1研究背景

近年來全球的能源需求量呈現(xiàn)加速增長的態(tài)勢,多種燃料的消耗增速及全球碳排放增長量都達(dá)到近十年來的最大值。各國當(dāng)前面臨既要滿足全球電氣化背景下不斷增長的電力需求,又要促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型和控制環(huán)境污染的雙重矛盾。同時,推進(jìn)高效的能源開發(fā)利用設(shè)備和技術(shù)的研究以及開發(fā)清潔的新能源,是我國當(dāng)前能源建設(shè)的發(fā)展方向。積極開發(fā)基于核能、太陽能等新能源的高效高溫發(fā)電系統(tǒng),具有重要的工程價值和社會意義。

熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換(TEC)發(fā)電系統(tǒng)是值得關(guān)注的高效能高溫發(fā)電系統(tǒng)。熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器是一種基于熱電子發(fā)射效應(yīng),在1500K至2000K的運行溫度下直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,其特點為無需化學(xué)反應(yīng)、流體介質(zhì)或移動部件,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高;在發(fā)電過程中無噪音、無磨損、無介質(zhì)泄露,使用壽命長;同時其又具備可擴展性高,單位面積輸出電流密度及輸出功率大等優(yōu)點,是目前理論發(fā)電效率最高的熱電能量直接轉(zhuǎn)換裝置。

在核能利用領(lǐng)域,熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器能夠在高溫環(huán)境下直接將核裂變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。常規(guī)的核電站的蒸汽循環(huán)溫度通常在800K以下,核裂變反應(yīng)的高溫端存在大量未被有效利用的熱能,采用運行溫度更高的熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器作為頂循環(huán),可大幅提高熱能的利用率。在空間核動力系統(tǒng)的研究中,相較于蒸汽渦輪發(fā)電方案,熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器在可靠性、系統(tǒng)發(fā)射重量、使用壽命等方面具有較為明顯的優(yōu)勢。目前美、俄在銫蒸汽型熱電子能量轉(zhuǎn)換器結(jié)合空間核電系統(tǒng)的應(yīng)用研究上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。在太陽能光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,通過菲涅爾聚光鏡等輔助器件聚焦太陽輻射加熱發(fā)射電極,可有效利用太陽能進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)化。該裝置在空間太陽能電站、獨立軍事設(shè)備供電、偏遠(yuǎn)地區(qū)小型分布式能源供應(yīng)等方面有巨大應(yīng)用潛力。

綜上,TEC高溫發(fā)電裝置有望應(yīng)用于軍事、航天動力轉(zhuǎn)換等對系統(tǒng)穩(wěn)定性和無噪聲性有要求的領(lǐng)域,也可以在民用發(fā)電領(lǐng)域減少運營成本和提高發(fā)電效率。

2基本原理

熱電子發(fā)射現(xiàn)象于十九世紀(jì)八十年代被發(fā)現(xiàn),早期稱之為“愛迪生效應(yīng)”。其現(xiàn)象為,將兩電極置于真空中,加熱其中一個電極時可測得兩個電極間存在電流。熱電子發(fā)射電流可使用如圖1所示實驗電路進(jìn)行測量,其中加熱裝置可控制發(fā)射電極的溫度。在兩電極之間施加額外的偏壓,并從零逐漸增加,熱電子發(fā)射電流先線性增加,然后逐漸達(dá)到飽和。

形成熱電子發(fā)射電流的原因在于,金屬材料溫度升高后材料內(nèi)部電子的能量增加,進(jìn)入能級較高的能態(tài),當(dāng)其能量大于材料表面的逸出功(功函數(shù))時,電子就會越過表面勢壘進(jìn)入真空。若進(jìn)入真空的電子能量并未耗盡,能夠繼續(xù)越過電極之間的附加勢壘達(dá)到另一側(cè)電極則形成電流。Richardson于1902年推導(dǎo)出金屬表面熱電子發(fā)射電流密度的大小與溫度T和金屬的功函數(shù)φ有如下關(guān)系[1]:

其中,A為Richardson常數(shù)A≈120A/cm2·K2,kB為玻爾茲曼常數(shù)kB≈8.6×105eV/K。這就是Richardson方程,表明溫度越高、功函數(shù)越小,則熱電子發(fā)射的電流密度就越大。

熱電子發(fā)射現(xiàn)象的應(yīng)用之一是熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器。熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器仍然是一種熱機,其直接以熱量作為能量來源,且可視為以電子作為工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。真空型熱電子轉(zhuǎn)換裝置的基本形式如圖2所示,它的主要構(gòu)件包括真空罩、發(fā)射電極、收集電極、熱源和熱沉等五部分。兩電極平行放置,中間留有一定空隙,兩電極中間的空隙為超高真空環(huán)境。當(dāng)在發(fā)射極和收集極連接一負(fù)載時,電子從熱源吸收能量,克服發(fā)射極的表面功函數(shù)逸出,穿過兩極間空隙到達(dá)收集極,隨后由于接觸勢和外加偏壓作用,到達(dá)收集極電子經(jīng)由外電路及負(fù)載輸出功率并返回發(fā)射極,構(gòu)成完整的電流回路。

3研究進(jìn)展

熱電子發(fā)射現(xiàn)象于1885年由Edison發(fā)現(xiàn),隨后Thomson于1897年發(fā)現(xiàn)電子。1902年Richardson對熱電子發(fā)射進(jìn)行了定量的物理描述并推導(dǎo)了熱電子發(fā)射電流密度方程,即Richardson-Dushman方程。1923年Langmuir指出熱電子發(fā)射的電極板間存在空間電荷效應(yīng)[2]。空間電荷效應(yīng)即發(fā)射極不斷逸出的低速電子會在發(fā)射極與收集極之間形成電子云,電子云產(chǎn)生的電場阻礙后續(xù)逸出的電子到達(dá)收集極,從而削弱熱電子能量轉(zhuǎn)換器的實際輸出電流密度。

1950年代中期,耐高溫材料技術(shù)、原子能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展以及航天領(lǐng)域的高效緊湊型電源需求促使各國研究人員開展對熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器的實質(zhì)研究,蘇聯(lián)的Marchuk、美國的Wilson、Grover等進(jìn)行了相關(guān)研究[1]。早期熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器被考慮應(yīng)用于太陽能和放射性同位素空間動力系統(tǒng),但是至1965年該技術(shù)無法取代相對成熟的光伏及半導(dǎo)體熱電技術(shù)作為航天動力技術(shù)方案。首個太陽能熱電子轉(zhuǎn)換器在太空任務(wù)中的能量轉(zhuǎn)化效率為4～7%,遠(yuǎn)低于其理論效率[1]。1965年后美國、蘇聯(lián)、西德、法國等將該技術(shù)的應(yīng)用研究重點調(diào)整為熱電子能量轉(zhuǎn)化與核反應(yīng)堆結(jié)合的工程開發(fā),至1990年美、俄先后開發(fā)了熱電子燃料元件(TEF)、基于熱電子能量轉(zhuǎn)換器的TOPAZ核電系統(tǒng)。這一階段各國的對熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器的研究關(guān)注點主要在整體系統(tǒng)壽命、航天發(fā)射重量、輸出功率等方面,且發(fā)電系統(tǒng)主要采用銫蒸汽型熱電子能量轉(zhuǎn)換器。

1996年Naito等報道了一種半導(dǎo)體熱電系統(tǒng)和熱電子能量轉(zhuǎn)化串聯(lián)的太陽能發(fā)電系統(tǒng),其聯(lián)合轉(zhuǎn)換效率接近40%。2019年廖天軍等基于石墨烯發(fā)射極[3],以發(fā)射極功函數(shù)、費米能級、熱源溫度為變量進(jìn)行熱電子功率器件的參數(shù)優(yōu)化,理論模型的最高效率為60%[4]。

在近年對熱電子轉(zhuǎn)換器的研究中,多假設(shè)發(fā)射極與收集極之間為無結(jié)構(gòu)支撐件的高真空狀態(tài),并且在理論效率計算中忽略熱損失,或并未著重關(guān)注熱損失造成轉(zhuǎn)化效率下降的問題。然而,在熱電子器件的實際工作過程中,兩電極間存在熱輻射,且由于各類結(jié)構(gòu)件的影響,電極間的熱傳導(dǎo)無法忽略。

4關(guān)鍵問題及解決途徑

熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器的性能和大規(guī)模應(yīng)用主要受到三方面影響:如何降低電極材料功函數(shù)的大小。具有低功函數(shù)的材料內(nèi)部的電子逸出所需能量更少,能夠使熱電子高溫發(fā)電系統(tǒng)在處于相對較低的運行溫度時獲得較大的輸出電流,從而拓寬其應(yīng)用范圍;如何減小空間電荷效應(yīng)對電流的影響。空間電荷效應(yīng)會造成電子在極間空間散射,并對逸出的電子施加額外的勢壘阻礙,進(jìn)而削弱單位時間到達(dá)收集極的電子數(shù),降低電流密度。有效克服空間電荷效應(yīng)能夠提高輸出電流密度,進(jìn)而提高系統(tǒng)實際輸出功率;如何減少裝置熱損失并提高能量轉(zhuǎn)化效率。

4.1低功函數(shù)的電極材料

功函數(shù)通常由真空能級與材料費米能級之差定義,即電子從材料內(nèi)部發(fā)射到緊靠固體表面的真空中的一點所需的最小能量。在熱電子能量轉(zhuǎn)換器中,發(fā)射極與收集極的功函數(shù)影響著極板間勢壘的變化,較高的勢壘阻礙了發(fā)射極電子向收集極運動。為了使發(fā)射極上更多的電子克服勢壘到達(dá)收集極,一般的熱電子能量轉(zhuǎn)換器理想運行溫度在1500K以上。采用低功函數(shù)的材料作為電極可使電子逸出并飛越極板空間所需能量更少,以獲得更大輸出電流或降低發(fā)射極運行的溫度條件限制。

早期熱電子發(fā)射陰極材料以鎢材料為主,其后以硼化鑭系列材料研究發(fā)展起來。其中六硼化鑭是一種高熔點、高化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電率、低功函數(shù)的電極材料,功函數(shù)范圍在2.41eV～3.0eV,是一種常用的熱電子發(fā)射電極材料。2012年Lee等研究表明Ba或BaO涂層添加在聚SiC發(fā)射極表面,可以使其功函數(shù)降低至2.1eV,并使熱電子電流擴大5～6個數(shù)量級[5]。

除了低功函數(shù)的要求外,熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)特點和實際工作狀況,對電極的其他性能也有一定要求。發(fā)射極材料應(yīng)具有極高的熔點,高溫下機械強度高,熱導(dǎo)和電導(dǎo)性能良好,發(fā)射面的電子發(fā)射性能穩(wěn)定。收集極的基本要求與發(fā)射極一致,其功函數(shù)應(yīng)低于發(fā)射極約1eV,以便獲得較大的輸出電壓。

4.2空間電荷效應(yīng)

熱電子發(fā)射和接收的兩個電極板間存在空間電荷效應(yīng),于1923年由Langmuir提出。大量電子連續(xù)逸出的過程中不斷有電子處于上述趨勢,繼而在靠近發(fā)射極的某一區(qū)域形成負(fù)電荷團(tuán),負(fù)電荷相互的斥力導(dǎo)致后續(xù)發(fā)射的部分電子向其他方向散射,無法到達(dá)收集極,削弱熱離子能量轉(zhuǎn)換器的實際輸出電流密度,繼而降低輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。該效應(yīng)在理論分析時可等效為極板之間的額外勢壘高度,隨著極板間距的減小而減小。目前存在三種主流方案降低空間電荷效應(yīng)對輸出電流密度的影響:直接調(diào)控并減小發(fā)射電極與收集電極間的距離至亞微米級;兩電極間通入Cs蒸汽,中和低速電子;兩電極間增加電子加速柵格等額外結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對低速電子的加速和偏轉(zhuǎn)。

縮小兩電極的間距是一種削弱空間電荷效應(yīng)的有效手段。隨著發(fā)射極和集電極之間的距離變得足夠小,沒有足夠的空間和時間使行進(jìn)的電子相互碰撞,從而在更短的時間內(nèi)到達(dá)收集極,但是上世紀(jì)五六十年代起開展的研究中,由于技術(shù)所限,精確控制電極保持亞微米級的間距極為困難。

在縮小電極間距以減小空間電荷效應(yīng)的同時,保持發(fā)射極和收集極的溫度差成為了另一個問題。較大的極間距會導(dǎo)致空間電荷效應(yīng),從而限制電流傳輸,而極間距減小到一定程度則會導(dǎo)致發(fā)射極與收集極之間的過度傳熱,稱為近場輻射傳熱現(xiàn)象,若間距過小則會使傳熱提高多個數(shù)量級。

另一種空間電荷效應(yīng)的削弱方法是將帶正電的離子注入兩電極間的空間,用于中和負(fù)電荷團(tuán),由于銫的電離勢較低,常將其作為中和材料。當(dāng)銫注入電極間的間隙后,銫原子首先會吸附在電極金屬表面,使得電極功函數(shù)降低,隨后由于電極的升溫,其表面的銫原子熱離化成為分布在電極間隙之間的銫離子,對一部分低速電子進(jìn)行中和,削弱空間電荷效應(yīng)。然而部分電子會與銫離子發(fā)生碰撞散射,因此達(dá)到收集極的電子相較于理想情況仍然有所減少。

填充Cs蒸汽和增加電子加速柵格兩類方案不僅使設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、系統(tǒng)復(fù)雜度提高,降低可靠性,還增加運行的額外功耗和設(shè)備重量,在一定程度上削弱了該裝置單位面積功率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。