[發(fā)明專利]熱離子發(fā)電器及熱離子發(fā)電方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010888447.2
• 申請(qǐng)日: 2020-08-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112187107A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏志勇;戚天航;陳云飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N3/00
• 分類號(hào): H02N3/00
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 戴義保

本發(fā)明公開(kāi)了一種熱離子發(fā)電器及熱離子發(fā)電方法，屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。該熱離子發(fā)電器包括：發(fā)射極板，所述發(fā)射極板用于發(fā)射電子；收集極板，所述收集極板用于捕獲所述電子；微納支撐結(jié)構(gòu)件，所述微納支撐結(jié)構(gòu)件填充在所述發(fā)射極板和所述收集極板之間，且將所述發(fā)射極板和所述收集極板之間的間隙控制在500納米至5微米之間；所述發(fā)射極板和所述收集極板之間除所述微納支撐結(jié)構(gòu)件之外的空隙為高真空。本發(fā)明可以有效地提高輸出電流密度和輸出功率，無(wú)額外能耗和毒害風(fēng)險(xiǎn)，降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，且可以提高可靠性；在達(dá)到高精度控制間隙的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了微納支撐結(jié)構(gòu)件的高熱阻，從而提高了熱電轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明實(shí)施例涉及發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱離子發(fā)電器及熱離子發(fā)電方法。

背景技術(shù)

熱離子發(fā)電器，也稱為熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器（Thermionic Energy Converters，TEC），是一種基于熱電子發(fā)射效應(yīng)的高溫發(fā)電器。熱離子發(fā)電器的特點(diǎn)是無(wú)需化學(xué)反應(yīng)、流體介質(zhì)或移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；且在發(fā)電過(guò)程中無(wú)噪音、無(wú)磨損、無(wú)介質(zhì)泄露，使用壽命長(zhǎng)；同時(shí)具備可擴(kuò)展性高，輸出電流密度及單位面積輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。

熱離子發(fā)電器包括發(fā)射極板和收集極板，且發(fā)射極板上不斷逸出的低速電子會(huì)在極板之間形成電子云，而電子云產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)阻礙后續(xù)逸出的電子到達(dá)收集極板，從而削弱熱離子發(fā)電器的輸出電流密度，進(jìn)而使其實(shí)際輸出功率和轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)低于理想值。

相關(guān)技術(shù)中可以在極板之間通入銫（Cs）蒸汽來(lái)中和低速電子，而銫蒸汽存在有毒有害性，部分電子在極板間與銫離子碰撞進(jìn)而散射，仍然使電流密度有一定程度的降低。或者，相關(guān)技術(shù)中還可以在兩電極之間增加電子加速柵、磁偏轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)，而這樣發(fā)電裝置需要額外耗能用于電子加速或偏轉(zhuǎn)。相關(guān)技術(shù)中的兩種熱離子發(fā)電器的成本和系統(tǒng)復(fù)雜度均較高，且可靠性較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種熱離子發(fā)電器及熱離子發(fā)電方法，用于解決相關(guān)技術(shù)中兩種熱離子發(fā)電器的成本和復(fù)雜度高，可靠性低的問(wèn)題。所述技術(shù)方案如下：

一方面，提供了一種熱離子發(fā)電器，所述熱離子發(fā)電器包括：

發(fā)射極板，所述發(fā)射極板用于發(fā)射電子；

收集極板，所述收集極板用于捕獲所述電子；

微納支撐結(jié)構(gòu)件，所述微納支撐結(jié)構(gòu)件填充在所述發(fā)射極板和所述收集極板之間，且將所述發(fā)射極板和所述收集極板之間的間隙控制在500納米至5微米之間；

所述發(fā)射極板和所述收集極板之間除所述微納支撐結(jié)構(gòu)件之外的空隙為高真空。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述發(fā)射極板與所述收集極板之間的熱傳導(dǎo)損失與下列至少一種相關(guān)：

微納尺度下聲子發(fā)生邊界散射；

所述微納支撐結(jié)構(gòu)件與所述發(fā)射極板和所述收集極板的接觸對(duì)界面導(dǎo)熱的限制，所述接觸為點(diǎn)接觸或線接觸；

所述微納支撐結(jié)構(gòu)件的鏤空設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的占空比；

所述微納支撐結(jié)構(gòu)件的材料的宏觀導(dǎo)熱系數(shù)。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述微納支撐結(jié)構(gòu)件中鏤空面積占總面積的50%以上。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述間隙是根據(jù)計(jì)算得到的光譜輻射力對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)得到的，所述光譜輻射力是對(duì)所述發(fā)射極板和所述收集極板的表面所具有的光學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算得到的。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述發(fā)射極板面向所述熱源的表面上覆蓋有降反射涂層，所述發(fā)射極板面向所述收集極板的表面上覆蓋有用于促發(fā)射涂層或促發(fā)射結(jié)構(gòu)。

在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述收集極板面向所述發(fā)射極板的表面進(jìn)行了修飾，修飾后所述收集極板的功函數(shù)低于所述發(fā)射極板的功函數(shù)。