一种将热能转化为电能的设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种将热能转化为电能的设备，其包括密闭的绝缘管道，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向设置有气体电离单元以及电能收集单元；绝缘管道受环境热能传导使得其内的气体分子动能增加，气体分子在气体电离单元的作用下被电离，并在电场力作用下运动至电能收集单元，将所带电荷释放至电能收集单元，用电负载连接电能收集单元即可实现对所收集电能的应用。本发明摒弃传统的温差发电技术，利用电场力，将受电场力作用的气体离子所带的热运动能量转化为电能。还可通过串并联扩展，提高电能转换的效率，实用性较强。
【专利说明】
一种将热能转化为电能的设备
技术领域
[0001]本发明涉及能源转化与利用技术领域，特别是一种能够直接将热能转化为电能的设备。
【背景技术】
[0002]随着温室气体排放的增加，导致气温上升、环境恶化，温室气体的主要来源有工业废气、机动车尾气等；同时太阳平均每40分钟照射到地球上的能量足够人类使用一年，其中的40%以上以热能方式流失。如果能直接将上述这些热能转为电能，减少以燃煤、燃油方式获取能源，将对环保产生重大的意义。
[0003]热能是普遍存在的能量形式，表现为微观粒子的热运动。气体、液体、固体中都存在热能。热能的收集利用在现有技术中很容易实现，比如太阳能热水器、空气能热水器等。
[0004]目前将热能转换为电能的设备有温差发电机，其利用帕尔贴效应，一般采用PN结实现，最简单的一种形式是用不同的两根金属线连接，然后利用两端温度差来发电。但环境中的温差不容易维持，也使得这种温差发电机不易形成稳定的大型系统，转化率较低。也即目前还没有发现可以高效的将热能直接转化为电能途径。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题为:利用气体分子在电场中的运动特性以及离子放电的特性，将环境中的热能直接转化为电能，提高转化效率。
[0006]本发明依据的原理为:当气体分子于电场中被电离后，在电场力的作用下，带电的气体离子会沿着电场方向运动。形成电场的电极之间如果存在尖锐的尖端，在尖端处，电场强度更高，气体分子更容易被电离。吸收了环境热量的气体分子处于一个密闭绝缘的管道中时，将在电场力作用下沿着管道形成气流，气流将气体离子运输至收集电能的相应设备中，进而气体离子释放电荷，释放电荷后的气体离子运动能量减弱并相应降温，即完成了热能向电能的转换过程。
[0007]本发明采取的技术方案具体为:一种将热能转换为电能的设备，包括密闭的绝缘管道，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向设置有气体电离单元以及电能收集单元；
[0008]气体电离单元包括相对设置的两电极板，绝缘管道依次贯穿两电极板，且绝缘管道的管道壁固接两电极板；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板，对应电极正极，另一个极板定义为B极板,对应电极负极；绝缘管道内、两电极板之间设有一放电尖端体，放电尖端体电连接B极板，且放电尖端体的尖端朝向A极板；
[0009]两极板之间、绝缘管道内被电离后的气体在电场力作用下随绝缘管道运动至电能收集单元；
[0010]电能收集单元包括一金属件，金属件固定于绝缘管道内，并通过导线连接绝缘管道外的用电负载。
[0011]根据《PHYSICL REVIEW LETTERS物理评论快报》1997-9-15第11期79卷.作者:T.Schenkel 等著的《Charge State Dependent Energy Loss of Slow Heavy 1ns inSolids)),以及兰州大学优秀博士学位论文《高电荷态重离子与金属固体及其表面相互作用》(作者:张红强)的记载，离子经过固体表面与目标碰撞将失去电荷降低动能，电荷在导体上会形成堆积，与零电位形成电势差，当电路连通导体时，就会形成电流。
[0012]本发明即参考了上述原理，本发明在应用时，可将整个设备置于热能环境中，绝缘管道中的气体分子受热，动能增加；热运动本身是杂乱无章的，而部分气体分子被电离后，在电场力的作用下运动方向则变得一致。当向两极板施加高压时，放电尖端体的尖端部位电场强度远高于其它部位，则位于尖端部位附近的气体会被电离，从而带上与B极板同性的电荷，气体离子会受到由B到A的电场力作用，并在电场力的作用下向A极板运动，带动绝缘管道内的其它气体分子形成由B到A的气流。当带电的气体离子到达电能收集单元的金属件表面时，将在金属件内形成镜像电荷，镜像电荷吸引气体离子靠近，靠近时气体离子所带电荷将被金属件吸收，同时气体离子因为与金属件碰撞而减少动能，损失了热能相应降温。当金属件出现电荷堆积，就会形成电势差，在与负载连通时，电荷从高电位流向低电位，即形成电流，供负载工作，即电荷在金属中会被转移至负载，形成电流，连接金属件的用电负载即可获得电能，即完成了被电离部分气体所携带热能到电能的转换。
[0013]绝缘管道中充斥的可电离气体可采用氖气、氩气等易被电离的气体，两极板之间施加的电场电压以及两极板之间的距离，可根据气体种类的不同进行调整，如普通空气是几万伏特级，氖气是几百伏特级。在保证两极板之间气体分子量的基础上，两极板之间距离减小能够提闻电尚效率，从而最终提闻能量转换效率。
[0014]作为一种改进，本发明中绝缘管道上还设置有热能传导单元，热能传导单元位于气体电离单元的B极板与电能收集单元之间；热能传导单元包括一导热件，导热件固定于绝缘管道的管道壁上。
[0015]本发明中，热能传导单元中的导热件可采用现有的传热材质制成，也可采用超导热管，以提高将外部热能传导至绝缘管道内的效率。
[0016]电能收集单元中，金属件为采用网状或毛细管状导体材料制成的柱状体，柱状的金属件外径与绝缘管道的内径相适应，可提高电荷吸收的效率。
[0017]为了进一步提高能量转换的效率，本发明中，气体电离单元的数量为I个，绝缘管道、热能传导单元以及电能收集单元的数量相同，皆为2个以上；各绝缘管道分别连接同一气体电离单元中的两极板；各电能收集单元中的金属件分别通过导线连接同一用电负载。可实现本发明的并联扩容，电极板数量减少，电能收集效率更高，整体结构得到简化。
[0018]作为另一种提高能量转换效率的途经，本发明中，气体电离单元的数量为I个，绝缘管道、热能传导单元以及电能收集单元的数量相同，皆为2个以上；各绝缘管道分别连接同一气体电离单元中的两极板；各电能收集单元中的金属件相串联并通过导线连接同一用电负载。可实现本发明的串联扩容，电极板数量减少，电能收集效率更高，整体结构得到简化。
[0019]本发明还提供一种通过结合电场电离作用与磁场洛伦兹力作用实现的热能到电能的转换途径，即:一种热能转换为电能的设备，包括密闭的绝缘管道，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向依次设置有热能传导单元、气体电离单元以及电能收集单元;
[0020]上述热能传导单元包括一导热件，导热件固定于绝缘管道的管道壁上；
[0021 ] 气体电离单元由电场形成模块组成和磁场形成模块；电场形成模块包括相对设置的两电极板，两电极板之间的空间封闭至仅与绝缘管道相通；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板,对应电极正极,另一个极板定义为B极板,对应电极负极，A极板与B极板之间形成方向由B极板到A极板的电场；B极板上电连接有一放电尖端体，放电尖端体的尖端朝向A极板；磁场形成模块在两电极板之间形成垂直于上述电场方向的磁场；
[0022]两电极板之间被电离后的气体在磁场力与电场力作用下随绝缘管道运动至电能收集单元；
[0023]电能收集单元包括一金属件，金属件固定于绝缘管道内，并通过导线连接绝缘管道外的用电负载。
[0024]上述转换形式中，两电极板之间被电离的气体在电场力与磁场力的共同作用下，与绝缘管道内的其它带热能的气体分子一起，沿绝缘管道运动至电能收集单元。当带电的气体离子到达电能收集单元的金属件表面时，在金属件内形成镜像电荷，镜像电荷吸引气体离子靠近，靠近时气体离子所带电荷将被金属件吸收，同时气体离子因为与金属件碰撞而失去动能，同时相应降温，此时连接金属件的用电负载即可获得电能，即完成了被电离部分气体所携带热能到电能的转换。
[0025]本发明的有益效果为:可实现热能到电能的直接转化，摒弃传统的温差发电技术，利用电场力，将受电场力作用的气体离子所带的热运动能量转化为电能。同时本发明可很容易实现并联和串联的扩容，能量转换效率较高，实用性较强。
[0026]此外本发明系统还可用于作为一种制冷设备，将系统放置在热环境中，即可将环境中的热能转换为电能，降低周围环境的温度。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的装置结构示意图；
[0028]图2所示为气体电离单元的结构示意图；
[0029]图3所示为电能收集单元中金属件的安装结构示意图；
[0030]图4为本发明实施例2所述的装置示意图；
[0031]图5为本发明的并联扩容结构示意图；
[0032]图6为本发明的串联扩容结构示意图；
[0033]其中，1-绝缘管道，2-热源，3-导热件，4-放电尖端体，5-气体离子，6_金属件，7-负载导线，8-磁场。
【具体实施方式】
[0034]以下结合附图和具体实施例进一步描述。
[0035]结合图1至图3，本发明提供的将热能转换为电能的设备的一种形式为:包括密闭的绝缘管道1，绝缘管道I中充斥有可电离的气体；绝缘管道I所述密闭为绝缘管道I与外界环境之间无气体流通。沿绝缘管道I周向依次设置有热量传导单元、气体电离单元以及电能收集单元；热量传导单元包括一导热件3，导热件3固定于绝缘管道I的管道壁上；气体电离单元包括相对设置的两电极板，绝缘管道依次贯穿两电极板，且绝缘管道的管道壁固接两电极板；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板，对应电极正极，另一个极板定义为B极板,对应电极负极；绝缘管道I内、两电极板之间设有一放电尖端体4，放电尖端体4电连接B极板，且放电尖端体4的尖端朝向A极板；两极板之间、绝缘管道I内吸收了环境热量并被电离后的气体在电场力F作用下沿绝缘管道I运动至电能收集单元；电能收集单元包括一金属件6，金属件6固定于绝缘管道I内，并通过负载导线7连接绝缘管道I外的用电负载。
[0036]绝缘管道I中充斥的可电离气体可采用氖气、氩气等易被电离的气体，两极板之间施加的电场电压以及两极板之间的距离，可根据气体种类的不同进行调整，如普通空气是几万伏特级，氖气是几百伏特级。两极板之间距离减小能够提高电离效率，从而最终提高能量转换效率。
[0037]实施例一
[0038]图1至图3所示的实施例中，热能传导单元中的导热件3可采用现有的传热材质制成，也可采用超导热管，以提高将外部热能传导至绝缘管道内的效率。电能收集单元中，金属件为采用网状或毛细管状导体材料制成的管状，管状金属件附着于绝缘管道内壁上，以提高电荷吸收的效率。
[0039]参考图2，本发明的绝缘管道I在贯穿B极板时，B极板部分插入绝缘管道I内，以电连接放电尖端4，同时绝缘管道I的管道壁密封连接B极板插入部的表面。经试验表明绝缘管道与A极板之间的贯穿位置关系，不会影响AB极板形成的电场对绝缘管道内气体离子的电离作用以及电场力作用，同时可避免电离后的气体离子5逃逸到A极板后放电提前失去电荷。
[0040]参考图3，电能收集单元中，金属件为采用网状或毛细管状导体材料制成的柱状体，柱状的金属件外径与绝缘管道的内径相适应，可提高电荷吸收的效率。
[0041]在应用时，将整个设备置于热能环境中，绝缘管道I中的气体分子即受热，动能增力口，或者也可以利用热源2使得绝缘管道I内的气体受热；当向两极板施加高压时，放电尖端体4的尖端部位电场强度远高于其它部位，则位于尖端部位附近的气体会被电离,从而带上与B极板同性的电荷。在B极板连接电源负极的情况下，气体离子5会受到B- > A的电场力作用，并在电场力的作用下向A极板运动，带动绝缘管道I内的其它气体分子形成B- > A的气流。当带电的气体离子到达电能收集单元的金属件表面时，在金属件内形成镜像电荷，镜像电荷吸引气体离子靠近，靠近时气体离子5所带电荷将被金属件吸收，气体离子5因为与金属件碰撞而失去动能，同时相应降温，此时连接金属件的用电负载即可获得电能，即完成了被电离部分气体所携带热能到电能的转换。
[0042]为了进一步提高能量转换的效率，本发明还通过串、并联形式进行扩容。请参考图5，各绝缘管道分别连同一组A、B两极板；各电能收集单元中的金属件分别通过导线连接用电负载，可实现并联扩容；
[0043]再参考图6，各绝缘管道分别连接同一气体电离单元中的两极板；各电能收集单元中的金属件相串联并通过负载导线连接用电负载，可实现串联扩容。本发明的串、并联扩容方案可使得电极板数量减少，电能收集效率更高，整体结构得到简化，可以组成更大型的系统。
[0044]实施例二
[0045]请参考图4，本发明提供了一种结合磁场洛伦兹力作用与电场电离作用实现热能到电能的转换的形式。图4中，设备包括密闭的绝缘管道1，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向依次设置有热能传导单元、气体电离单元以及电能收集单元；
[0046]上述热能传导单元包括一导热件3，导热件3固定于绝缘管道I的管道壁上；
[0047]气体电离单元由电场形成模块组成和磁场形成模块；电场形成模块包括相对设置的两电极板，两电极板之间的空间封闭至仅与绝缘管道相通；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板,对应电极正极,另一个极板定义为B极板,对应电极负极，A极板与B极板之间形成方向由B极板到A极板的电场；B极板上电连接有一放电尖端体4，放电尖端体4的尖端朝向A极板；磁场形成模块在两电极板之间形成垂直于上述电场方向的磁场8 ；
[0048]两电极板之间被电离后的气体在磁场洛伦兹力作用下随绝缘管道运动至电能收集单元；
[0049]电能收集单元包括一金属件，金属件固定于绝缘管道内，并通过导线连接绝缘管道外的用电负载。
[0050]本发明可实现热能到电能的直接转化，摒弃传统的温差发电技术，利用电场力，将受电场力作用的气体离子所带的热运动能量转化为电能。同时本发明可很容易实现并联和串联的扩容，能量转换效率较高，实用性较强，对材料要求低，且容易组成大型系统。
【主权项】
1.一种将热能转化为电能的设备，其特征是，包括密闭的绝缘管道，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向设置有气体电离单元以及电能收集单元； 气体电离单元包括相对设置的两电极板，绝缘管道依次贯穿两电极板，且绝缘管道的管道壁固接两电极板；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板，对应电极正极，另一个极板定义为B极板,对应电极负极；绝缘管道内、两电极板之间设有一放电尖立而体，放电尖％5体电连接B极板，且放电尖％5体的尖％5朝向A极板； 两极板之间、绝缘管道内被电离后的气体在电场力作用下随绝缘管道运动至电能收集单元； 电能收集单元包括一金属件，金属件固定于绝缘管道内，并通过导线连接绝缘管道外的用电负载。2.根据权利要求1所述的将热能转换为电能的设备，其特征是，绝缘管道上还设置有热能传导单元，热能传导单元位于气体电离单元的B极板与电能收集单元之间；热能传导单元包括一导热件，导热件固定于绝缘管道的管道壁上。3.根据权利要求1所述的将热能转换为电能的设备，其特征是，电能收集单元中，金属件采用网状或毛细管状导体材料制成。4.根据权利要求1所述的将热能转换为电能的设备，其特征是，气体电离单元的数量为I个，绝缘管道以及电能收集单元的数量相同，皆为2个以上；各绝缘管道分别连接同一气体电离单元中的两极板；各电能收集单元中的金属件分别通过导线连接同一用电负载。5.根据权利要求1所述的将热能转换为电能的设备，其特征是，气体电离单元的数量为I个，绝缘管道以及电能收集单元的数量相同，皆为2个以上；各绝缘管道分别连接同一气体电离单元中的两极板；各电能收集单元中的金属件相串联并通过导线连接同一用电负载。6.一种热能转换为电能的设备，其特征是，包括密闭的绝缘管道，绝缘管道中充斥有可电离的气体；沿绝缘管道周向依次设置有热能传导单元、气体电离单元以及电能收集单元; 上述热能传导单元包括一导热件，导热件固定于绝缘管道的管道壁上； 气体电离单元由电场形成模块和磁场形成模块组成；电场形成模块包括相对设置的两电极板，两电极板之间的空间封闭至仅与绝缘管道相通；两电极板上施加有电压，定义两极板中的一个极板为A极板，对应电极正极，另一个极板定义为B极板，对应电极负极，A极板与B极板之间形成方向由B极板到A极板的电场出极板上电连接有一放电尖端体，放电尖端体的尖端朝向A极板；磁场形成模块在两电极板之间形成垂直于上述电场方向的磁场； 两电极板之间被电离后的气体在磁场力与电场力作用下随绝缘管道运动至电能收集单元； 电能收集单元包括一金属件，金属件固定于绝缘管道内，并通过导线连接绝缘管道外的用电负载。
【文档编号】H02N3/00GK105897050SQ201410619217
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月4日
【发明人】李国勇
【申请人】李国勇