热电场发电：全新发电模式

朱长青

电能作为一种高品质的能源，人类对它的的需求日益增长，发电的方式也多种多样。在热力发电这一方面，近代以来的方法主要是将热能转化为机械能，再利用机械能去带动发电机发电，如蒸汽轮机发电、内燃机发电、斯特林发动机发电等。它们的共同之处是其能量转换的中间过程较多，必须经历原始能一热能一机械能一电能四种能量形式，因而污染严重且能量转化率低。

20世纪中叶以来，随着保护环境的呼声越来越高以及能源危机加重，世界各国都致力于寻求更加环保、高效的热力发电新途径。如果将热能直接转化为电能，少去一个中间环节，将有可能使能量转化率得以提高。在这个思路的启发下，出现了磁流体发电和燃料电池发电方式，能量转化率都显著提高。但由于这些系统结构复杂，制造成本高，且许多关键技术尚待突破，还不能达到实用阶段。至今，低效率的内燃机仍然是人类活动的主要动力源。为了研究一种新的热力发电法——热电场发电法，使热能能够直接高效地转化为电能，以提高燃料利用率，减少环境污染，特别是使用电力作为驱动力时，能以气体或固体为燃料，缓解石油危机，为此设计出将这种方法应用于实际的热电转换装置——热电场发电机。

为达到上述目的，利用静电场内电荷受力的基本性质以及电子在气体中的运动规律，发明出热电场发电法。其构思是：电子进入气体后，如果同时还受外电场力作用，则会发生定向漂移。如果此时气体运动方向与电子漂移方向相反，且运动速度大于电子漂移速度，则将推动电子向与漂移相反的方向运行，气体会损失其本身的动能克服电场力做功。如果使形成电场的正极不断发射出电子，并保持气体连续运行，气体会不断把电子推送至负极板上形成电流而发电(如果上述构思中的电子换作带同号电荷的离子，根据同样的原理，能够起到相同的作用，因此在以后的原理说明中一律采用电子作分析)。其过程是：从加热室进入工作室的高温高压的工质气体，自阴极至阳极通过电子发射器后，电子发射器的阴极温度逐渐升高至开始发射电子。电子进入工质气体中之后，同时进行了热运动、漂移运动和扩散运动。这三种运动都使电子和工质气体分子之间发生了力的作用，但其中热运动和扩散运动是各向同性的，在宏观上体现为随工质气体一起以相同的方向和速度(up)运动。漂移运动速度(uc)与外电场有关，它是热电得以转化的根本原因所在。电子沿电场方向的实际运动速度u为气体速度(up)与漂移速度(uc)之差。在这期间携带电子的工质气体克服电场力做功，同时将热能转化为电能输出至外部电路，能量减少后的工质气体最终从容器出口排出(如图1所示)。

为将上述方法应用于实际，还设计出了热电场发电机(如图2所示)，其结构分为五部分：压缩室、回热室、加热室、工作室和冷却室，并由连接导管将各部分串联成为一封闭的回路空腔，空腔内充满不易与金属发生化学反应的气体工质(如氢、氮、氦等)。其中压缩室内的电机以及工作室内的阴极发射器均由外部电路供电。发电机工作过程为：压缩室内的空气压缩机将冷却室回流的工质气体加压后送往加热室；外部燃料燃烧后释放的热能通过加热室传递给内部流经的工质气体；工质气体受热膨胀后进入工作室，由工作室完成热电转换；工质气体从工作室排出后回到冷却室降温，再参与下一循环。

这种发电方法具有许多优点。因为采用外燃方式，所以对燃料性质要求不高，可用汽油、天然气甚至煤粉作为燃料；由于燃料在燃烧室内集中燃烧，燃烧充分，燃料利用率高；一次循环后的余热可以循环利用，系统的热能损失很少，因此能量转化率高；燃烧过程平静连续，污染排放及噪音较小；设备结构简单，发电机整体质量轻，功率重量比大，机动性能好；无机械传动装置，使用寿命长。