一种新型热离子-热声组合热电转换系统

摘要

本发明提供了一种新型热离子‑热声组合热电转换系统，包括热离子发电模块与热声发电模块，其中，热离子发电模块的一端接收高温热源，另一端释放余热；热声发电模块则接收热离子发电模块释放的余热，并将其转化为电能；热离子发电模块包括热离子转换器，热离子转换器沿高温热源传递方向划分为发射极、电极间隙、接收极和碳纳米管换热层；热声发电模块包括谐振管、发电机以及设置在谐振管内的回热器、加热器和冷却器；其中，谐振管外周壁上与加热器相对应的位置设有碳纳米管换热层，碳纳米管换热层传递余热。本发明利用热离子发电模块排出的余热作为热声发电模块的热源，高效回收利用了热离子发电模块低品位热能，大大提高了系统热电转换效率。

权利要求

1.一种新型热离子-热声组合热电转换系统，包括热离子发电模块与热声发电模块，其特征在于，所述热离子发电模块的一端接收高温热源并转换成电流，其另一端通过碳纳米管换热层释放余热；所述热声发电模块则接收碳纳米管换热层释放的余热，并将其转化为电能；

所述热离子发电模块包括一个或多个热离子转换器，每个所述热离子转换器沿高温热源的传递方向分别被划分为发射极、电极间隙、接收极和碳纳米管换热层；所述热离子发电模块通过发射极接收高温热源，通过碳纳米管换热层向所述热声发电模块传递接收极的余热；

所述热声发电模块包括谐振管、发电机以及设置在谐振管内的回热器、加热器和冷却器；所述谐振管为管状结构，其腔体内充满气体；所述回热器设置在谐振管中部，回热器的两端分别布置有加热器、冷却器；所述发电机设置在谐振管的一侧端，发电机的腔体内部与谐振管的腔体内部相连通；其中，所述谐振管外周壁上与加热器相对应的位置贴设有所述碳纳米管换热层，所述碳纳米管换热层向加热器传递余热。

2.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述多个热离子转换器之间采用串并联的方式进行连接。

3.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述发射极的一端与接线柱正极相连，接收极的一端与接线柱负极相连，电极间隙的外周套设有绝缘件，电极间隙内填充有铯蒸气。

4.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述发射极与接收极均采用耐高温金属材料制造，并且，发射极材料的功函数大于接收极。

5.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述发射极具体采用钨或钼为基底材料构成基底层，基底层上靠近电极间隙的一侧表面中心向外成型有环状沟槽，所述环状沟槽的表面覆盖有铂镀层或铼镀层。

6.根据权利要求5所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述环状沟槽的槽宽为0.5-1mm、槽深为0.1-0.5mm，相邻沟槽之间的间距为1-1.5mm；所述环状沟槽表面的铂镀层或铼镀层厚度为1-10μm。

7.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述发射极与接收极之间的电极间隙间距为0.01-5mm。

8.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述碳纳米管换热层具体包括若干垂直设置的碳纳米管，各碳纳米管之间平行紧密排列；所述接收极与谐振管外周壁之间通过所述碳纳米管相连接。

9.根据权利要求1所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述高温热源为温度1500K以上的热源，具体来源于化学能、太阳能或者核能；所述余热为600-1300K的余热。

10.根据权利要求1-9任一所述的新型热离子-热声组合热电转换系统，其特征在于，所述热离子发电模块具体通过纳米管换热层将余热导出并传递至谐振管内的加热器，在所述加热器与冷却器的温差驱动下，谐振管内的气体在回热器处产生热声振荡效应，并通过与谐振管相连的发电机将声能转化为电能。

说明书

一种新型热离子-热声组合热电转换系统

技术领域

[0001] 本发明涉及热电转换技术领域，尤其涉及一种新型热离子-热声组合热电转换系统。

背景技术

[0002] 热离子发电是利用金属或半导体材料表面热电子发射现象产生电能的一种热电转换技术，具有无旋转机械部件、质量比功率小、热电转换效率较高等优点，已在俄罗斯
TOPAZ等空间动力技术和海洋动力技术等领域得到应用。

[0003] 热声发电是基于热致声效应的一种热电转换技术，主要由热声热机和声电转换单元组成，无高温运动部件，热声热机产生的声能通过声电转换单元转换为电能，已在太阳能
发电等领域得到应用。

[0004] 现有热离子发电发射极、接收极温度通常分别为1500-2200K、600-1300K，热电转换效率仅为10-15％，因此存在较多热能浪费，能源利用率低。而热声发电方式，要求热端温
度为1000K左右，接近热离子转换模块接收极的温度，其实际热电转换效率也只有17％左
右。

[0005] 据此，目前急需对现有技术进行改进，以得到一种热电转换效率更高的新型热电转换系统。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种热电转换效率高的新型热离子-热声组合热电转换系统。

[0007] 本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

[0008] 一种新型热离子-热声组合热电转换系统，包括热离子发电模块与热声发电模块；其中，所述热离子发电模块的一端接收高温热源并转换成电流，其另一端通过碳纳米管换
热层释放余热；所述热声发电模块则接收碳纳米管换热层释放的余热，并将其转化为电能；

[0009] 所述热离子发电模块包括一个或多个热离子转换器，每个所述热离子转换器沿高温热源的传递方向分别被划分为发射极、电极间隙、接收极和碳纳米管换热层；所述热离子
发电模块通过发射极接收高温热源，通过碳纳米管换热层向所述热声发电模块传递接收极
的余热；

[0010] 所述热声发电模块包括谐振管、发电机以及设置在谐振管内的回热器、加热器和冷却器；所述谐振管为管状结构，其腔体内充满气体；所述回热器设置在谐振管中部，回热
器的两端分别布置有加热器、冷却器；所述发电机设置在谐振管的一侧端，发电机的腔体内
部与谐振管的腔体内部相连通；其中，所述谐振管外周壁上与加热器相对应的位置贴设有
所述碳纳米管换热层，所述碳纳米管换热层向加热器传递余热。

[0011] 作为本发明的优选方式之一，所述多个热离子转换器之间采用串并联的方式进行连接，提高热离子发电模块的可靠性。

[0012] 作为本发明的优选方式之一，所述发射极的一端与接线柱正极相连，接收极的一端与接线柱负极相连，电极间隙的外周套设有绝缘件，电极间隙内填充有铯蒸气。

[0013] 作为本发明的优选方式之一，所述发射极与接收极均采用耐高温金属材料制造，并且，发射极材料的功函数大于接收极。

[0014] 作为本发明的优选方式之一，所述发射极具体采用钨或钼为基底材料构成基底层，基底层上靠近电极间隙的一侧表面中心向外成型有环状沟槽，所述环状沟槽的表面覆
盖有铂镀层或铼镀层。

[0015] 作为本发明的优选方式之一，所述环状沟槽的槽宽为0.5-1mm、槽深为0.1-0.5mm，相邻沟槽之间的间距为1-1.5mm，起到增大有效电子发射面积和提高发射极电子发射能力
的作用。所述环状沟槽表面的铂镀层或铼镀层厚度为1-10μm。

[0016] 作为本发明的优选方式之一，所述发射极与接收极之间的电极间隙间距为0.01-5mm。

[0017] 作为本发明的优选方式之一，所述碳纳米管换热层具体包括若干垂直设置的碳纳米管，各碳纳米管之间平行紧密排列；所述接收极与谐振管外周壁之间通过所述碳纳米管
相连接。其中，由于碳纳米管层轴向传热能力强而径向几乎不导热的传热性质，接收极排出
的余热可以通过碳纳米管换热层并用于加热谐振管的热端，大大减少热离子接收极向热声
发电加热端传热过程中的热损耗，从而提高热电转换效率。

[0018] 作为本发明的优选方式之一，所述高温热源为温度1500K以上的热源，具体来源于化学能、太阳能或者核能；所述高温热源将发射极加热至1500-2200K，热电子从发射极发射
并通过电极间隙最终被接收极俘获，产生电流；此时，接收极的温度为600-1300K，并将600-
1300K的余热排出。

[0019] 作为本发明的优选方式之一，所述热离子发电模块具体通过纳米管换热层将余热导出并传递至谐振管内的加热器，在所述加热器与冷却器的温差驱动下，谐振管内的气体
在回热器处产生热声振荡效应，并通过与谐振管相连的发电机将声能转化为电能。

[0020] 本发明相比现有技术的优点在于：

[0021] (1)本发明集成了热离子发电模块与热声发电模块，综合了这两种热电转换方式的优点，利用热离子发电模块的接收极排出的余热作为热声发电模块的热源，高效回收利
用了热离子发电模块低品位热能，大大提高了系统热电转换效率；

[0022] (2)本发明采用了平行排列的碳纳米管作为热离子发电模块与热声发电模块的换热层结构，这种换热层结构安装在热离子发电模块接收极与热声发电模块加热端接触的部
位，具有良好的单向传热性质，可实现低热损传热，极大提高了换热效率，提高接收极余热
的利用率；

[0023] (3)相比于传统的热离子转换器，本发明热电转换器的发射极采用钨、钼等难熔金属为基底材料，表面中心向外刻有环状沟槽，沟槽表面覆盖有铂或铼镀层(1-10μm)，槽宽
0.5-1mm，槽深0.1-0.5mm，相邻沟槽之间的间距1-1.5mm，起到增大有效电子发射面积和提
高发射极的电子发射能力的作用。

附图说明

[0024] 图1是实施例1中新型热离子-热声组合热电转换系统的整体结构示意图；

[0025] 图2是实施例1中热离子发电模块的单个热离子转换器结构示意图；

[0026] 图3是实施例1中热离子发电模块的发射极结构示意图；

[0027] 图4是图3的仰视结构示意图；

[0028] 图5是实施例1中热离子发电模块的碳纳米管换热层结构示意图。

[0029] 图中：1为热离子发电模块，11为热离子转换器，12为发射极，121为基底层，122为环状沟槽，123为铂镀层或铼镀层，13为电极间隙，14为接收极，15为碳纳米管换热层，151为
碳纳米管，16为接线柱正极，17为接线柱负极，18为绝缘件，2为热声发电模块，21为谐振管，
22为发电机，23为回热器，24为加热器，25为冷却器，3为高温热源，4为余热。

具体实施方式

[0030] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施
例。

[0031] 实施例1

[0032] 如图1-5所示，本实施例的一种新型热离子-热声组合热电转换系统，包括热离子发电模块1与热声发电模块2；其中，热离子发电模块1的一端接收高温热源3并转换成电流，
其另一端通过碳纳米管换热层15释放余热4；热声发电模块2则接收碳纳米管换热层15释放
的余热4，并将其转化为电能。

[0033] 请参阅图1和图2，热离子发电模块1包括一个或多个热离子转换器11，每个热离子转换器11沿高温热源3的传递方向分别被划分为发射极12、电极间隙13、接收极14和碳纳米
管换热层15。其中，高温热源3为温度1500K以上的热源，具体来源于化学能、太阳能或者核
能；热离子发电模块1通过发射极12接收高温热源3，高温热源3将发射极12加热至1500-
2200K，热电子从发射极12发射并通过电极间隙13最终被接收极14俘获，产生电流；此时，接
收极14的温度为600-1300K，其将600-1300K的余热4通过碳纳米管换热层15向热声发电模
块2传递。

[0034] 请参阅图1，热声发电模块2包括谐振管21、发电机22以及设置在谐振管21内的回热器23、加热器24和冷却器25。谐振管21为管状结构，其腔体内充满气体；回热器23设置在
谐振管21中部，回热器23的两端分别布置有加热器24、冷却器25；发电机22设置在谐振管21
的一侧端，发电机22的腔体内部与谐振管21的腔体内部相连通。其中，谐振管21外周壁上与
加热器24相对应的位置贴设有所述碳纳米管换热层15，基于此，碳纳米管换热层15方可向
加热器24传递余热。当热离子发电模块1通过纳米管换热层15将余热4导出并传递至谐振管
21内的加热器24时，在加热器24的“加热”与冷却器25的“冷却”温差驱动下，谐振管21内的
气体在回热器23处产生热声振荡效应，并最终通过与谐振管21相连的发电机22将产生的声
能最终转化为电能。

[0035] 进一步地，在本实施例中，请参阅图1，多个热离子转换器11之间采用串并联的方式进行连接，以提高热离子发电模块1的可靠性。

[0036] 进一步地，在本实施例中，请参阅图2，发射极12的一端与接线柱正极16相连，接收极14的一端与接线柱负极17相连，电极间隙13的外周套设有绝缘件18；其中，电极间隙13间
距具体为0.01-5mm，并且，电极间隙13内填充有铯蒸气。

[0037] 进一步地，在本实施例中，发射极12与接收极14均采用耐高温金属材料制造，并且，发射极12材料的功函数大于接收极14。具体地，请参阅图3和图4，发射极12具体采用钨
或钼为基底材料构成基底层121，基底层121上靠近电极间隙13的一侧表面中心向外成型有
环状沟槽122，环状沟槽122的表面覆盖有铂镀层或铼镀层123(1-10μm厚)。其中，环状沟槽
122的槽宽为0.5-1mm、槽深为0.1-0.5mm，相邻沟槽之间的间距为1-1.5mm，起到增大有效电
子发射面积和提高发射极12电子发射能力的作用。

[0038] 进一步地，在本实施例中，请参阅图5，碳纳米管换热层15具体包括若干垂直设置的碳纳米管151，各碳纳米管151之间平行紧密排列；接收极14与谐振管21外周壁之间通过
所述碳纳米管151相连接。其中，由于碳纳米管层15轴向传热能力强而径向几乎不导热的传
热性质，接收极14排出的余热4可以通过碳纳米管换热层15并用于加热谐振管21的热端，大
大减少热离子接收极14向热声发电加热端传热过程中的热损耗，从而提高热电转换效率。

[0039] 工作原理及过程：

[0040] 高温热源3加热发射极12，发射极12受热释放出电子，电子穿过电极间隙13并被接收极14吸收，形成电流输出。同时，接收极14受到发射极12的辐射传热及电子传输携带能
量，自身温度升高；利用碳纳米管换热层15将接收极14的余热4导出，作为热声发电模块2加
热器24的热源；加热器24受热，导致谐振管21内的气体介质受热膨胀，在回热器23处产生热
声振荡效应，将热能转化为声，并最终通过发电机22将声能转换为电能输出，实现了热离子
发电模块1余热4的高效利用，极大地提高了整体系统的热电转换效率。

[0041] 本实施例装置的优势在于：将排出余热4温度较高的热离子转换器发电技术与运行温度较低的热声发电技术相结合，将热离子发电模块1应用于高温区，并将热离子发电模
块1的冷端作为热声发电模块2的热源，实现能源的充分利用，提高了能源利用效率，从而提
高了系统整体的热电转换效率。

[0042] 实施例2

[0043] 本实施例用以说明上述实施例1中新型热离子-热声组合热电转换系统的最终热电转换效率。

[0044] 太阳能发电系统中，光能经塔式集热器转换为热能，加热热离子转换器11发射极12至2000K。该高效组合热电转换系统的相关运行参数为：发射极12温度Te＝2000K，接收极
14温度Tc＝1000K；发射极12表面功函数Φe＝2.8eV，接收极14表面功函数Φc＝2.2eV；碳
纳米管换热层15的实际换热效率约为85％。

[0045] 根据理查森-杜什曼发射方程，热离子发电模块1的输出电流计算公式如下:

[0046] J＝AT2exp(-φ/kT)  (1)

[0047] 其中，A为理查森常数(1.202×106A/m2K2)，k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K-1)，T为电极温度(K)，Φ为电极功函数(eV)。

[0048] 根据公式(1)计算得，发射极12的输出电流密度Je＝21.14A/cm2，接收极14的反向电流密度Jc＝4.9×10-4A/cm2。

[0049] 根据现有的相关文献，热离子发电模块1的效率公式如下：

[0050]

[0051] 由公式(2)计算得：

[0052] 上述实施案例1中，热离子发电模块1的热电转换效率η1＝17％。

[0053] 设热声发电模块2热电转换效率为总的输出电能与总吸热量之比，其计算公式如下：

[0054]

[0055] 以热离子发电模块1热电转换效率17％，碳纳米管换热层15换热率85％以及热声发电模块2热电转换效率η2＝16％为依据计算，最终，实施例1中热电转换系统的热电转换
效率η≈28％，相较于单独的热离子发电模块1的17％热电转换效率与热声发电模块2的
16％热电转换效率，实施例1中热电转换系统有效提升了热电转换效率，实现了热能的高效
利用。

[0056] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。