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)通過改進(jìn)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(qǐng)了一個(gè)創(chuàng)造專利,名稱：高效熱能發(fā)電機(jī),專利申請(qǐng)?zhí)枺?02110175967.2.熱電子發(fā)電

2、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)：“加熱某種金屬材料到達(dá)一定溫度后,金屬中的電子獲得足夠的動(dòng)能,可以克服金屬外表“勢(shì)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(shì)差.接通外部負(fù)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(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

3、產(chǎn)生電勢(shì)差,兩者之間形成電場(chǎng)下文中稱為逸出電場(chǎng),逸出電子到達(dá)收集器必須克服電場(chǎng)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.提升發(fā)射器工作溫度可提升逸出電子初動(dòng)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(shí)現(xiàn)高效率、高功率的熱電轉(zhuǎn)換,關(guān)鍵就是提升發(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: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(jī)原理圖限圖中X物濯場(chǎng)確這個(gè)原理圖很簡(jiǎn)單,可以一目了然.但為防止誤解我還是對(duì)圖2的作個(gè)簡(jiǎn)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)

4、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(duì),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(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)的外加電場(chǎng)E,電場(chǎng)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(zhǎng)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

5、的長(zhǎng)邊與金屬板A邊長(zhǎng)等長(zhǎng),長(zhǎng)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(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(chǎng),磁場(chǎng)方向與外加電場(chǎng)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(chǎng)方向如圖2所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bo6、霍爾效應(yīng)：當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí),在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)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)射器開始持續(xù)輻射熱電子流,熱電子流在外電場(chǎng)、磁場(chǎng)共同作

6、用下,到達(dá)電子收集板需磁場(chǎng)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(shì)差.當(dāng)兩者通過外電路接通時(shí),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(chǎng)E一定程度上抵消了逸出電場(chǎng)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(chǎng)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)行.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

7、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,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(shì)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(shì)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

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(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)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(jī)正常運(yùn)行.發(fā)電功率估算：假設(shè)沒有參加磁場(chǎng),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上外表面積為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(shì),電流應(yīng)該沒這么

9、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(shì)應(yīng)該與外加電場(chǎng)E、磁感應(yīng)強(qiáng)度R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(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(jiǎn)的原理圖,我實(shí)際的創(chuàng)造與之原理相同,但結(jié)構(gòu)有所改變,如圖3.、圖4所示,發(fā)電機(jī)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.創(chuàng)造采用圓柱筒體

10、結(jié)構(gòu)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,這種結(jié)構(gòu)容易封裝,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)E.內(nèi)、外金屬桶之間放入電子收集板,電子收集板為長(zhǎng)方形金屬薄板,長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)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

11、示,只繪出了16塊電子收集板中的兩塊,正對(duì)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(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)用高性能的磁鐵或超導(dǎo)磁體產(chǎn)生,磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,磁場(chǎng)方向與外加電場(chǎng)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(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

12、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.圖4橫橫面圖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.采用氧化銃摻雜鴇基體應(yīng)用于堿土金屬鋼擴(kuò)散陰極技術(shù),陰極外表活性層具有較強(qiáng)的自恢復(fù)水平,耐高溫和抗離子轟擊性能強(qiáng),具有長(zhǎng)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)

13、明.實(shí)際發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)比照?qǐng)D2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(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜,目前已申請(qǐng)專利,專利申請(qǐng)?zhí)枺?02110175967.2以上所述創(chuàng)造原理很簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜,一個(gè)中學(xué)生都可以對(duì)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(chǎng)中.可變電壓源圖5驗(yàn)證裝置電路圖實(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

14、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,只要有適宜的柵極結(jié)構(gòu),四極管也可以陰極柵極陽極圖6定制電子管柵極結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)際創(chuàng)造結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系：電子管陰極對(duì)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(chǎng)中的電子管到達(dá)最適宜的角度位置便于磁場(chǎng)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升陰、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)停止加電壓.輕輕旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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.開始測(cè)量：用電壓表測(cè)出加熱電路電壓U,用電流表測(cè)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(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)中盡量選擇柵極結(jié)構(gòu)適合接收磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的電子流的電子管.利用廢舊電動(dòng)機(jī)