热电子发射能量转换及其真空状况热电子发射试验研究文献综述

 2022-10-23 10:10
  1. 文献综述（或调研报告）：
  2. 前言

随着世界各国对能源开发的重视，热电子发电作为一种新的能量转换形式日益受到人们的注意。

当金属被加热时， 电子运动的平均动能将增加. 有足够能量可以克服金属逸出功的电子数量也将迅速增加. 假设在发射电子的金属的周围放置一块温度较低的金属，该金属就可以收集这部分电子-发射电子的金属由于丢失电子带有正电荷，收集电子的金属由于存在多余的电子带有负电荷。如果用导线串联两块金属，导线中就会形成电流，从而可以对外提供电能[1]。基于上述原理，出现了多种热电子发电模型，如沈提出的金属-势垒-金属的热电子发电模型[2]。但目前存在的热转换效率和单位体积功率问题都有待进一步认真研究。

  1. 正文

热电子能量转换器是一台非机械的气电设备，通过释放热电子将热能直接转化为电能。[3]提供与不同应用要求相关的各种热电子转换器操作模式中出现的独特和显著等离子体的性质和科学特征的视角。总结了与热电子转换器相关的各种技术选项和应用并利用特定应用识别各种等离子体类型的特征优势。本文着重介绍了热转换器等离子体，两极板之间充入铯蒸汽充当等离子气体传输电子电流，具有电流衰减和电位降小的优点，其状态和特性主要由其与边界电极表面的相互作用决定。

在热电子能量转换中，存在一些问题，首先通过能量平衡方程确定阴极和阳极极板的工作温度，需要讨论极板功函数和输出电压对输出功率和效率的影响。同时还要考虑热电子发电器内部和外部存在的不可逆损失，如电子在极板之间传输时，会受到空间的电荷的影响，导致热离子发电的效率降低，因此两极板间的距离应足够小。[4]中导出发电器输出功率和效率的一般表达式。在不同的工作条件下，对输出功率和效率进行优化，并讨论极板功函数和输出电压对系统性能的影响，获得系统的主要参数的优化选择判据。如果发电器的工作点在发射S-曲线的负斜率上，则在热离子转换器中可能会出现初始不稳定性[5]。在这种情况下，由于大量的电子冷却，发射极的总热流通量可能会随着温度的升高而降低。这将破坏发射器上的热平衡。发现沿发射极可能存在非常不均匀的温度分布，需要对这些最终态的稳定性进行了研究。

近年来有许多学者研究了热电子发电面临的主要问题：能量转换效率问题。Orsquo;Dwyer 等人[6]研究了纳米结构的热离子和热电器件的电子效率，Xuan 等人[7]建立了热离子-温差热电混合发电器模型，研究了该模型的性能，得出了一些有意义的结论。基于此，廖等人建立热离子-温差热电混合发电模块的热力学模型[8]，利用非平衡态热力学， 导出热离子发电器、温差热电模块和混合发电模块的功率和效率的表达式，研究混合发电模块的性能特性和优化性能，确定系统的最佳性能参数、最佳运行条件及性能界限。结果表明，对于给定的热量，应用混合发电模块，可提高发电性能，实现能源的梯级利用。该方法可以很容易地扩展到其他热离子发电模块的混合发电系统当中并以此来发展便于在合理的电流密度及温度范围内优化选取热离子发电模块参数及符合热离子混合发电系统最佳能源管理战略的不可逆模型[9]。王沫等人研究了圆柱型半导体纳米结构中的热电子发电效率，提供了通过改变发电装置的形状来提高热电子发电效率的途径[9]。

最近几年来，一些发达国家进一步在开展热电子发电方面的研究。为了节省能源，提高燃料的利用率，人们正在进行多级联合发电的尝试。例如把采用高温热源的热核发电、太阳能热发电、磁流体发电等方式作为一级或前级发电；利用其较高温度的余热进行热也子发电，即二级或中间级发电；然后再把中间级发电的余热用于蒸汽发电，作为三级或末级发电，这样一来可以把燃料燃烧时的热能利用率提高到50％以上[10]。因此，以热电子发电为中间发电设备的多级联合发电将是今后有发展前途的发电方式之一。

总之，热电子发电将是有待进一步研究的有成效的发电方式之一 ，并将显示出它的重要作用。

3.参考文献

  1. 蔡锐彬.热电子发电[J].现代节能,1988(02):58-62.
  2. 沈广冲，两种金属热电子发电模型的分析[J]，中国科学:技术科学，2011年07期。
  3. Rasor， Ned S， Thermionic Energy Conversion Plasmas， IEEE Transactions on Plasma Science， 1991， 19:6(6):1191-1208.
  4. 王远，苏山河，郭君诚，陈金灿.真空热离子发电器的性能优化和参数设计[J].工程热物理学报，2014，35(11):2114-2118.
  5. Y Y Abramov, A A Vedenov, G G Gladush, Emission Instability of Thermionic Converters,Energy Conversion,1973,13(2):49-51.
  6. 5 Orsquo;Dwyer M F, Lewis R, Zhang C, et al. Electronic efficiency in nanostructured thermionic and thermoelectric devices. Phys Rev B, 2005, 72(20): 2053301
  7. Xuan X C, Li D. Optimization of a combined thermionic-thermoelectric generator. J Power Sources, 2003, 115(1): 167–170
  8. 廖天军，杨智敏，林比宏.热离子-温差热电混合发电模块的优化性能研究[J].中国科学:物理学 力学 天文学，2014，44(02):125-133.
  9. 王沫. 圆柱型纳米半导体结构的热电子发电效率[D].吉林大学,2010.
  10. 于学文， 国外热电子发电研究概况， 《电工电能新技术》 1982年01期.

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