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到近十年來的最大值。各國當前面臨既要滿足全球電氣化背景下不斷增長的電力需求,又要促進能源轉型和控制環(huán)境污染的雙重矛盾。同時,推進高效的能源開發(fā)利用設備和技術的研究以及開發(fā)清潔的新能源,是我國當前能源建設的發(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)射能量轉換(TEC)發(fā)電系統(tǒng)是值得關注的高效能高溫發(fā)電系統(tǒng)。熱電子發(fā)射能量轉換器是一種基于熱電子發(fā)射效應,在1500K至2000K的運行溫度下直接將熱能轉化為電能的發(fā)電裝置,其特點為無需化學反應、流體介質(zhì)或移動部件,結構簡單,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換裝置。

在核能利用領域,熱電子發(fā)射能量轉換器能夠在高溫環(huán)境下直接將核裂變產(chǎn)生的熱能轉化為電能。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換器結合空間核電系統(tǒng)的應用研究上已經(jīng)取得了一定的進展。在太陽能光熱轉換領域,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行熱電轉化。該裝置在空間太陽能電站、獨立軍事設備供電、偏遠地區(qū)小型分布式能源供應等方面有巨大應用潛力。

綜上,TEC高溫發(fā)電裝置有望應用于軍事、航天動力轉換等對系統(tǒng)穩(wěn)定性和無噪聲性有要求的領域,也可以在民用發(fā)電領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)象于十九世紀八十年代被發(fā)現(xiàn),早期稱之為“愛迪生效應”。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,進入能級較高的能態(tài),當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入真空。若進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到另一側電極則形成電流。Richardson于1902年推導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)象的應用之一是熱電子發(fā)射能量轉換器。熱電子發(fā)射能量轉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)進行發(fā)電。真空型熱電子轉換裝置的基本形式如圖2所示,它的主要構件包括真空罩、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。當在發(fā)射極和收集極連接一負載時,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收集極,隨后由于接觸勢和外加偏壓作用,到達收集極電子經(jīng)由外電路及負載輸出功率并返回發(fā)射極,構成完整的電流回路。

3研究進展

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)射進行了定量的物理描述并推導了熱電子發(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[2]?？臻g電荷效應即發(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)逸出的電子到達收集極,從而削弱熱電子能量轉換器的實際輸出電流密度。

1950年代中期,耐高溫材料技術、原子能發(fā)電技術的發(fā)展以及航天領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)射能量轉換器的實質(zhì)研究,蘇聯(lián)的Marchuk、美國的Wilson、Grover等進行了相關研究[1]。早期熱電子發(fā)射能量轉換器被考慮應用于太陽能和放射性同位素空間動力系統(tǒng),但是至1965年該技術無法取代相對成熟的光伏及半導體熱電技術作為航天動力技術方案。首個太陽能熱電子轉換器在太空任務中的能量轉化效率為4～7%,遠低于其理論效率[1]。1965年后美國、蘇聯(lián)、西德、法國等將該技術的應用研究重點調(diào)整為熱電子能量轉化與核反應堆結合的工程開發(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)射能量轉換器的研究關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換器。

1996年Naito等報道了一種半導體熱電系統(tǒng)和熱電子能量轉化串聯(lián)的太陽能發(fā)電系統(tǒng),其聯(lián)合轉換效率接近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]。

在近年對熱電子轉換器的研究中,多假設發(fā)射極與收集極之間為無結構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,或并未著重關注熱損失造成轉化效率下降的問題。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,且由于各類結構件的影響,電極間的熱傳導無法忽略。

4關鍵問題及解決途徑

熱電子發(fā)射能量轉換器的性能和大規(guī)模應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,從而拓寬其應用范圍;如何減小空間電荷效應對電流的影響?？臻g電荷效應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,進而削弱單位時間到達收集極的電子數(shù),降低電流密度。有效克服空間電荷效應能夠提高輸出電流密度,進而提高系統(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收集極,一般的熱電子能量轉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、高化學穩(wěn)定性、高導電率、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)射能量轉換器因其結構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)射極材料應具有極高的熔點,高溫下機械強度高,熱導和電導性能良好,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

熱電子發(fā)射和接收的兩個電極板間存在空間電荷效應,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)域形成負電荷團,負電荷相互的斥力導致后續(xù)發(fā)射的部分電子向其他方向散射,無法到達收集極,削弱熱離子能量轉換器的實際輸出電流密度,繼而降低輸出功率和轉化效率。該效應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構,實現(xiàn)對低速電子的加速和偏轉。

縮小兩電極的間距是一種削弱空間電荷效應的有效手段。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的電子相互碰撞,從而在更短的時間內(nèi)到達收集極,但是上世紀五六十年代起開展的研究中,由于技術所限,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。較大的極間距會導致空間電荷效應,從而限制電流傳輸,而極間距減小到一定程度則會導致發(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,用于中和負電荷團,由于銫的電離勢較低,常將其作為中和材料。當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行中和,削弱空間電荷效應。然而部分電子會與銫離子發(fā)生碰撞散射,因此達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備的結構復雜度、系統(tǒng)復雜度提高,降低可靠性,還增加運行的額外功耗和設備重量,在一定程度上削弱了該裝置單位面積功率高、結構簡單、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢。