專利名稱：一種帶有加速器的真空熱電二極管直流發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，特別是涉及一種將熱能直接轉(zhuǎn)化為直流電能的帶有加
速器的真空熱電二極管直流發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的熱電轉(zhuǎn)換裝置主要有兩種類型其一是溫差發(fā)電器，可簡稱為E^基礎(chǔ)元件 是熱電偶；其二是熱電子或熱離子發(fā)電器，簡稱為Ee，基礎(chǔ)元件是熱電二極管。兩種發(fā)電器 的電動勢都是由熱運動激發(fā)電子引起的，遵守一般電源的非靜電力原則。
熱電偶由兩個不同材料的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的導(dǎo)電電臂組成，兩個電臂兩端中的一 端被焊接或通過導(dǎo)流片連接在一起，置于高溫?zé)嵩粗?，另一端置于低溫環(huán)境中，并作為電源 的兩個電極引出。熱電偶的電動勢"由Seeback熱電效應(yīng)確定。熱電偶的主要技術(shù)障礙 是難以提高熱電優(yōu)值ZT。 一般由若干個熱電偶組合成熱電堆，構(gòu)成上述的溫差發(fā)電器。
真空熱電二極管具有一個在高溫下發(fā)射電子的陰極，或稱發(fā)射極，一個收集電子 的陽極，或稱集電極。兩個電極彼此間隔一定的距離，共同安裝在一個真空容器中。熱源 通常位于容器之外的陰極底部并對陰極加熱，由于熱輻射、熱傳導(dǎo)和電子動能引起的焦耳 熱，陽極的溫度也隨之升高。兩個電極表面都有電子逸出并進入空間，其電荷斥力以及出射 電子電極內(nèi)部的鏡像力合并形成空間減速電場力，使得大部分電子返回出射電極或滯留空 間，只有少部分動能較大的電子可以突破空間和陽極位能，到達陽極。由于陰極發(fā)射的電子 多，顯示出正電性，而陽極顯示出負電性。不同動能分量的電子電荷分布在空間，形成不均 衡的空間電位，最負的電位層出現(xiàn)在靠近陰極一側(cè)，稱之為虛陰極。虛陰極附近密集的空間 電荷一方面表現(xiàn)為對電流的阻礙效應(yīng)， 一方面其包含的各種動能分量又使得EB隱伏著很高 的電功率密度潛能。因此，如何產(chǎn)生和利用空間電荷成為提高效率的技術(shù)關(guān)鍵之一。為了 克服電荷斥力，達到增大陽極電流的目的，現(xiàn)有技術(shù)的一類僅采用縮小極間距的方法，可稱 為熱電子發(fā)電裝置；另一類對前者進行了改進，主要利用金屬銫的離子蒸汽去除部分空間 電荷，使得更多動能較小的電子可以到達陽極，一般稱為熱離子發(fā)電器，其功率密度和效率 遠高于熱電子發(fā)電裝置，是目前熱電二極管發(fā)電裝置的主流。真空熱電二極管的電動勢eB 基本由兩個電極的逸出功和空間電位共同確定。 EA和Ee這兩類發(fā)電裝置可以統(tǒng)稱為熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，其特點在于沒有機械運動 部件，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運行安靜，目前主要應(yīng)用于航空航天、海洋通訊和軍事裝備等特 殊場合。 上述裝置兩種裝置都服從卡諾熱機的效率原理，單個溫度梯度的效率應(yīng)該可以 達到20%以上，而現(xiàn)有技術(shù)實際研制的這兩類裝置平均效率低于這個數(shù)值。效率低的原 因主要為①熱離子發(fā)電器難以采用分梯度利用熱能的技術(shù)，熱能損失較大。例如美國的 SNAP-3C熱離子發(fā)電器，入口溫度為1400k，出口溫度仍有800k左右，大量高品位熱能直接 損失掉，只有5. 7%左右的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。熱電堆的元件本身就是熱輻射體，熱能損失更 大。由于單個熱電偶元件功率密度很低，即使在多個溫度梯度中分布熱電堆，總的效率也不
4可能大幅度提高。②電功率密度和轉(zhuǎn)效率較低。提高溫度的本質(zhì)是加大熱電子的平均動能， 熱離子發(fā)電器普遍采用這個方法提高功率密度。但這個方法受到壽命的制約。據(jù)一些文獻 推測，熱離子發(fā)電器功率密度可達10w/cm2以上，效率可達20%。理論上這是有可能的，但 必定具備極高溫度和較大離子流兩個條件?？茖W(xué)實驗表明，陰極壽命隨溫度升高和電流增 大近似呈指數(shù)下降。離子流在出現(xiàn)峰值點之后，Cs蒸汽壓增大，電流反而下降。因此上述功 率密度和效率在現(xiàn)實中難以達到，并且是以犧牲壽命作為代價的。極高溫條件下快速生成 的導(dǎo)電膜，電極發(fā)射材料的消耗(例如鋇原子)，都嚴重地影響了熱離子發(fā)電器的壽命。為 了兼顧壽命，高溫下的熱離子發(fā)電器一般采用鎢、鉬等貴金屬電極，這些金屬的逸出功都很 高，因此在提高功率密度的同時，卻降低了熱電轉(zhuǎn)換效率。目前，多數(shù)熱離子發(fā)電器的功率 密度在幾個瓦特時，壽命大多在幾百小時至幾千小時以內(nèi)，效率多為12%以下。降低熱離 子發(fā)電器的功率密度，可延長壽命，但效率將迅速降低。由于熱電偶元件的ZT值多數(shù)仍在 1以下，難以提高，而熱電堆的溫度差又受到環(huán)境溫度、產(chǎn)品幾何尺寸等諸多條件限制，因此 熱電堆的功率密度和效率都很低。目前，每對熱電偶元件功率密度約為幾毫瓦到幾十毫瓦 之間，例如效率較高的Bi-Te熱電偶發(fā)電模塊，熱端溫度為193t:，溫差為165t:時，最大平 均功率密度小于30mw/每對元件；而上述SNAP-3C的功率密度也僅為0. 553w/cm2。
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