单一热源的热电直接转换装置及方法与流程

技术领域

本发明涉及热电转换领域，是一种单一热源的热电直接转换装置及方法。

背景技术：

当前热电直接转换方式有热电偶转换、热离子转换、铁电转换、热磁转换、碱金属热电转换等。例如热离子能量转换器，处于高温热源的发射极发射电子，处于低温热源的集电极不发射电子，利用热电子发射现象将热能直接转换为电能。现有的热电直接转换都是建立在平衡态热力学基础之上，它们共同的特点是系统都有一个高温热源和一个低温热源，且工作原理遵循热力学第二定律，热电转换效率遵循卡诺定理，热电转换效率普遍较低。在孤立系统中，低品位的热能不会自动转换成高品位的电能，单一热源的热电直接转换是不可能实现的。为此，如何能实现单一热源的热电直接转换，仍是现有技术的一大难题。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种基于非平衡态热力学开放系统的单一热源的热电直接转换装置及方法，使其解决现有热电直接转换装置都有一个高温热源和一个低温热源，热电转换效率遵循卡诺定理，热电转换效率普遍较低，低品位的热能不会自动转换成高品位电能的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种单一热源的热电直接转换装置，其包括固体电子发射极和电子集电极，其结构要点在于所述电子集电极为金属熔液，固体电子发射极和电子集电极处于同一温度。在常温下，固体中的自由电子不断地作热运动，但并不能从固体表面挣脱出来，这时的固体作为一个孤立系统，系统内的自由电子处于热力学的平衡态。随着温度的逐渐升高，自由电子在固体内无序热运动的能量增大，其中一部分电子的能量足以使其克服固体表面势垒而发射到外界。这时固体的状态不再是一个孤立系统，而是突变成一个开放系统，开放系统的自由电子体系处于热力学的非平衡定态，固体热电子发射过程是一个无序热能转换为有序静电场能量的过程，是一种自组织现象。在固体和外界温度相同情况下，固体失去电子为正极，外界得到电子为负极，固体和外界构成一个特殊的电源，为了将固体热电子发射自组织成的有序静电场能量释放到闭合电路中，必须有一个与固体发射极同一温度下不发射电子的集电极，选用无表面势垒的金属熔液为集电极是实现单一热源的热电直接转换的关键技术。所述固体电子发射极为熔点高，蒸汽压低，电子逸出功低的适宜发射热电子的材料。例如采用钨或钼。

所述金属熔液电子集电极为低熔点，与固体电子发射极不发生合金化反应，且与陶瓷膜不发生化学反应的材料。例如铜、铝或银。

所述固体电子发射极封装于密闭的陶瓷膜中，固体电子发射极与陶瓷膜之间有间隙，间隙填充有碱金属，一定温下碱金属蒸发为碱金属蒸汽充满间隙；所述金属熔液电子集电极盛放于高温容器内，封装了固体电子发射极和碱金属的陶瓷膜置于金属熔液电子集电极中。

所述碱金属蒸汽为钠、铯或钾。钠、铯、钾等碱金属高温下形成蒸汽，既能吸附在固体电子发射极表面显著降低固体电子发射极的逸出功，又能消除空间电荷的积累，传递电场。

所述陶瓷膜的陶瓷晶粒间空隙小于所述固体电子发射极的原子直径及所述金属熔液电子集电极的原子直径，且大于电子直径。通过该陶瓷膜，高温下既能绝缘隔离固体电子发射极和金属熔液电子集电极，又能让固体电子发射极发射的热电子扩散通过。

所述陶瓷膜为氧化铝陶瓷膜，所述的高温容器为刚玉坩埚，高温端蒸发的金属熔液在低温端冷凝回流。

一种单一热源的热电直接转换方法为：固体电子发射极和电子集电极处于同一温度，电子集电极为金属熔液，金属熔液的电子集电极高温下不发射电子，当温度达到阈值时，固体电子发射极发射电子将低品位的热能自组织成高品位的静电场能量，热电子的初动能克服静电场力到达所述金属熔液的电子集电极，固定电子发射极与电子集电极两者之间产生电动势，将固体电子发射极、金属熔液电子集电极分别导接至外部电路，实现将热能自组织成的静电场能量释放至电路中作为电能输出，即实现单一热源的热电直接转换。该热电直接转换效率不遵循卡诺定理，热电转换效率高。

本发明打破了现有采用一个高温热源和一个低温热源实现热电直接转换的常规，实现了单一热源的热电直接转换，制造加工成本较低，工作可靠性及转换效率高，适用于高效、简洁、安全的热电直接转换的领域。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图。

图2是本发明的实施例结构示意图。

图中序号及名称为：1、钼丝导线，2、热电子，3、陶瓷膜，4、碱金属蒸汽，5、固体电子发射极，6、金属熔液电子集电极，7、刚玉坩埚。

具体实施方式

现结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1是本发明的原理结构示意图，该单一热源的热电直接转换的方法为：固体电子发射极5、电子集电极处于同一温度下，电子集电极为金属熔液，金属熔液电子集电极6不发射电子，当温度达到某一阈值时，例如1000度以上，固体电子发射极发射热电子，将低品位的热能自组织成高品位的静电场能量，热电子的初动能克服静电场力到达金属熔液的电子集电极，固定电子发射极与金属熔液电子集电极两者之间产生电动势，通过钼丝导线1实现将热能自组织成的静电场能量释放至外接常温负载电路中作为电能输出，即实现单一热源的热电直接转换。

如图2 本发明的实施例结构示意图，该单一热源的热电直接转换装置包括：固体电子发射极5，以钨为例；金属熔液电子集电极6，以铜熔液为例；陶瓷膜3，以氧化铝陶瓷膜为例；碱金属，以钠为例。钨发射极封装于密闭的氧化铝陶瓷膜中，钨发射极与氧化铝陶瓷膜之间有间隙，间隙填充有钠，高温下钠蒸发为碱金属蒸汽4充满间隙。铜高温下熔化为铜熔液作为电子集电极，并盛放于刚玉坩埚7内。封装了钨电子发射极和钠蒸汽的氧化铝陶瓷膜置于铜熔液中。钠蒸汽吸附在钨电子发射极表面显著降低逸出功，提高热电子2发射能力。氧化铝陶瓷膜的陶瓷晶粒间空隙小于钨电子发射极的原子直径及铜熔液电子集电极的原子直径，且大于电子直径，从而使钨电子发射极发射的热电子能扩散通过氧化铝陶瓷膜。上述钨电子发射极及铜熔液电子集电极分别通过钼丝导线外接常温负载电路，即可实现单一热源的热电直接转换。