专利名称：一种带有加速器的真空热电二极管直流发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电装置，特别是涉及一种将热能直接转化为直流电能的带有加
速器的真空热电二极管直流发电装置。
背景技术：
现有的热电转换装置主要有两种类型其一是温差发电器，可简称为E^基础元件 是热电偶；其二是热电子或热离子发电器，简称为Ee，基础元件是热电二极管。两种发电器 的电动势都是由热运动激发电子引起的，遵守一般电源的非静电力原则。
热电偶由两个不同材料的导体或者半导体的导电电臂组成，两个电臂两端中的一 端被焊接或通过导流片连接在一起，置于高温热源中，另一端置于低温环境中，并作为电源 的两个电极引出。热电偶的电动势"由Seeback热电效应确定。热电偶的主要技术障碍 是难以提高热电优值ZT。 一般由若干个热电偶组合成热电堆，构成上述的温差发电器。
真空热电二极管具有一个在高温下发射电子的阴极，或称发射极，一个收集电子 的阳极，或称集电极。两个电极彼此间隔一定的距离，共同安装在一个真空容器中。热源 通常位于容器之外的阴极底部并对阴极加热，由于热辐射、热传导和电子动能引起的焦耳 热，阳极的温度也随之升高。两个电极表面都有电子逸出并进入空间，其电荷斥力以及出射 电子电极内部的镜像力合并形成空间减速电场力，使得大部分电子返回出射电极或滞留空 间，只有少部分动能较大的电子可以突破空间和阳极位能，到达阳极。由于阴极发射的电子 多，显示出正电性，而阳极显示出负电性。不同动能分量的电子电荷分布在空间，形成不均 衡的空间电位，最负的电位层出现在靠近阴极一侧，称之为虚阴极。虚阴极附近密集的空间 电荷一方面表现为对电流的阻碍效应， 一方面其包含的各种动能分量又使得EB隐伏着很高 的电功率密度潜能。因此，如何产生和利用空间电荷成为提高效率的技术关键之一。为了 克服电荷斥力，达到增大阳极电流的目的，现有技术的一类仅采用縮小极间距的方法，可称 为热电子发电装置；另一类对前者进行了改进，主要利用金属铯的离子蒸汽去除部分空间 电荷，使得更多动能较小的电子可以到达阳极，一般称为热离子发电器，其功率密度和效率 远高于热电子发电装置，是目前热电二极管发电装置的主流。真空热电二极管的电动势eB 基本由两个电极的逸出功和空间电位共同确定。 EA和Ee这两类发电装置可以统称为热电直接转换装置，其特点在于没有机械运动 部件，结构简单、可靠性高、运行安静，目前主要应用于航空航天、海洋通讯和军事装备等特 殊场合。 上述装置两种装置都服从卡诺热机的效率原理，单个温度梯度的效率应该可以 达到20%以上，而现有技术实际研制的这两类装置平均效率低于这个数值。效率低的原 因主要为①热离子发电器难以采用分梯度利用热能的技术，热能损失较大。例如美国的 SNAP-3C热离子发电器，入口温度为1400k，出口温度仍有800k左右，大量高品位热能直接 损失掉，只有5. 7%左右的热能转变为电能。热电堆的元件本身就是热辐射体，热能损失更 大。由于单个热电偶元件功率密度很低，即使在多个温度梯度中分布热电堆，总的效率也不
4可能大幅度提高。②电功率密度和转效率较低。提高温度的本质是加大热电子的平均动能， 热离子发电器普遍采用这个方法提高功率密度。但这个方法受到寿命的制约。据一些文献 推测，热离子发电器功率密度可达10w/cm2以上，效率可达20%。理论上这是有可能的，但 必定具备极高温度和较大离子流两个条件。科学实验表明，阴极寿命随温度升高和电流增 大近似呈指数下降。离子流在出现峰值点之后，Cs蒸汽压增大，电流反而下降。因此上述功 率密度和效率在现实中难以达到，并且是以牺牲寿命作为代价的。极高温条件下快速生成 的导电膜，电极发射材料的消耗(例如钡原子)，都严重地影响了热离子发电器的寿命。为 了兼顾寿命，高温下的热离子发电器一般采用钨、钼等贵金属电极，这些金属的逸出功都很 高，因此在提高功率密度的同时，却降低了热电转换效率。目前，多数热离子发电器的功率 密度在几个瓦特时，寿命大多在几百小时至几千小时以内，效率多为12%以下。降低热离 子发电器的功率密度，可延长寿命，但效率将迅速降低。由于热电偶元件的ZT值多数仍在 1以下，难以提高，而热电堆的温度差又受到环境温度、产品几何尺寸等诸多条件限制，因此 热电堆的功率密度和效率都很低。目前，每对热电偶元件功率密度约为几毫瓦到几十毫瓦 之间，例如效率较高的Bi-Te热电偶发电模块，热端温度为193t:，温差为165t:时，最大平 均功率密度小于30mw/每对元件；而上述SNAP-3C的功率密度也仅为0. 553w/cm2。
发明者王书方 申请人:王书方