熱離子發電是利用金屬表面熱電子發射現象提供電能的一種發電方式。熱離子發電裝置由發射器和收集器兩個基本部件組成。加熱某種金屬材料達到一定溫度後，金屬中的電子獲得足夠的動能，可以克服金屬表面“勢壘”的障礙，擺脫金屬原子核的束縛，逸出金屬表面而進入外部空間。此現象是T.A.愛迪生在1878年發現的，稱為愛迪生效應。這就是熱離子發電的基本原理。
基本介紹
- 中文名：熱離子發電
- 外文名：Thermionic power generation
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 原理：利用金屬表面熱電子發射提供電能
- 發現人：愛迪生
介紹,裝置部件,電源種類,套用範圍,轉換裝置,套用,轉換器（TEC）,轉換系統,
介紹
熱離子發電利用金屬表面熱電子發射現象提供電能的一種發電方式。加熱某種金屬材料達到一定溫度後，金屬中的電子獲得足夠的動能，可以克服金屬表面“勢壘”的障礙，擺脫金屬原子核的束縛，逸出金屬表面而進入外部空間。此現象是T.A.愛迪生在1878年發現的，稱為愛迪生效應。這就是熱離子發電的基本原理。
裝置部件
熱離子發電裝置由發射器和收集器兩個基本部件組成。兩者由一個小空間分隔開。發射器經加熱後逸出電子，電子通過中間空間到達收集器，並在發射器和收集器之間形成電位差。接通外部負載，就成為低壓直流電源。
電源種類
加熱發射極的電源可以有多種形式，例如礦物燃料、核能、太陽能等。熱離子發電的轉換效率是由理想的熱機卡諾效率所決定，發射器和收集器的溫度相當於進出口溫度。轉換效率約為15～25%，功率密度可達50瓦/平方厘米。為了提高效率就要求將發射器的溫度提高到1200～1600℃,發射器需長期運行在高溫環境下,這樣就增加了裝置的複雜性。收集器需克服由於氧化而導致的失效。同時還需減少發射器與收集器之間的熱交換，以達到最佳轉換效率。
套用範圍
熱離子發電容量較小，效率較低，還存在許多問題妨礙商業套用。當前主要在研究以核燃料為熱源，用於星際考察等空間技術的熱離子發電裝置。
轉換裝置
熱離子能量轉換裝置不同於傳統的熱機裝置。它是用電子作為工質，沒有機械轉動的部件，可以直接將部分熱能轉化為電能，且具有較大的功率密度。真空熱離子發電器的陰極和陽極之間的距離一般設計在幾個微米的數量級，這樣可以降低空間電荷對熱離子發電器的影響，獲得更高的效率，隨著技術的發展和高效電極材料的發現，在高溫情況下，實際的真空熱離子裝置可達到較高的效率。此外，將真空熱離子設備套用於太陽能電池中，可突破傳統PN結太陽能電池的理論效率局限。同時將真空熱離子設備與其他能量轉換器耦合，可獲得更好的性能。例如，將真空熱離子發電器與熱電器耦合，可提高能量的轉化效率。
套用
利用熱離子能量轉換器將聚集的太陽能直接轉換成電能的發電方式稱為太陽能熱離子發電。熱離子能量轉換器(簡稱TEC)是五十年代才開始發展起來的一種新型電子器件。它的最簡單的模型如同一個真空二極體(電子管)，其結構如圖1所示。
不同的是:它的收集極的逸出功比發射極的逸出功低，極間距離很小，約為0.01-1毫米；管內要先抽成真空，然後充以一定的艷蒸汽，其壓強P≤1托。
逸出功是表征金屬材料特性的一個物理量，它表示把一個電子從該材料內部取出所需要作的功，其值一般為幾個電子伏特。當發射極和收集極由負載連線起來時，由於逸出功的不同，在兩個電極之間就存在一個外接觸電位差，其值為1-2電子伏特，逸出功大的發射極電位為負，逸出功小的收集極電位為正。當發射極被加熱到一定的溫度（如1000℃以上）時，發射極內的一部分電子就得到了大於逸出功的動能，便被發射出來，這些電子受到收集極的吸引，加速跑向收集極，於是形成了電流。電流流過負載時，對負載作功，這樣就把加熱發射極的部分熱能轉變成了負載上消耗的電能。由於TEC具有不需要工作媒介、要求的熱源和排出的廢熱溫度適中、沒有機械轉動部件、體積小、結構緊湊、可以多個單元串並聯使用、轉換效率比較高（理論上可達40%以上）等優點，因而受到了蘇、美等各國的重視。七十年代初，它已成功地套用到空間技術上，為人造衛星和宇宙航行供能，近來又把它作為火力發電廠的前級，利用高溫餘熱發電，能提高電廠總效率的8-10%。此外，它還可為微波中繼站、邊遠地區火車站和居民點等供電。TEC可以用核燃料、放射性同位素、礦物燃料等多種方式加熱，也可以用太陽能加熱。
轉換器（TEC）
熱離子能量器如同一個電子管，其發射極可用鎢、鉬、鉭、錸、銥、INCONEL 671、L605等製作，收集極可用鎳，鉬、氧化鎢、六硼化鑭等製作。為了增加TEC的輸出功率，管內還充有電離電位很低的銫蒸汽。
轉換系統
TEC的輸出電壓很低，只有1伏左右，而輸出電流比較大，達幾安甚至上百安，而且是直流的。這樣低的電壓不但無法使用，傳輸過程中損失一也很大，因此，必須把幾十個TEC串連起來，組成一個單元，讓電壓上升到20-40伏，才能供用戶使用。或者進一步採用變流器和升壓調節器將直流電變為交流電，並把電壓提高到幾百伏。
