专利名称：热电场发电法及热电场发电机的制作方法
热电场发电法及热电场发电机方法
技术领域：
本发明涉及一种热力发电的方法，还涉及根据其方法设计的发电装置。背景技术：
电能作为一种高品质的能源，人类对它的的需求增长迅速，发电的方式 也多种多样。目前常用的方法主要有火力发电、水力发电、风力发电、潮夕发电、核能发 电、太阳能发电。在热力发电这一方面，近代以来的方法主要是将热能转化为机械能，再利 用机械能去带动发电机发电，如蒸汽轮机发电、内燃机发电、斯特林发动机发电等。它们的 共同之处是其能量转换的中间过程较多，必须经历原始能—热能一机械能—电能四种能量形 式，因而污染严重且能量转化率低。20世纪中叶以来，随着保护环境的呼声越来越高以及能 源危机加重，世界各国都致力于寻求更加环保、高效的新途径。如果将热能直接转化为电能， 少去一个中间环节，将有可能使能量转化率得以提高。在这个思想的启发下，出现了磁流体 发电和燃料电池发电方式，能量转化率都显著提高。但由于这些系统结构复杂，制造成本高， 且许多关键技术尚待突破，还不能达到实用阶段。至今，低效率的内燃机仍然是人类活动的 主要动力源。
发明内容本发明目的是研究一种新的热力发电l热电场发电法，使热能能够直 接高效地转化为电能，以提高燃料利用率，减少环境污染；特别是使用电力作为驱动力时， 能以气体或固体为燃料，缓解石油危机；为此本发明还设计出将这种方法应用于实际的热电 转换装置一热电场发电机。为达到上述目的，本发明利用静电场内电荷受力的基本性质以及电子在气体中的运动规 律，发明出热电场发电法。其构思是电子进入气体后，如果同时还受外电场力作用，则会 发生定向漂移。如果此时气体运动方向与电子漂移方向相反，且运动速度大于电子漂移速度， 则将推动电子向与漂移相反的方向运行，气体会损失其本身的动能克服电场力做功。如果使 形成电场的正极不断发射出电子，并保持气体连续运行，气体会不断把电子推送至负极板上 形成电流而发电(如果上述构思中的电子换作带同号电荷的离子，根据同样的原理，能够起 到相同的作用，因此在以后的原理说明中一律采用电子作分析)。其具体做法是在一个气 体通道里，由位于进口处的电子发射器的阴极作正极，位于出口处的电极板作负极构成一个 电源。受热膨胀的气体工质从进口进入容器后，阴极被加热并发射电子，电子进入工质气体 中使气体宏观带负电，并受到后续气体的推动到达负极并被负极的电极板俘获。在这期间携 带电子的工质气体克服电场力做功，同时将热能转化为电能输出至外部电路，能量减少后的 工质气体最终从容器出口排出。为将上述方法应用于实际，本发明还设计出了热电场发电机，其结构分为四部分压縮室、加热室、工作室和冷却室，并由连接导管将这三个室串联成为一封闭的回路空腔，空腔 内充满不易与金属发生化学反应的气体工质(如氢、氮、氦等)。其中压縮室内的电机以及 工作室内的阴极发射器均由外部电路供电。发电机工作过程为压缩室内的空气压縮机将冷 却室回流的工质气体加压后送往加热室外部燃料燃烧后释放的热能通过加热室传递给内部 流经的工质气体；工质气体受热膨胀后进入工作室，由工作室完成热电转换；工质气体从工 作室排出后回到冷却室降温，再参与下一循环。这种发电方法的优点是1.采用外燃方式，所以对燃料性质要求不高，可用汽油、天然 气甚至煤粉作为燃料；2.由于燃料在燃烧室内集中燃烧，燃烧充分，燃料利用率高；3. —次 循环后的余热可以循环利用，系统的热能损失很少，因此能量转化率高；4.燃烧过程平静连 续，污染排放及噪音较小；5.设备结构简单，发电机整体质量轻，功率重量比大，机动性能 好；6.无机械传动装置，使用寿命长。
图l是在电场力作用下，电子(或离子)在气体中的运动示意图。 从加热室进入工作室的高温高压的工质气体，自阴极至阳极通过电子发射器后，电子发 射器的阴极温度逐渐升高至开始发射电子。假设工质气体为氦气(原子半径1.2X10—"m)，气体温度为1000K，气压为106帕(约10大气压)，则电子在工质气体中的平均自由程为3.05X10—7m。可见，自由电子在工质气体中的行程相对于电子发射器两极距离来显得微不足道， 即电子刚离开阴极就被工质气体的分子包围，并随后续工质气体的推动一齐向前运行。电子进入工质气体中之后，同时进行了热运动、漂移运动和扩散运动。这三种运动都使 电子和工质气体分子之间发生了力的作用，但其中热运动和扩散运动是各向同性的，在宏观 上体现为随工质气体一起以相同的方向和速度(Up)运动。漂移运动速度(u。)与外电场有关，它 是热电得以转化的根本原因所在。电子沿电场方向的实际运动速度u为气体速度(uj与漂移速 度(u。)之差。图2是He中电子漂移速度与e /p关系曲线。根据相关参考资料中的实验结果，如果工质气体为氦气，当场强/气压比为7.5X 10、/(亂？3)时，电子漂移速度为100m/s，并且漂移速度与(场强/气压)1/2成正比。现假定场强为10V/cm、工质气体气压为l(f帕(约10大气压)，则可知电子漂移速度约为3.65m/s。此时工质气体前进的速度必然大于这个值，否则电子不会被推送至负极而是返回到电子发射 器的阳极。如果工质气体为氩气，在相同场强和气压条件下，电子漂移速度约为1.9m/s。电子经过电子发射器的阳极时，其中少部分电子被阳极俘获，大部分穿过阳极的栅格仍 继续前进。这些电子最终被工质气体推送到负极后，被电极板吸附并在其上堆积，形成电势 差，并同时在整个工作室内形成电场。这个电场的方向与工质气体的行进方向一致，作用力 则相反，会阻碍工质气体的行进，而工质气体则需不断克服这个电场力做功，从而将热能转 化为电能。另外，由于工作室内的工质气体气压很高，其击穿电压也相应升高，所以工作室 发电时两极电压在一个较高的范围内，也不会将工质气体击穿而产生离子电流。图3是热电场发电机结构示意图。热电场发电机整体结构类似于斯特林发动机，都是按卡诺循环对外做功，不同之处在于 系统的功率传递机构。前者是通过静止的电路输出电能，而后者通过传动机械，所以热电场 发电机除了具有斯特林发动机高效、低噪和低排放运行的优点外，还具有以下优点l.无传 动机械，实际效率更接近理论最大效率，并且系统的可靠性和寿命大为提高；2.工质气体的 密封问题较为简单，技术实用性更强；3.功率调节控制系统简单，只需控制电子发射机两级 电压即可调节功率，因此整体重量轻；4.单缸直线连续做功，不同于其他热机的往复式做功， 因此单位容积的升功率高。工质气体在工作室整个行程中都在克服电场力做功工质气体从压縮室进入加热室后，因吸 热而进行等温膨胀过程，但由于加热室体积固定，其体积膨胀体现在推动工作室的气体前进； 进入工作室后，开始进行绝热膨胀过程，所以在工作室纵向范围，工质气体的气压及温度存 在线性衰减，但出口处仍有一定的余压。因此，输出功率在合理假设条件下可以这样估算假设工作室截面积为0.01迈2，进口处工质气体气压为106帕，前进速度为10m/s，工作室出口处工质气体气压为2X1()5帕，则输出功率lHI动力差值FX速度V-8X105帕X0.01m2xi0m/s^80000W=80KW。体现在外部电路中，则存在输出功率&电流IX电压U的等效式，假设输出电流 为100A，则输出电压为800V。热电场发电机其总效率可以这样估算假设燃料利用率为80%，发电机外壳热损耗为IO %，空气压縮机与电子发射器的功率之和占输出功率的10%，则总效率为80WX90WX邻W =64.8%，这个值相对于以前的各种发电方式都高出许多。如果用于汽车动力驱动，假设电 动机效率为90% ，则总效率为64.8% X90%=58.3% 。
具体实施方式本发明主要应用于两个领域1.涉及火力、核能、太阳能等利用热 力发电的发电厂；2.涉及车辆、船舶、飞机等动力驱动。用下面非限定性例子进一步说明本发明的实施效果。例1.2007年我国全年发电量达3.256万亿千瓦时，煤电能量转化率为40%，消耗约9. 77 亿吨标准煤。如果都采用热龟场发电机发电，并且煤电转化率达到60%以上，全年可节约9. 77 X(1-40%+60%) "3.26亿吨标准煤。例2.目前普通汽油轿车轿车的总效率为14% (丰田的混合动力轿车32%，燃料电池轿车 29%)。排量l. 5升的小汽车峰值输出功率约80KW，在90km/h等度下每100km行程耗油6升，而 换作热电场发电机输出相同的功率，总效率提高到55%以上，其每100km行程耗油量仅为6X 14% + 55%"1.53升。
权利要求
1.一种将热能转化为电能的方法。其特征在于在一个气体通道(3)入口处，由电子发射器发射电子进入工质气体中；使工质气体运动方向与电子漂移方向相反，且运动速度大于电子漂移速度，则气体将推动电子与漂移相反的方向运行，气体会损失其本身的动能克服电场力做功；电子发射器不断发射出电子，并使气体连续运行，气体则会不断地把电子推送至负极板(7)上形成电流而发电。
2. 按照权利要求l所述的电子发射器，可以是能产生电子或带同号电荷的离子的装置， 能够起到相同的发电作用。
3. 按照权利要求l所述的电子发射器，其特征在于由阴极(5)、阳极(6)和外接电 源组成，阴极(5)和阳极(6)形状可以是带孔的金属平面或者金属格栅，以便工质气体能 够顺畅地通过。
4. 根据权利要求l所述的电极板(7)，其形状可以是带孔的金属平面或者金属格栅，并 在其表面敷设一层薄的可以增强极板的负电性的物质(例如金属卤化物)，以便能够顺畅地 通过工质气体，又能在工质气体通过负极时将其携带的电子吸附下来。
5. —种根据权利要求l所述方法设计的热电转换装置。其特征在于由连接导管(8)将 压縮室(1)、加热室(2)、工作室(3)和冷却室(4)四部分串联成为一封闭的回路空腔， 空腔内充满不易与金属发生化学反应的气体工质(如氢、氮、氦等)。
6. 根据权利要求5所述的压缩室(1)，其内部装有一台空气压縮机，用于将冷却室(4) 出口回流的工质气体加压并送回加热室(2)中，使整个系统的工质气体在回路中循环。
全文摘要
本发明涉及发电方法和发电机。发电机由连接导管将压缩室、加热室、工作室和冷却室四部分串联起来，利用外部热源对内部的工质气体加热，气体膨胀后推动电子并克服电场力作功，从而实现热电转化。发电过程高效平稳，对燃料性质要求不高，能缓解环境污染和能源危机。
文档编号H02N11/00GK101237203SQ20081004688
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月14日 优先权日2008年2月14日
发明者朱长青 申请人:朱长青