熱電場發電：全新發電模式

朱長青

電能作為一種高品質的能源，人類對它的的需求日益增長，發電的方式也多種多樣。在熱力發電這一方面，近代以來的方法主要是將熱能轉化為機械能，再利用機械能去帶動發電機發電，如蒸汽輪機發電、內燃機發電、斯特林發動機發電等。它們的共同之處是其能量轉換的中間過程較多，必須經歷原始能一熱能一機械能一電能四種能量形式，因而污染嚴重且能量轉化率低。

20世紀中葉以來，隨著保護環境的呼聲越來越高以及能源危機加重，世界各國都致力于尋求更加環保、高效的熱力發電新途徑。如果將熱能直接轉化為電能，少去一個中間環節，將有可能使能量轉化率得以提高。在這個思路的啟發下，出現了磁流體發電和燃料電池發電方式，能量轉化率都顯著提高。但由于這些系統結構復雜，制造成本高，且許多關鍵技術尚待突破，還不能達到實用階段。至今，低效率的內燃機仍然是人類活動的主要動力源。為了研究一種新的熱力發電法——熱電場發電法，使熱能能夠直接高效地轉化為電能，以提高燃料利用率，減少環境污染，特別是使用電力作為驅動力時，能以氣體或固體為燃料，緩解石油危機，為此設計出將這種方法應用于實際的熱電轉換裝置——熱電場發電機。

為達到上述目的，利用靜電場內電荷受力的基本性質以及電子在氣體中的運動規律，發明出熱電場發電法。其構思是：電子進入氣體后，如果同時還受外電場力作用，則會發生定向漂移。如果此時氣體運動方向與電子漂移方向相反，且運動速度大于電子漂移速度，則將推動電子向與漂移相反的方向運行，氣體會損失其本身的動能克服電場力做功。如果使形成電場的正極不斷發射出電子，并保持氣體連續運行，氣體會不斷把電子推送至負極板上形成電流而發電(如果上述構思中的電子換作帶同號電荷的離子，根據同樣的原理，能夠起到相同的作用，因此在以后的原理說明中一律采用電子作分析)。其過程是：從加熱室進入工作室的高溫高壓的工質氣體，自陰極至陽極通過電子發射器后，電子發射器的陰極溫度逐漸升高至開始發射電子。電子進入工質氣體中之后，同時進行了熱運動、漂移運動和擴散運動。這三種運動都使電子和工質氣體分子之間發生了力的作用，但其中熱運動和擴散運動是各向同性的，在宏觀上體現為隨工質氣體一起以相同的方向和速度(up)運動。漂移運動速度(uc)與外電場有關，它是熱電得以轉化的根本原因所在。電子沿電場方向的實際運動速度u為氣體速度(up)與漂移速度(uc)之差。在這期間攜帶電子的工質氣體克服電場力做功，同時將熱能轉化為電能輸出至外部電路，能量減少后的工質氣體最終從容器出口排出(如圖1所示)。

為將上述方法應用于實際，還設計出了熱電場發電機(如圖2所示)，其結構分為五部分：壓縮室、回熱室、加熱室、工作室和冷卻室，并由連接導管將各部分串聯成為一封閉的回路空腔，空腔內充滿不易與金屬發生化學反應的氣體工質(如氫、氮、氦等)。其中壓縮室內的電機以及工作室內的陰極發射器均由外部電路供電。發電機工作過程為：壓縮室內的空氣壓縮機將冷卻室回流的工質氣體加壓后送往加熱室；外部燃料燃燒后釋放的熱能通過加熱室傳遞給內部流經的工質氣體；工質氣體受熱膨脹后進入工作室，由工作室完成熱電轉換；工質氣體從工作室排出后回到冷卻室降溫，再參與下一循環。

這種發電方法具有許多優點。因為采用外燃方式，所以對燃料性質要求不高，可用汽油、天然氣甚至煤粉作為燃料；由于燃料在燃燒室內集中燃燒，燃燒充分，燃料利用率高；一次循環后的余熱可以循環利用，系統的熱能損失很少，因此能量轉化率高；燃燒過程平靜連續，污染排放及噪音較小；設備結構簡單，發電機整體質量輕，功率重量比大，機動性能好；無機械傳動裝置，使用壽命長。