[发明专利]用于热电子能量转换的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电子能量转换器设备，所述热电子能量转换器设备具有：发射器电极，其能够响应于热能的施加来发射电子；以及收集器电极，其能够收集发射出的电子。具体而言，本发明涉及一种热电子能量转换器设备，所述热电子能量转换器设备被配置为将热转换为可消耗的电流的电源或者将电能转换为热的散热器(或热源)设备。另外，本发明涉及一种热能到电能或反之亦然的热电子能量转换的方法，其中，使用热电子能量转换器设备。本发明的应用在生成电力的领域，特别是在太阳能或来自核反应的热能的基础上生成电力的领域，或者冷却设备或加热设备的领域中是可用的。

背景技术

一般已知直接利用温度梯度来产生电力的热电子发生器作为由太阳能(见例如Y.G.Yeng等人在“Journal of Renewable and Sustainable Energy”中，第1卷，2009年，第052701页的文章；G.P.Smestad在“Solar Energy Materials and Solar Cells”，第82卷，2004年，第227页的文章；J.W.Schwede等人在“Nature Materials”，第9卷，2010年，第762页的文章；和US 6313391)或者核衰变(见例如N.S.Rasor等人在“Atomics International”，Canoga Park，1962年的文章)提供的电源。这些发生器(在文献中通常被称为热离子发生器)直接利用电子发射器与电子收集器之间的温度差来产生电力，所述电子发射器和电子收集器通过真空间隙隔开。通过施加热能(例如聚焦的太阳辐射)，电子发射器的温度增高，使得具有高于电子发射器材料的功函数的能量的电子可以被释放到自由空间中。发射出的电子行进通过真空间隙到电子收集器，所述电子收集器以低于所述电子发射器温度的温度来操作。电子聚集在电子收集器上，并且电子收集器变为相对于电子发射器带负电。因此，热电子发生器可以用作电力源，例如可以通过将电子发射器和电子收集器通过负载电路连接来收获所述电力。由于热电子发生器原理上可以以具有电子发射器与电子收集器之间的非常大的温度差的非常高的温度(例如高于1500℃的发射器温度)来操作，并且因为热损失原理上可以非常小，所以已经预测了文献(见例如J.H.Ingold在“Journal of Applied Physics”，第32卷，1961年，第769页的文章)中的热电子发生器的高转换效率。

作为普遍问题，来自电子发射器的电子的发射通常由空间电荷限制，所述空间电荷是靠近电子发射器表面建立的。释放的电子形成电子云，因此提供了对另外的电子的发射的势垒。这些空间电荷大大地限制了发射出的电子的电流，并且因此大大地限制了由热电子发生器生成的电力。常规地，已经开发了用于抑制空间电荷效应的三种技术。

第一，已经实现了通过注入例如Cs离子的带正电的离子来减小或甚至中和空间电荷云。然而，该方法具有本质缺点。必须以耗电的过程来生成离子。另外，离子必须被以期望的密度注入到空间电荷区域中，同时必须避免在不期望的位置处的化学反应和聚集。作为另外的缺点，为了确保发生器的长寿命，离子必须被回收。最后，能量是通过不期望的电子离子碰撞和离子气体的热传输来损失的。

作为第一方法的范例，US 3267307公开了一种使用减少空间电荷云的Cs离子的热离子发生器。为了降低热传输，在发射器到收集器之间的Cs蒸汽填充的间隙中提供渗透性热屏蔽。所述热屏蔽具有复杂的管或箔结构，所述管或箔结构由导电和绝缘材料制成并且包括电子通过其从发射器向收集器行进的开口。提供磁场以使电子沿通过所述开口的路径集中。为了避免热屏蔽上的Cs离子的沉积，向所述热屏蔽施加小偏置电压。

根据第二方法，由电场来加速发射出的电子，所述电场是由额外的电极(阳极或加速电极)来创建的。向阳极施加正电压，使得电子被加速脱离空间电荷云。作为第二方法的范例，US 3477012公开了一种具有同轴结构的热电子发生器，所述同轴结构具有由中空圆柱阳极包围的中心发射器棒以及外圆柱收集器。通过磁场的作用，从发射器释放并且被向阳极加速的电子被向收集器的暴露的内表面偏转。虽然发射器与收集器之间的间隙是真空的并且利用该技术可以在理论上避免对Cs离子的使用，但是在常规热电子发生器的复杂的结构、受限制的可扩展性和有限的能量转换效率的方面存在缺点。由于电场和沿着磁场线的电子的轨迹是垂直的，因此电场不使电子向收集器加速。因此，其并不减少空间电荷，这导致低效率。