真空热电子发射能量转换装置传热研究文献综述

一、选题背景和意义：

中国作为世界上的用能大国，其一年的电能消费量已达到世界首位。2020年，中国全年能源消费总量48.6亿吨标准煤，比上年增长3.3%。煤炭消费量增长1.0%，电力消费增长4.5%。目前，我国能源结构中火电发电占比72.4%。由于大量依赖火电发电会造成一定的空气污染、化石能源过度消耗等问题，国家正处于能源结构转型优化阶段，提升清洁能源发电的占比，实现可持续发展目标。因此，探究高效清洁的发电形式十分重要。

热电子发电作为一种利用热能使材料发射电子来把热能转换成电能的发电方式，不依赖化石燃料，仅靠温差便可发电。这种发电方式可以用充分利用工业废热、太阳能等清洁热源。但是，热电子发射能量转换装置的热电转化效率仍需进一步提高。目前，许多研究从材料选择、发射极和收集极温度等方面给出了提到转化效率的方法。本选题将从真空热电子发射能量转换装置的传热角度，分析影响能量转换的因素，以提高装置的热电转换效率。

二、课题关键问题及难点：

关键问题：

1. 设计用于建模的热电子发射能量转换装置的结构尺寸和运行方式
2. 确定真空中热电子发射规律
3. 建立特定金属材料热电子发射模型
4. 建立热电子发射能量转换装置的不同传热模型
5. 使用COMSOL Multiphysics软件建模并计算
6. 分析传热过程中对能量转换的影响因素

难点：

1. 目前热电子发射能量装置多在两个热离子电极之间充注铯蒸汽或等离子体，研究真空下的电子发射能量装置的研究较少
2. 传热系统模型和电子发射模型较为复杂，需要选择和简化
3. 传热模型网格划分、边界条件中发射极和收集极参数的确定
4. 确定单一因素对能量转换的影响规律

三、文献综述（或调研报告）：

为了减少对于不可再生能源的依赖，人们长期以来都在探寻能够替代传统能源的清洁能源，如风能、太阳能、潮汐能、核能等，以此来减少污染物排放并缓解化石能源的不足。

热能作为一种易获得的能源，可以通过热电发射装置转化为电能。这种转化装置最初由Schlichter提出。热能激发电子，使其从发射极发射，到达收集极，与外部电路相连输出功率，从而将热能转化为电能。热电子发射能量转换装置的热能能量转换过程中没有机械运动导致的能量损失，是一种较为简单易得的发电装置。虽然其相对较低的效率将其限制在专门的医疗，军事和太空应用中使用。但是，在废热的情况下，热电发电系统的效率不是最重要的考虑因素。使用废热作为能源，尤其是在低于140°C的温度下，实质上提高了这种发电方法的商业竞争力。

热电子发射能量转换装置最初在1950年提出，但是由于材料、制造技术的局限，并没又得到很大的进展。Hatsopoulus提出了两种热电子发射装置，一种为真空热电子发射装置（VTECs）,另一种为蒸汽热电子发射装置（vapor TECs）。在发展初期，蒸汽热电子发射装置两极之间充满蒸汽，其空间电荷效通常可以被铯产生的正离子中和，因此两极之间的空间可以相对较大。然而，对于真空热电子发射装置，需要较小的两极之间的距离，这对于制造技术提出了挑战。再加上获得稳定的低功函数材料和电极之间隔热结构的难度，真空热电子发射装置早期的实际应用不多。不过，随着技术发展，特别是在MEMS工艺技术和先进的纳米级功能材料的发现，真空热电子发射装置的应用得到了很大的发展。。

目前，在探究影响热电子发射能量转换装置的能量转换效率的影响因素方面，已经有较为充分地研究。比如，V. Z. Kaibyshev等人对于集电极发射特性对电弧区热电子能量转换效率的影响。Clake S.E.提出了一种优化电极工作功能并提供离子供应以中和电子空间电荷的真空热电子发射装置，提高了能量转化效率。从传热分析角度，Yuan Hongyuan等人将对带有背栅石墨烯阳极的热电子能量转换器电极间间隙从1 mm减小到17 micro;m，减小了寄存的导热量，将效率提高了30.6倍。这表明，从传热角度，通过改变结构、材料、两极温度来提高热电子发射能量转换装置的效率是可行的。

四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

本课题主要从理论角度进行真空热电子发射能量转化装置的传热特性研究，通过使用COMSOL Multiphysics 软件建立装置模型，进行数值模拟，获得装置的传热特性。因此，课题无需搭建实验台测定设备参数和能量转化效果。在COMOSOL平台上可以进行模型建立和参数赋值，具备较强的可行性。

所选择的热电子发射能量转化装置两极之间为真空，没有蒸汽充注。因此在两极材料和温度确定的情况下，可以使用热电子发射公式等获得电子在真空中的传递规律，进而简化了模型和计算。

在传热的研究角度，可以将模型简化为辐射绝热传热模型。目前，虽然对于真空热电子发射能量转化装置的传热角度的系统研究较少，但是可以通过软件建模可以实现。在设计并选定装置材料和结构的各参数后，建立系统模型，进行系统网格划分，确定边界条件，建立辐射传热数学模型，最后进行模型计算，可以得到发射极和收集极的温度场分布和输出电流大小。因此，可以分析发射极和吸收极温度、结构、材料等因素对于能量转化效率的影响，并得到变量之间的关系，从而根据所获得的规律来对真空热电子发射能量转化装置进行优化，提高能量转化效率。