[发明专利]热电场发电法及热电场发电机

说明书

【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→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法-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-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：压缩室、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)。其中压缩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：压缩室内的空气压缩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；3.一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。

【附图说明】图1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1.2×10^-10m)，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3.05×10^-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。