廖天军 杨智敏 林比宏

1) (重庆理工大学物理与能源系,重庆 400054)

2) (延安大学物理与电子信息学院,延安 716000)

3) (华侨大学物理系,厦门 361021)

科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter,GTEC)的模型,对其物理机理与参数优化展开了研究,为高品位热能开发提供了新途径.然而,空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC 能量转换性能的影响却鲜有报道.本文结合热电子发射、朗缪尔空间电荷、非平衡态热力学和涨落电动力学等理论,考虑热电子输运、近场热辐射输运、牛顿换热的相互作用对GETC 的影响,进而构建完善的物理模型.首先,分析极板温度恒定时的电流密度、阴极板附加势垒、功率密度、转换效率、热流对电压和真空间隙的依赖特性,结果表明真空间隙对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小,可在不同的电压处获得最高功率密度和效率.其次,分析了极板温度受能量平衡约束条件下,功率密度与效率随电压的变化情况,研究发现:相比于恒温模型,牛顿换热对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小;在最优功率密度时的阳极板温度高于环境温度,而最优效率时的阳极板温度趋于环境温度;折衷考虑功率密度和效率,确定了电压、真空间隙和阳极板温度的优化区间.本文所获结果可为实际器件的研制提供理论支撑.

1 引言

热光伏器件[1−3]和热电子器件[4−7]是全固态能量装置,可以被核能[8,9]、燃料电池[10,11]、聚焦太阳能[12,13]等高品位热源驱动而产生……