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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划热能发电材料高效热能发电机-高效率实现热电直接转换的发电机(XX-02-0221:01:42)转载标签：高效高功率热电直接转换热电转换热电子发电太阳能热电核能高效热能发电机是一种不需要任何运动部件，直接把热能高效转变成电能的发电设备，这种发电机发电效率不低于普通的交流发电机，且可以和交流发电机一样制成多种不同发电功率的设备。小型设备可用于汽车发动机尾气热发电，大型设备可应用在沙漠太阳能热发电和中型核电上。目前，大部分直接实现热电转换的发电设备有些共同的特点：热电转换效率低，发电功率小
2、。本发电机通过改进热电子发电技术实现了高效率、高功率发电。本发电机的原理与磁流体发电机有较大的相似性。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。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。上述发电装置发电容量较小，效率低，不能
3、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，逸出电子到达收集器必须克服电场做功，所以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。一天我在学校实验室，受到一只被点亮电子管启发，发明了该设备。电子管的结构使阴极可以实现高强度的热电子发射，我为什么不能设计个类似电子管结构的发电装置呢？于是我很快就绘出了最初发电机的原理图：这个原理图很简单，可以一目了然。但为避免误解我还是对图2的作个
4、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、金属板A与金属板B之间放置多块长方形金属薄板，各块薄板互相平行，之间通过导线相连在一起构
5、成接收器。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。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。5、在金属板A与金属板B之间加入一个强磁场，磁场方向与外加电场方向垂直,与金属板A、B平面平行，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。为计算方便，我设定磁感应强度为1T。不过现在的磁流体发电机一般使用的磁感应强度为5-6T，对功率较大的发电机，需要使用这么强的磁场。6、霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。此发明与磁流体发电机在
6、原理上有相似之处，都利用了霍尔效应。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，发射器开始持续辐射热电子流，热电子流在外电场、磁场共同作用下，到达电子收集板，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，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，电子流稳定持续，整个发电过
7、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(这部分损失的热能量将导致收集板温度上升，影响发动机稳定工作，需用降温系统将废热排放到外部室温环境中)，其它大部分热能都转换为电能，所以发电机是高效的。注：要保证发电机稳定工作，收集板的温度不能过高。因为如果收集板温度过高：1、收集板会在强电场作用下，向内桶辐射热电子；2、收集板上更容易产生二次电子辐射。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
8、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，最高可实现每平方厘米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动势，电流应该没这么高，但至少1/5可以达到。发射器与接集器之间的输出电动势应该与外加电场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，输出的电压应该不会小于5000伏。电流按XXA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
9、原理图，我实际的发明与之原理相同，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。发明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。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。内、外金属桶之间放入电子收集板，
10、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。本系统共需电子收集板16块，相邻电子收集板之间夹角,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。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。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
11、过程：热源加热热传导液，热传导液加热发射器之后流回，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。发电过程中，收集板温度会上升，会影响发电机的输出功率的稳定性。需要外加对收集板的降温系统，通过降温系统将收集板上的废热排放到外部环境中。一种办法是在收集板两端用低温制冷液在两端制冷。另一种方法水冷，收集板中有夹层，使用冷却水流过夹层制冷。用电子管氧化物阴极工艺技术实现在外圆柱
12、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。以上所述发明原理很简单，结构也不复杂，一个中学生都可以对其一目了然。如果认定它可以大功率、高效率发电，任何人都可能心生疑窦。所以，我在意见陈述中提出了我的原理验证装置，验证装置电路图如图5。图5中的电子三极管始终垂直固定于强磁场中。1、铋系热电材料概述：进入21世纪以来，随着全球工业化的
13、发展，人类对能源的需求不断增长，在近百年中，工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源，常规能源已面临枯竭。全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气只能延续到2040年左右，煤炭资源也只能维持2300年左右。且这两种化石燃料，在使用时排放大量的CO2、SO2、NO、NO2等有害物质，严重污染了大气环境、导致温室效应和酸雨。引起全球气候变化，直接影响人类的身体健康和生活质量，严重污染水土资源。因此，开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视。其中发展新型的、环境友好的可再生能源及能源转换技术引起了世界发达国家的高度重视。热电半导体是采用热电效应
14、将热能和电能进行直接转换的一种无污染的绿色能源产品。其中温差发电是利用热电材料的Seebeck效应,将热能直接转化为电能,不需要机械运动部件,也不发生化学反应。热电制冷是利用Peltier效应,当电流流过热电材料时,将热能从低温端排向高温端,不需要压缩机,也无需氟利昂等致冷剂。因而这两类热电设备都无振动,无噪音,也无磨损,无泄漏,体积小,重量轻,安全可靠寿命长,对环境不产生任何污染,是十分理想的电源和制冷器。于是美国能源部、日本宇宙航天局等发达国家的相关部门都将热电技术列入中长期能源开发计划,我国也将热电列入国家重点基础研究发展计划(973)的大规模发展的新能源计划中。在21世纪全球环境和能源
15、条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下,热电技术更成为引人注目的研究发展方向。热电半导体行业在全球来说作为一个新兴行业,每年以超过1倍的速度增长。目前,已经商用的热电行业的原料最主要的是Bi2Te3基热电半导体材料。商业化的Bi2Te3基热电半导体材料以炼铜行业的副产物铋、碲、硒等为原料,按一定的配比和特殊的掺杂经定向生长得到Bi2Te3基热电半导体晶棒。热电半导体产业化可将提纯制造为主原料的产业将延伸至目前国际上最为热门的新材料、新能源高新产业,这对于提升稀缺原料附加值,发展高技术材料加工运用技术具有十分重要的意义。温差发电是Seebeck效应在发电技术方面的应用,而材料的ZT值决定了
16、其发电效率。在低品位废热400在回收利用范围上,Bi2Te3基热电材料的ZT值是最高的，其优值系数可高达310-3610-3K-1，也是工业化最为成熟的。2、热电半导体的应用现状及前景加快半导体热电器件的进一步开发和运用,不仅有利于解决能源危机和环保问题,还将大大改善人类的生活质量,是人类文明进步的标志之一。日常用品、医疗卫生、航天航空和军事是热电致冷的最大市场,废热回收利用是热电发电的最大市场,以上两项也是热电半导体器件的目标市场。从当前情况看,热电半导体无论是致冷还是废热回收发电已经呈现出初步繁荣的景象。在国内,中科院物理所半导体室于50年代末60年代初开始半导体致冷技术研究,是当时在国际上也是比较早的研究单位之一。60年代中期,热电半导体材
