朱長青

電能作為一種高品質(zhì)的能源，人類對它的的需求日益增長，發(fā)電的方式也多種多樣。在熱力發(fā)電這一方面，近代以來的方法主要是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再利用機(jī)械能去帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，如蒸汽輪機(jī)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、斯特林發(fā)動機(jī)發(fā)電等。它們的共同之處是其能量轉(zhuǎn)換的中間過程較多，必須經(jīng)歷原始能一熱能一機(jī)械能一電能四種能量形式，因而污染嚴(yán)重且能量轉(zhuǎn)化率低。

20世紀(jì)中葉以來，隨著保護(hù)環(huán)境的呼聲越來越高以及能源危機(jī)加重，世界各國都致力于尋求更加環(huán)保、高效的熱力發(fā)電新途徑。如果將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，少去一個中間環(huán)節(jié)，將有可能使能量轉(zhuǎn)化率得以提高。在這個思路的啟發(fā)下，出現(xiàn)了磁流體發(fā)電和燃料電池發(fā)電方式，能量轉(zhuǎn)化率都顯著提高。但由于這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，且許多關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，還不能達(dá)到實(shí)用階段。至今，低效率的內(nèi)燃機(jī)仍然是人類活動的主要動力源。為了研究一種新的熱力發(fā)電法——熱電場發(fā)電法，使熱能能夠直接高效地轉(zhuǎn)化為電能，以提高燃料利用率，減少環(huán)境污染，特別是使用電力作為驅(qū)動力時，能以氣體或固體為燃料，緩解石油危機(jī)，為此設(shè)計(jì)出將這種方法應(yīng)用于實(shí)際的熱電轉(zhuǎn)換裝置——熱電場發(fā)電機(jī)。

為達(dá)到上述目的，利用靜電場內(nèi)電荷受力的基本性質(zhì)以及電子在氣體中的運(yùn)動規(guī)律，發(fā)明出熱電場發(fā)電法。其構(gòu)思是：電子進(jìn)入氣體后，如果同時還受外電場力作用，則會發(fā)生定向漂移。如果此時氣體運(yùn)動方向與電子漂移方向相反，且運(yùn)動速度大于電子漂移速度，則將推動電子向與漂移相反的方向運(yùn)行，氣體會損失其本身的動能克服電場力做功。如果使形成電場的正極不斷發(fā)射出電子，并保持氣體連續(xù)運(yùn)行，氣體會不斷把電子推送至負(fù)極板上形成電流而發(fā)電(如果上述構(gòu)思中的電子換作帶同號電荷的離子，根據(jù)同樣的原理，能夠起到相同的作用，因此在以后的原理說明中一律采用電子作分析)。其過程是：從加熱室進(jìn)入工作室的高溫高壓的工質(zhì)氣體，自陰極至陽極通過電子發(fā)射器后，電子發(fā)射器的陰極溫度逐漸升高至開始發(fā)射電子。電子進(jìn)入工質(zhì)氣體中之后，同時進(jìn)行了熱運(yùn)動、漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動。這三種運(yùn)動都使電子和工質(zhì)氣體分子之間發(fā)生了力的作用，但其中熱運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動是各向同性的，在宏觀上體現(xiàn)為隨工質(zhì)氣體一起以相同的方向和速度(up)運(yùn)動。漂移運(yùn)動速度(uc)與外電場有關(guān)，它是熱電得以轉(zhuǎn)化的根本原因所在。電子沿電場方向的實(shí)際運(yùn)動速度u為氣體速度(up)與漂移速度(uc)之差。在這期間攜帶電子的工質(zhì)氣體克服電場力做功，同時將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出至外部電路，能量減少后的工質(zhì)氣體最終從容器出口排出(如圖1所示)。

為將上述方法應(yīng)用于實(shí)際，還設(shè)計(jì)出了熱電場發(fā)電機(jī)(如圖2所示)，其結(jié)構(gòu)分為五部分：壓縮室、回?zé)崾?、加熱室、工作室和冷卻室，并由連接導(dǎo)管將各部分串聯(lián)成為一封閉的回路空腔，空腔內(nèi)充滿不易與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體工質(zhì)(如氫、氮、氦等)。其中壓縮室內(nèi)的電機(jī)以及工作室內(nèi)的陰極發(fā)射器均由外部電路供電。發(fā)電機(jī)工作過程為：壓縮室內(nèi)的空氣壓縮機(jī)將冷卻室回流的工質(zhì)氣體加壓后送往加熱室；外部燃料燃燒后釋放的熱能通過加熱室傳遞給內(nèi)部流經(jīng)的工質(zhì)氣體；工質(zhì)氣體受熱膨脹后進(jìn)入工作室，由工作室完成熱電轉(zhuǎn)換；工質(zhì)氣體從工作室排出后回到冷卻室降溫，再參與下一循環(huán)。

這種發(fā)電方法具有許多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴捎猛馊挤绞?，所以對燃料性質(zhì)要求不高，可用汽油、天然氣甚至煤粉作為燃料；由于燃料在燃燒室內(nèi)集中燃燒，燃燒充分，燃料利用率高；一次循環(huán)后的余熱可以循環(huán)利用，系統(tǒng)的熱能損失很少，因此能量轉(zhuǎn)化率高；燃燒過程平靜連續(xù)，污染排放及噪音較小；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電機(jī)整體質(zhì)量輕，功率重量比大，機(jī)動性能好；無機(jī)械傳動裝置，使用壽命長。