器（外金属桶）之后流回，由热源重新加热再循环回来加热。整个加热系统是一个密闭的循环系统。为保证效率，热传导液流经的环管和其它管道，外围均采用绝热材料包裹，减少热量损失。整个发电过程中，只有热电子流到达收集板时，一部分能量转化为收集板的热能而损失掉，其它大部分热能都转换为电能，所以发电机是高效的。

能量转换过程：热能-à电子流--à电能与废热（废热通过收集板降温系统排出到外部环境）

用电子管氧化物阴极工艺技术实现在外圆柱金属桶内表面的氧化物涂层。电子管阴极技术发展很快，工艺不断进步。采用氧化钪掺杂钨基体应用于碱土金属钡扩散阴极技术，阴极表面活性层具有较强的自恢复能力，耐高温和抗离子轰击性能强，具有长期稳定工作的潜能，此类工艺技术制备的阴极非常适合用于本发明。

实际发电机结构对比图2虽然有所改变，但原理完全相同，不再赘述发电过程。上述发明原理很简单，结构也不复杂,目前已申请专利，专利申请号：[1**********]7.2

此发明极其简单，理