热电子发射能量转化传热过程的数值模拟和实验研究
发布时间：2020-11-08 16:53
热电子发射能量转换器是一种将热能直接转换成电能的电真空器件,是基于高温下电子会从发射极表面蒸发的热电子发射现象发展而来的。它依靠发射极的热电子发射以及收集极对发射极的正接触电位差输出电流。这样的器件可以将加热发射极的能量变成低压大电流的直流电输出。一个简单的热电子发射能量转换器的结构仅需要包括一个发射极和一个收集极。当具有较高功函数的发射极被加热,电子就从金属表面发射,并被收集极即阳极捕获,此时负载连接发射极和收集极就可以产生电流。理想热电子发射能量转换效率受到以下三个过程影响:对于热电子发射能量转换器的研究一般是从两个方向展开,一是提高发射极的温度,二是在保证效率的情况下,降低发射极工作温度,以扩展热电子的应用范围。为了在较低温度下获得较高效率,可以通过寻找低逸出功的发射极材料,减少两电极间距和引入正铯离子以中和空间电荷效应。从传热角度分析热电子发射能量转换器输出特性,分析导热、对流换热、辐射换热等对热电子发射能量转换器输出特性的影响。建立两种不同的热电子发射能量转换器模型,对热电子发射能量转换器做出改进。通过数值模拟,研究分析影响发射极温度和热电子发射能量转换器输出特性的因素。结果表明,接收极直径和保温材料导热系数越小,加热功率越大,反光膜反光率越大,发射极温度、输出电流密度和效率越高;在各部分传热过程中影响发射极温度和效率的主要因素是固体间的导热。总的来说,充足的光照,合理的接收极尺寸和做好保温措施可以有效改善热电子发射能量转换器的输出特性。对于TEC而言,发射极温度对其输出功率和效率有重要影响,针对发射极加热建立真空辐射绝热系统进行实验研究。实验装置主要分为三个部分,激光加热器和吸热装置和测温部分。实验通过改变激光器输出功率和真空绝热装置的真空度探究不同因素对发射极温度的影响。结果表明,加热功率越大,发射极温度越高,但随着加热功率的不断增大,其对发射极温度的升高影响越来越小;在中真空度下,真空度越高,发射极温度越高,因为通过气体导热散失的能量减少,但影响并不明显。以氧化物阴极和六硼化镧薄膜为两极,建立热电转化实验系统,通过改变输入功率和外加电压,探究系统特性。实验证明,随着加热功率增大,热电转化系统输出电流及转化效率也增大,且趋势越来越明显;在一定范围内,改变外加电压会影响系统的输出电流和效率,但存在临界值。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：
TEC）是一种热机。以热能为能源直接进行能量转换的装置，热电子发射能量数材料的缺乏阻碍了基于真空的热电始回顾这项技术，因为在过去的这段时[7]。一种将热能直接转换成电能的电真空射现象发展而来的[8]。它依靠发射极的流。这样的器件可以将加热发射极的能射能量转换器的结构仅需要包括一个发，电子就从金属表面发射，并被收集极电流。图 1-1 给出这一转换器的基本结
并一直延续至今[10]。一般来说，一个真空热电子发射能量转换器有一个极小的空间限制的电子运动，如图1-2 所示（a）。图 1-2 （a）VTEC（b）蒸汽热电子发射能量转换器过多的电子在传输过程中会形成电子云，导致空间电荷效应，最终导致效率降低。而对水蒸气热电子发射能量转换器而言，没有电极间距太大的问题，因为空间充满了蒸气，如图 1-2（b）。该类型的转换器中的空间电荷效应由正离子中和，这些离子通常由铯产生，因为它很容易电离。在可实现程度方面，报告显示，在现实生活中，真空热电子发射能量转换器几乎是不可能实现的，由于稳定的低功函数材料很难得到，并且热隔离结构的电极很难实现，而水蒸气热电子发射能量转换器明显有着更好的表现。然而，水蒸气热电子发射能量转换器也有阻碍其发展的致命因素，如中和空间电荷效应正离子不足，和在极限空间中弹性碰撞的不利影响[9]。热电子发射能量发电的基本理论，其基本形式包括：1）两个电极，一个是发射极，它被加热到足够高的温度，产生高能电子，和一个接收极，用来接收发射极所发射的电子，接收极是在一个较低的温度下运行，两个电极彼此间有细微的间隙分离，可由真空，蒸气或等离子体填充；2）电负荷；3）连接线路[9]。热源连接到发射极
第一章 绪论。早在 1997 年, Mahan G. D.[22]就提出可以通过热电子结构中包括了金属和半导体之间的肖特基势垒结构。行了研究, 提出使用半导体异质结构(HIT)作为热电子制半导体覆盖层用以降低材料表面功函。尝试通过外部方法引入正铯离子以中和空间电荷效应，.等[23]将热电子发射能量转换器浸没于共振光中，实验收，从而产生更多的铯离子，其最大的电流密度可以达转换的逆过程是一个吸热过程，通过在两极板间加电压端电极到热端电极的净电子流动，从而将发射极热量带冷的原理图。热电子制冷的研究和发展同热电子发电技制冷的优点如无污染、体积小、制冷迅速、无噪声等，制冷器和超晶格热电子制冷器是当前实现室温条件下的制冷温差最大为 3 ℃，制冷功率密度为 300 W/m2。复杂、难度大，运行成本高，实际制冷效率与理论值还
【参考文献】
本文编号：2875063
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：
TEC）是一种热机。以热能为能源直接进行能量转换的装置，热电子发射能量数材料的缺乏阻碍了基于真空的热电始回顾这项技术，因为在过去的这段时[7]。一种将热能直接转换成电能的电真空射现象发展而来的[8]。它依靠发射极的流。这样的器件可以将加热发射极的能射能量转换器的结构仅需要包括一个发，电子就从金属表面发射，并被收集极电流。图 1-1 给出这一转换器的基本结
并一直延续至今[10]。一般来说，一个真空热电子发射能量转换器有一个极小的空间限制的电子运动，如图1-2 所示（a）。图 1-2 （a）VTEC（b）蒸汽热电子发射能量转换器过多的电子在传输过程中会形成电子云，导致空间电荷效应，最终导致效率降低。而对水蒸气热电子发射能量转换器而言，没有电极间距太大的问题，因为空间充满了蒸气，如图 1-2（b）。该类型的转换器中的空间电荷效应由正离子中和，这些离子通常由铯产生，因为它很容易电离。在可实现程度方面，报告显示，在现实生活中，真空热电子发射能量转换器几乎是不可能实现的，由于稳定的低功函数材料很难得到，并且热隔离结构的电极很难实现，而水蒸气热电子发射能量转换器明显有着更好的表现。然而，水蒸气热电子发射能量转换器也有阻碍其发展的致命因素，如中和空间电荷效应正离子不足，和在极限空间中弹性碰撞的不利影响[9]。热电子发射能量发电的基本理论，其基本形式包括：1）两个电极，一个是发射极，它被加热到足够高的温度，产生高能电子，和一个接收极，用来接收发射极所发射的电子，接收极是在一个较低的温度下运行，两个电极彼此间有细微的间隙分离，可由真空，蒸气或等离子体填充；2）电负荷；3）连接线路[9]。热源连接到发射极
第一章 绪论。早在 1997 年, Mahan G. D.[22]就提出可以通过热电子结构中包括了金属和半导体之间的肖特基势垒结构。行了研究, 提出使用半导体异质结构(HIT)作为热电子制半导体覆盖层用以降低材料表面功函。尝试通过外部方法引入正铯离子以中和空间电荷效应，.等[23]将热电子发射能量转换器浸没于共振光中，实验收，从而产生更多的铯离子，其最大的电流密度可以达转换的逆过程是一个吸热过程，通过在两极板间加电压端电极到热端电极的净电子流动，从而将发射极热量带冷的原理图。热电子制冷的研究和发展同热电子发电技制冷的优点如无污染、体积小、制冷迅速、无噪声等，制冷器和超晶格热电子制冷器是当前实现室温条件下的制冷温差最大为 3 ℃，制冷功率密度为 300 W/m2。复杂、难度大，运行成本高，实际制冷效率与理论值还
【参考文献】
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4 何学裘;关于磁流体发电的前景分析及对策思考[J];高技术通讯;1997年06期
5 张河,方光耀,赖玉珠;短时间、大功率磁流体发电[J];兵工学报;1994年01期
本文编号：2875063
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