[实用新型]新型高效热离子电源

说明书

技术领域

 本实用新型热离子电源属静态的热电转换装置技术领域，适用于核能、火力、太阳能发电等领域；该新型的热离子电源能以其优良高效的性能替代现有的低效热离子电源利用核能、火力、太阳能等多种能源服务于军事装备、民用电力、核动力、宇航电力等范围。

背景技术

热离子能量转换器是利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种静态发电电源，不需要机械转动部分直接将热能转化为电能。它已成功地应用到空间技术和核动力潜艇上，近来又把它用作火力发电系统的前级。目前热离子电源的结构是：高温热源加热用功函数大、熔点高的材料制作的发射极导致发射热电子，热电子经过充有铯蒸汽的极小间隙，转移到用耐高温、功函数较低的材料制作的接收极，发射极需要加热处于高温状态下，接收极需要降温排热处于低温状态下。现有热离子电源基于其工作原理要求发射极功函数较大，而接收极功函数较小，极间铯蒸汽的温度和压力具有特定的控制范围，绝大部分热量经过接收极排放散失；由于现有热离子电源的热电转换效率为10％左右，单电源发电容量小，输出电压偏低，电源结构及运行条件复杂并且造价高昂，还存在许多问题妨碍商业应用，所以多年来这种电源一直未能推广，甚至应用领域在逐步退缩；新型热离子电源的设计能改变这种局面，会在很多领域替代现有的发电装备。

问题的发现与论证：现有热离子电源的极间电压计算公式存在问题！现有热离子电源的极间电压计算公式满足：极间电势差＝发射极材料逸出功－接收极材料逸出功－热电子运输损耗，即为：Ｕe＝?_发－?_收－Ｅ_运 ，其中Ｕ为极间电压，e为电子电量，发射极为正极，接收极为负极，公式表明如果使用相同功函数的两个电极则电源会输出零电压或者负电压。

热离子电源的工作流程为发射极加温、热电子逸出、热电子向接收极转移、接收极俘获热电子、接收极排热降温，其中热电子的内能变化过程：Ｅ_初—?_发＋Ｅ_运＋?_收＝Ｅ_终 ，上述等式移项变换的结果是热电子动能的变化量：Ｅ_初—Ｅ_终＝?_发—Ｅ_运—?_收 。热电子动能的变化过程与现有热离子电源的极间电压计算公式相似，但这个动能变化值和热电子相对于发射极的电势差无关，这个动能变化仅仅是热传递的过程。回路中唯一的热电转换环节为热电子从炙热的金属表面克服表面势垒逸出金属块体，进入自由空间继而形成电势差，相对于发射极具有一定电势差的热电子对回路没有贡献电能，只有热电子被接收极俘获才能发挥出热电子相对于发射极的电势差形成电压，只有热电子传递运输过程自由畅通，才能实现电子的微观内能转化为宏观电压。

发明内容