[科普中国]-热离子发电

简介

热离子发电利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种发电方式。加热某种金属材料达到一定温度后，金属中的电子获得足够的动能，可以克服金属表面“势垒”的障碍，摆脱金属原子核的束缚，逸出金属表面而进入外部空间。此现象是T.A.爱迪生在1878年发现的，称为爱迪生效应。这就是热离子发电的基本原理1。

装置部件热离子发电装置由发射器和收集器两个基本部件组成。两者由一个小空间分隔开。发射器经加热后逸出电子，电子通过中间空间到达收集器，并在发射器和收集器之间形成电位差。接通外部负载，就成为低压直流电源。

电源种类加热发射极的电源可以有多种形式，例如矿物燃料、核能、太阳能等。热离子发电的转换效率是由理想的热机卡诺效率所决定，发射器和收集器的温度相当于进出口温度。转换效率约为15～25%，功率密度可达50瓦/平方厘米。为了提高效率就要求将发射器的温度提高到1200～1600℃,发射器需长期运行在高温环境下,这样就增加了装置的复杂性。收集器需克服由于氧化而导致的失效。同时还需减少发射器与收集器之间的热交换，以达到最佳转换效率2。

应用范围热离子发电容量较小，效率较低，还存在许多问题妨碍商业应用。当前主要在研究以核燃料为热源，用于星际考察等空间技术的热离子发电装置。

热离子能量转换装置热离子能量转换装置不同于传统的热机装置。它是用电子作为工质，没有机械转动的部件，可以直接将部分热能转化为电能，且具有较大的功率密度。真空热离子发电器的阴极和阳极之间的距离一般设计在几个微米的数量级，这样可以降低空间电荷对热离子发电器的影响，获得更高的效率，随着技术的发展和高效电极材料的发现，在高温情况下，实际的真空热离子装置可达到较高的效率。此外，将真空热离子设备应用于太阳能电池中，可突破传统PN结太阳能电池的理论效率局限。同时将真空热离子设备与其他能量转换器藕合，可获得更好的性能。例如，将真空热离子发电器与热电器祸合，可提高能量的转化效率3。

太阳能热离子发电利用热离子能量转换器将聚集的太阳能直接转换成电能的发电方式称为太阳能热离子发电。热离子能量转换器(简称TEC)是五十年代才开始发展起来的一种新型电子器件。它的最简单的模型如同一个真空二极管(电子管)，其结构如图1所示。

不同的是:它的收集极的逸出功比发射极的逸出功低，极间距离很小，约为0.01-1毫米；管内要先抽成真空，然后充以一定的艳蒸汽，其压强P≤1托。

逸出功是表征金属材料特性的一个物理量，它表示把一个电子从该材料内部取出所需要作的功，其值一般为几个电子伏特。当发射极和收集极由负载连接起来时，由于逸出功的不同，在两个电极之间就存在一个外接触电位差，其值为1-2电子伏特，逸出功大的发射极电位为负，逸出功小的收集极电位为正。当发射极被加热到一定的温度（如1000℃以上）时，发射极内的一部分电子就得到了大于逸出功的动能，便被发射出来，这些电子受到收集极的吸引，加速跑向收集极，于是形成了电流。电流流过负载时，对负载作功，这样就把加热发射极的部分热能转变成了负载上消耗的电能。由于TEC具有不需要工作媒介、要求的热源和排出的废热温度适中、没有机械转动部件、体积小、结构紧凑、可以多个单元串并联使用、转换效率比较高（理论上可达40%以上）等优点，因而受到了苏、美等各国的重视。七十年代初，它已成功地应用到空间技术上，为人造卫星和宇宙航行供能，近来又把它作为火力发电厂的前级，利用高温余热发电，能提高电厂总效率的8-10%。此外，它还可为微波中继站、边远地区火车站和居民点等供电。TEC可以用核燃料、放射性同位素、矿物燃料等多种方式加热，也可以用太阳能加热1。

热离子能量转换器（TEC）热离子能量器如同一个电子管，其发射极可用钨、钼、钽、铼、铱、INCONEL 671、L605等制作，收集极可用镍，钼、氧化钨、六硼化镧等制作。为了增加TEC的输出功率，管内还充有电离电位很低的铯蒸汽。

热离子功率转换系统TEC的输出电压很低，只有1伏左右，而输出电流比较大，达几安甚至上百安，而且是直流的。这样低的电压不但无法使用，传输过程中损失一也很大，因此，必须把几十个TEC串连起来，组成一个单元，让电压上升到20-40伏，才能供用户使用。或者进一步采用变流器和升压调节器将直流电变为交流电，并把电压提高到几百伏2。