1、高效熱能發(fā)電機-高效率實現熱電直接轉換的發(fā)電機高效熱能發(fā)電機是一種不需要任何運動部件,直接把熱能高效轉變成電能的發(fā)電設備,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)電功率的設備.小型設備可用于汽車發(fā)動機尾氣熱發(fā)電,大型設備可應用在沙漠太陽能熱發(fā)電和中型核電上.目前,大局部直接實現熱電轉換的發(fā)電設備的共同的特點：熱電轉換效率低,發(fā)電功率小.本發(fā)電機通過改進熱電子發(fā)電熱離子發(fā)電技術實現了高效率、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創(chuàng)造專利,名稱：高效熱能發(fā)電機,專利申請?zhí)枺?02110175967.2.熱電子發(fā)電

2、是一種利用愛迪生效應來發(fā)電的技術,是把熱能直接轉變成電能的發(fā)電技術！愛迪生效應：“加熱某種金屬材料到達一定溫度后,金屬中的電子獲得足夠的動能,可以克服金屬外表“勢壘的障礙,擺脫金屬原子核的束縛,逸出金屬外表而進入外部空間的現象.傳統(tǒng)的熱電子發(fā)電裝置由發(fā)射器和接收器兩個根本部件組成如圖1所示.兩者由一個小空間分隔開.發(fā)射器經加熱后逸出電子,電子通過中間空間到達收集器,并在發(fā)射器和收集器之間形成電勢差.接通外部負載,就成為低壓直流電源.具原理圖如圖1所示圖中,金屬板A為發(fā)射器.圖1熱電子發(fā)電原理圖上述發(fā)電裝置發(fā)電容量較小,效率低,不能實現大功率熱電轉換！主要原因:隨著熱電子發(fā)射,發(fā)射器和接收器之間

3、產生電勢差,兩者之間形成電場下文中稱為逸出電場,逸出電子到達收集器必須克服電場做功,所以到達收集器的熱電子流較小,輸出功率自然也較小.提升發(fā)射器工作溫度可提升逸出電子初動能,從而可提升發(fā)電功率,但提升非常有限.利用熱電子發(fā)電要實現高效率、高功率的熱電轉換,關鍵就是提升發(fā)射器輻射到接收器的熱電子流強度.一天我在學校實驗室受到一只被點亮電子管的啟發(fā),繪出了本創(chuàng)造最初發(fā)電的原理圖圖2:高壓直流電壓源底板H金屬板A發(fā)射器|熱源圖2高效熱能發(fā)電機原理圖限圖中X物濯場確這個原理圖很簡單,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制備的氧化物涂層,構

4、成發(fā)射器.使用氧化物陰極技術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,增加設備復雜性,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)電效率提升.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,之間通過導線相連在一起構成接收器下文也稱電子收集板.每塊電子收集板

5、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AB之間的距離,寬邊垂直水平面如圖2所示.發(fā)電裝置內,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之間參加一個強磁場,磁場方向與外加電場方向垂直,與金屬板AB平面平行,與電子收集板平面平行.磁場方向如圖2所示,磁感應強度為Bo6、霍爾效應：當電流垂直于外磁場通過導體時,在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差.此創(chuàng)造與磁流體發(fā)電機在原理上有相似之處,都利用了霍爾效應.發(fā)電過程：熱源持續(xù)均勻加熱金屬板A發(fā)射器,到達工作溫度后,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

6、用下,到達電子收集板需磁場磁感應強度B足夠大,發(fā)射器與接收器就形成了較高的電勢差.當兩者通過外電路接通時,負載上就有電流通過,這就是發(fā)電過程.能量轉換過程：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向,到達收集器各電子收集板之間有導線互連構成收集器,最終從收集器上連接負載,就可以和發(fā)射器構成回路,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,只有熱電子流到達收集器時,一局部能量轉化為收集板的熱能

7、而損失掉,其它大局部熱能都轉換為電能,所以發(fā)電機是高效的.轉化為收集板的熱能中,一小局部來自熱電子剩余動能,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,這局部能量來自熱源加熱.當熱電子到達收集板,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

8、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,收集板會在強電場作用下,向內桶輻射熱電子；收集板上更容易產生二次電子輻射,影響發(fā)電機正常運行.發(fā)電功率估算：假設沒有參加磁場,當熱源持續(xù)均勻加熱金屬板A到達工作溫度后,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：假設金屬板A上外表面積為1平方米,氧化物陰極到達一定的溫度,最高可實現每平方厘米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,電流應該沒這么

9、高,但至少1/52000A可以到達.發(fā)射器與接集器之間的輸出電動勢應該與外加電場E、磁感應強度R發(fā)射器溫度正相關,當金屬板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.估算不夠嚴謹、準確,但卻可以說明只要加熱功率有保證,發(fā)電機能夠實現高功率發(fā)電.圖2只是“高效熱能發(fā)電機最初的精簡的原理圖,我實際的創(chuàng)造與之原理相同,但結構有所改變,如圖3.、圖4所示,發(fā)電機采用的是圓柱筒體結構,金屬板A發(fā)射器變形為外金屬桶,金屬板B變形為同軸的內圓柱金屬桶,內桶半徑小于外桶半徑的一半.內、外兩桶同軸,如圖3、圖4所示.創(chuàng)造采用圓柱筒體

10、結構主要原因：1、發(fā)電裝置在有限體積內,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,這種結構容易封裝,結構簡單.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,內金屬桶為陽極,加電壓后,兩桶之間將會將會產生一個強電場E.內、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、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

11、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,所有電子收集板由底部導線相連成一體構成接收器.接收器、外金屬桶、內金屬桶之間高度絕緣,桶內為真空環(huán)境.在內、外金屬桶之間加一超強磁場,磁場用高性能的磁鐵或超導磁體產生,磁場磁感應強度為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.磁鐵圖3系統(tǒng)透視圖為均勻、快速地加熱整個發(fā)電機的外圓柱桶外壁,加熱采用熱傳導液傳導.在發(fā)電裝置的外金屬桶外包環(huán)形管道,保證熱傳導液在環(huán)管內均勻、快速流過外金屬桶外外表,完成加熱.加熱過程：熱源加熱熱傳導液,熱傳導液加熱發(fā)射器外金屬桶之后流回,由熱源重新加熱再循

12、環(huán)回來加熱.整個加熱系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng).為保證效率,熱傳導液流經的環(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,只有熱電子流到達收集板時,一局部能量轉化為收集板的熱能而損失掉,其它大局部熱能都轉換為電能,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.圖4橫橫面圖用電子管氧化物陰極工藝技術實現在外圓柱金屬桶內外表的氧化物涂層.電子管陰極技術開展很快,工藝不斷進步.采用氧化銃摻雜鴇基體應用于堿土金屬鋼擴散陰極技術,陰極外表活性層具有較強的自恢復水平,耐高溫和抗離子轟擊性能強,具有長期穩(wěn)定工作的潛能,此類工藝技術制備的陰極非常適合用于本發(fā)

13、明.實際發(fā)電機結構比照圖2雖然有所改變,但原理完全相同,不再贅述發(fā)電過程.上述創(chuàng)造原理很簡單,結構也不復雜,目前已申請專利,專利申請?zhí)枺?02110175967.2以上所述創(chuàng)造原理很簡單,結構也不復雜,一個中學生都可以對其一目了然.如果認定它可以大功率、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.可變電壓源圖5驗證裝置電路圖實驗裝置中電子三極管最理想是采用定制的特殊柵極結構的電子管,定制電子管要求的柵極的結構如圖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

14、片通過導線相互連接,連接同一個柵極電極.如果定制是基于是大功率電子管來做,本實驗裝置可實現較大的輸出功率.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,只要有適宜的柵極結構,四極管也可以陰極柵極陽極圖6定制電子管柵極結構實驗裝置與實際創(chuàng)造結構對應關系：電子管陰極對應外金屬桶發(fā)射極,電子管柵極充當收集器,電子管陽極相當于金屬內桶,實驗裝置的發(fā)電功率由柵極與陰極輸出.驗證過程：旋轉固定在磁場中的電子管到達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,陰極到達工作溫度后,可變電壓源從小到大逐漸提升陰、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,當電流表b的讀數還是近似為零,電流表a的讀數到達最大時停止加電壓.輕輕旋轉磁場中的電子管到達最正確角度位置此時電流表a的讀數到達最大,電流表b的讀數還是近似零.開始測量：用電壓表測出加熱電路電壓U,用電流表測出加熱電流Ir,加熱總功率Pr=U*Ir,讀出輸出電路中電流表a的讀數：輸出電流Ic,就可以得到輸出功率Pc=Ic2*R.R為輸出電路中負載電阻值.發(fā)電驗證裝置熱電轉換效率：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方我,在實驗中盡量選擇柵極結構適合接收磁場中偏轉的電子流的電子管.利用廢舊電動機