常溫空氣下外露電極結構的電氣體發電實驗研究

柯明輝，賴林

（中山大學航空航天學院，廣東省 深圳市 518107）

0 引言

電氣體發電是一種直接將氣體動能轉化成電能的發電方式，它的基本原理是在針尖發射極和吸引極間加上高電壓，發射極附近發生電暈放電，產生大量單極性荷電粒子，在高速氣流作用下，這些荷電粒子被氣體輸運到了集電極附近。在這一過程中荷電粒子克服電場力運動，動能被直接轉換成了電能[1]。

電氣體發電不含有任何轉動部件, 理想Ericsson循環效率可以達到67%[2]，與磁流體發電相比，電氣體發電對工作介質的溫度要求大大降低，且有利于高電壓輸送。相較于傳統發電技術，電氣體發電具有結構簡單易維護、理論效率高、清潔、可靠性高等優點，具有良好發展前景[3]。

關于電氣體發電的研究主要興起于20世紀60年代后，Marks[4-7]在電氣體發電領域做了大量工作，設計了一系列電氣體發電裝置，研究了不同介質參數下的電氣體發電性能，并做了大量理論分析。Brown[8]提出2種簡化的電氣體發電裝置，并描述了發電過程，利用串聯的平行電容板實現電壓的可控輸出。Bumagin[9-10]提出一種全新的電氣體發電裝置構型，使用并-串聯多級方式以到達更高的電壓輸出，研究了氣流參數、帶電粒子速度和氣流截面半徑在噴嘴和擴壓器長度上的變化規律。Soltani、Nagornyi和Varga等人[11-15]對電流體發電過程和裝置開展了大量的理論分析和數值模擬研究。

相較而言，國內關于電氣體發電裝置的研究較少。在20世紀70年代，上海鍋爐廠[3]對電氣體發電原理和遇到的主要問題進行了總結性的闡述。趙俊才[16]對當時電氣體發電所遇到的關鍵技術問題提出了解決方法，并對自主設計的電氣體發電結構展開了實驗研究。陳聽寬等[17]對電氣體發電的工作原理，單極電荷的產生、輸送、收集方法和電氣體發電的熱力循環做了詳細的闡述和總結。陳子云、劉娟芳、孫萬敏等[1,18-21]基于CFD商業軟件對具有熱添加的電氣體發電模型進行了仿真，模擬了不同的氣體參數、結構尺寸和加熱方式對熱力循環效率的影響并進行了優化，對不同的循環系統性能進行了詳細的分析。

目前電氣體發電仍然處于基礎理論研究和模擬試驗階段，對于發電過程中產生的現象和規律認識還不夠透徹，同時高濃度荷電粒子流產生方式和高效率電荷收集方式仍然不夠理想，電氣體發電的高電壓特性也會帶來許多設計和制造上的困難，因此當前實際的電氣體發電效率仍然很低。而相關的電氣體發電基本特性的實驗研究鮮有報道。

本文設計了一套電氣體發電實驗裝置，利用常溫高壓空氣作為氣源，研究了在氣體總壓、轉換段長度、負載阻值、電暈電壓及電路接法等不同參數影響下裝置的電氣特性，分析了參數變化的原因，總結了變化規律，為后續電氣體發電裝置的設計和優化提供參考。

1 實驗裝置與測量方法

1.1 實驗裝置

本文的電氣體發電實驗系統由供氣設備、測量設備、高壓電源、自主設計的電氣體高壓發電裝置等部分組成，如圖1所示。其中供氣設備為容量300 L、壓力1.6 MPa的通用空氣壓縮機(型號為VF-1.05/16)。高壓電源選用了上海晟皋電氣科技的直流高壓發生器(型號為ZJF-60 kV/5 mA)，用以提供吸引極和發射極之間的電暈電壓。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Experimental system diagram

傳統的電氣體發電裝置的發射極都是布置在一個封閉流道里面的。為了更方便地安裝維護以及對實驗進行觀察和參數調整，設計了圖2所示外露電極結構的電氣體高壓發電裝置，該裝置的發射極和吸引極都直接暴露在周圍環境中，裝置中的壓力腔、噴嘴、進氣管則用于產生高速氣流。發射極由6根安裝在噴嘴附近的細針組成，吸引極由圓環狀銅膜組成，集電極則由1 mm的方孔不銹鋼紗網組成，轉換段由膠木構成，外部的結構框架由尼龍螺絲構成。裝置的主要尺寸和實物圖分別如圖3、4所示。

圖2 電氣體高壓發電裝置Fig.2 Electrogasdaynamic high-voltage power generation device

圖3 電氣體高壓發電裝置主要尺寸Fig.3 Main dimensions of electrogasdaynamic highvoltage power generation device

圖4 電氣體高壓發電裝置實物圖Fig.4 Physical map of electrogasdaynamic high-voltage power generation device

1.2 測量方法

裝置從壓力腔引出測壓管，利用meacon壓力變送器(型號為MIK-P300，最大量程為2.5 MPa，精度等級為0.25級)測量氣體總壓。由于本裝置的單極性荷電粒子來源為空氣電離，所以總體的電流非常微弱，為了更為準確地測量集電極與地線之間的真實電勢差(即收集電壓)，本文選用內阻為100 GΩ的高阻高壓表(型號為華測EST105，量程為±1 V~±100 kV，測量準確度為1%+2字)測量集電極的電壓，并選用2 GΩ以上高阻值的電阻作為負載用于測量發電功率。電流的測量則采用了keithley數字萬用表(型號為DM6500，100 μA直流擋位的分辨率為100 pA，精度為0.02%)和勝利萬用表(型號為VC86E，220 μA直流擋位的分辨率為10 nA，精度為0.5%+10)。圖5為整個實驗系統的電路連接示意圖。空氣壓縮機通過氣管將高壓空氣通入電氣體高壓發電裝置壓力腔。高壓氣體由進氣管進入壓力腔流經噴管噴出產生高速氣體。吸引極與高壓電源高壓輸出端相連，發射極與地線相連，集電極在經過高阻高壓表和負載后與地線相連。

圖5 電路連接方式1Fig.5 Circuit connection mode 1

2 實驗結果與分析

2.1 不同氣體總壓下發電裝置的電氣特性

固定負載阻值R=2 GΩ，電暈電壓V=8 kV，吸引極內孔徑d=15 mm，吸引極和發射極垂直距離h=6 mm，轉換段長度L=220 mm，空壓機內部氣壓隨著氣體噴出不斷降低，得到不同氣體總壓p下電氣體高壓發電裝置的電氣特性，如圖6、7所示。

圖6 不同氣壓下的收集電壓變化Fig.6 Collected voltage changes with different air pressures

圖6和圖7顯示，隨著總壓由0.4 MPa升到0.8 MPa，收集電壓Us和收集功率Ps逐步增大，但增長速度逐步減慢，Us和Ps在相同負載電阻下的變化趨勢相同。當總壓從0.7 MPa升到0.8 MPa時，p-Us和p-Ps曲線逐漸趨于水平。電氣體發電的能量轉換是動能向電能的轉換，氣體總壓的增大會加強從噴嘴噴出的氣體動能，而更大的動能有利于產生更大的收集電壓和功率。在電氣體發電中，被輸運的荷電粒子數越多，氣流速度越快，發出的電能將越大。而Ps和Us增長速度減慢的原因主要有2方面：一是因為在總壓增大的過程中，發射極處電離出去的荷電粒子變少了。圖8為發射極電流I隨著氣體總壓的增大而發生的變化，可以看到隨著總壓p的增大，電流I在持續減小；二是因為噴嘴的尺寸是固定的，出口氣流的速度并不與總壓成正比，總壓越大，提升總壓帶來的氣流速度提升將越小。

圖7 不同氣壓下的收集功率變化Fig.7 Collected power changes with different air pressures

圖8 不同氣壓下的發射極電流變化Fig.8 Emitter current changes with different air pressures

為了更直觀說明該實驗裝置的性能，以p=0.6 MPa時的數據為例，按照理想氣體等熵流簡單估算噴嘴出口動能轉化成電能的轉換效率n。按照壓力腔內氣體總溫為300 K，比熱比為1.4，噴嘴流量系數為1進行估算，可得質量流量mg=12.7 g/s，噴嘴出口速度v=435 m/s，收集功率Ps=0.282 W。轉換效率公式為

按照式(1)計算，得到轉換效率n=0.023%。可以看出，噴嘴出口的動能只有極少部分轉換成了電能，這主要是以空氣作為工作介質產生的荷電粒子具有較大遷移率導致的。

電氣體高壓發電裝置產生的電流可分成4部分：1）流經發射極的電流I，也即整個發電裝置的總電流；2）流經吸引極的電流I1，在圖5的接線條件下，也就是電源電流；3）流經集電極的電流I2；4）泄漏到環境各處去的電流I3。數值上它們滿足以下關系[16]：

發電裝置在電暈放電過程中，需要消耗一部分的電能。圖9顯示，隨著總壓P的降低，所需要的電暈功率Pr也隨之增大，一是由于總電流I的增大，帶來了整體電流的增加；二是由于總壓降低，噴嘴出口動能下降，使得I1/I增大，也即更多的電荷被吸引極吸收。

圖9 不同氣壓下的電暈功率變化Fig.9 Corona power changes with different air pressures

將收集功率Ps減去電暈功率Pr，得到凈功率Pe。圖10表明，隨著總壓增大，凈功率Pe也隨之增大。而當總壓降到0.475 MPa時，凈功率Pe已經降到了負值，表示此時電暈功率Pr已經大于收集功率Ps，這說明此時整個裝置是一個消耗電能的狀態。因此要通過電氣體發電技術產生電能，氣體動能需要足夠大。

圖10 不同氣壓下的凈功率變化Fig.10 Net power changes with different air pressures

2.2 不同轉換段長度下發電裝置的收集電壓變化

為了探究電氣體高壓發電裝置的內部電勢沿著轉換段的變化過程，調整不同轉換段長度進行試驗。試驗過程中，去掉負載，只使用高阻高壓表進行電壓的測量，以獲取更接近于無測量狀態下的電勢值。以地勢為零電勢位，收集網處的電勢與收集電壓的值相同，所以后續仍針對收集電壓進行分析。圖11為在V=12 kV、d=15 mm、h=6 mm、p=0.8 MPa工況下，不同轉換段長度電氣體高壓發電裝置的收集電壓變化曲線。可以看出，當轉換段長度L從50 mm增加到220 mm時，收集電壓隨著轉換段長度增加而增加；當轉換段長度由220 mm增加到320 mm時，收集電壓開始逐步下降。整體上收集電壓隨轉換段長度的變化呈一條拋物線。

圖11 不同轉換段長度下的收集電壓變化Fig.11 Collecting voltage changes under different conversion section lengths

靜電場泊松方程為

式中：φ為電勢；q為空間電荷密度；ε0為真空介電常量。

假設在一維條件下，轉換段的空間電荷密度為常數，則式(3)的簡單理論解為

式中a,b,c均為常數。

電勢的分布呈一條二次拋物線，與試驗結果吻合。因此當轉換段長度足夠長時，在轉換段的內部將出現電勢φ的極值點，也是獲取最大收集電壓的最佳位點。另外，由于氣流沿著轉換段逐漸衰弱，實際發電過程中，轉換段內部的電荷密度也會沿著轉換段逐步降低，使得離吸引極足夠遠處的轉換段內部電勢進一步降低。因此為了提高發電效率，需要找到最優的位點安置集電極，而不應一味加長轉換段長度。

2.3 不同負載阻值下發電裝置的電氣特性

在本文試驗中，是將集電極和地線之間的高電壓直接作用于一固定電阻上來模擬實際用電器，并基于此測量收集到的功率。通過更換不同阻值的負載，得到不同負載阻值下電氣體高壓發電裝置的電氣特性。圖12為不同負載阻值下收集電壓的變化，R=100 GΩ的曲線是去掉負載后單獨使用高阻高壓表測得的數據，可以看出，隨著負載阻值增大，測得的收集電壓Us也在不斷增大，同時隨著阻值增大，收集電壓的增加速率在不斷減緩。而隨著負載的不斷增大，收集電壓將會趨近于一個最大值，而這個值為集電極不連接任何測量電路的情況下，集電極和地線之間的電勢差。

圖12 不同負載阻值下的p-Us曲線Fig.12 p-Us curves at different load resistances

圖13為不同負載阻值下的p-Ps曲線，可見，R=5 GΩ時收集功率最大，而R=20 GΩ時收集功率相較于R=2 GΩ和R=5 GΩ時有明顯下降。由于整個裝置的電流十分微弱，集電極附近的荷電粒子總數較少，當負載阻值較小時，可流經負載的電流受限，無法提高。當流經集電極的電流維持在固定值時，收集電壓大小與阻值成正相關。而當阻值足夠大時，到達集電極的電荷將不再充分吸收，電流不再受限，而隨著阻值繼續增大，收集電壓增速漸趨緩慢。因此當R從2 GΩ增加到5 GΩ時，結合功率計算公式Ps=Us2/R，收集功率增加，而R從5 GΩ到20 GΩ時，收集功率減小。

圖13 不同負載阻值下的p-Ps曲線Fig.13 p-Ps curves at different load resistances

2.4 不同電暈電壓下發電裝置的電氣特性

電氣體發電的過程是帶有一定速度的氣體對荷電粒子的運輸，從而克服電場力做功。在本文中，荷電粒子的產生是通過針尖發射極和吸引極間的電暈放電產生的，影響電暈放電的最直接因素就是兩者間的電場，而改變電場最直接的手段就是調整間距和兩極間的電壓。圖14為不同電暈電壓下的p-I曲線，可見，隨著電壓升高，電暈產生的電流I也在逐步升高，并在V=12~13 kV時迎來較大的提升。

圖14 不同電暈電壓下的p-I曲線Fig.14 p-I curves at different corona voltages

此外，改變電壓引起的電場改變也會影響同一氣壓下流經吸引極的電流占比。荷電粒子在電氣體發電裝置中的運動主要受到2個因素影響，一是強電場下的電場力，二是曳力。電場力會使荷電粒子從發射極向吸引極運動，曳力則會使荷電粒子被輸運到集電極。圖15為不同電暈電壓下的p-Ri1曲線，由圖15可見，在同一氣體總壓下，流經吸引極的電流與發射極的電流之間的比值Ri1隨著電壓的增大而增大，這意味著荷電粒子更多地運動到吸引極。而隨著總壓從0.4 MPa增大到0.8 MPa，出口氣體動能增大，曳力在荷電粒子所受力中的占比增大。圖16表明，隨著流經收集極的電流與發射極的電流之間的比值Ri2值增大，更多的荷電粒子被輸運到集電極。

圖15 不同電暈電壓下的p-Ri1曲線Fig.15 p-Ri1 curves at different corona voltages

圖16 不同電暈電壓下的p-Ri2曲線Fig.16 p-Ri2 curves at different corona voltages

圖17為不同電暈電壓下，收集功率隨總壓的變化曲線。可以看出，隨著電暈電壓增大，收集功率有明顯的增幅，且當電暈電壓增大，收集功率隨總壓的增幅越大。

圖17 不同電暈電壓下的p-Ps曲線Fig.17 p-Ps curves at different corona voltages

雖然電暈電壓的提升會帶來收集功率的提升，但同時也帶來了電暈功率的提升。圖18為不同總壓下，收集功率和電暈功率之間的比值Rp隨著電暈電壓的變化，可以看出，隨著電暈電壓的增大，Rp在不斷減小。這意味著在其余工況不變的情況下，電暈電壓越高，電氣體高壓發電裝置產生單位電能所需要的輸入電能也越高；總壓越高，出口動能越大，Rp也越高。

圖18 不同氣壓下的U-Rp曲線Fig.18 U-Rp curves at different air pressures

圖19為不同氣壓下的U-Pe曲線，可見當總壓p=0.8 MPa時，盡管Rp值減小，但凈功率Pe仍然隨著電暈電壓的增大有微小的增大。而當p分別為0.6 MPa和0.4 MPa時，隨著電暈電壓增大，Pe在不斷減小。對比p=0.6 MPa和p=0.4 MPa的U-Pe曲線可以發現，p=0.4 MPa時，Pe的減小隨電暈電壓的減小幅度明顯要大于p=0.6 MPa時的結果。這是因為，在p=0.4 MPa時，電場力在荷電粒子的受力中占比較大。在改變電暈電壓時，電場力的變化會更大程度地影響到Pe值。

圖19 不同氣壓下的U-Pe曲線Fig.19 U-Pe curves at different air pressures

2.5 不同電路接法下發電裝置的電氣特性

前面的實驗都是基于圖5中所示的電路接法來開展的，稱其為接法1(M1)。在此基礎上，保持負極電暈放電不變，將原來的正高壓電源換成負高壓電源。以地勢作為零電勢，2種電源的差別在于正高壓電源的高(絕對值)電勢端電勢為正，而負高壓電源的高電勢端電勢為負。將負高壓電源的負極接在發射極上，吸引極則接地，就得到了圖20的接法2(M2)。

圖20 電路連接方式2Fig.20 Circuit connection mode 2

在同一電壓下對2種接法展開實驗，得到圖21、22。由圖21可知，即使是在相同的電壓下，接法2所消耗的電暈功率要明顯大于接法1。造成這種現象的原因是在接法1中，電源電流等于流經吸引極的電流I1，而在接法2中，電源電流等于流經發射極的電流I，且由式(2)可知，電流I要大于電流I1，所以造成了兩者在電暈功率上的明顯區別。

圖21 2種接法下的p-Pr曲線Fig.21 p-Pr curves under two connection methods

圖22表明，接法2的收集電壓要明顯大于接法1。需要注意的是，在更換電源后，吸引極和發射極的電勢已經發生改變，以地勢為零電勢位，接法1中吸引極的電勢為11 kV，接法2中發射極的電勢為-11 kV，而收集電壓Us是集電極和地線之間的電勢差，因此要想達到相同的收集電壓，接法1中吸引極和集電極之間的電勢差就需要更大。從結果上看，接法2電暈功率上付出的代價要大于在收集電壓上帶來的收益。

圖22 2種接法下的p-Us曲線Fig.22 p-Us curves under two connection methods

3 結論

以常溫空氣為工作介質，設計一套簡易的電氣體發電實驗系統，調整氣體總壓、轉換段長度、負載電阻、電暈電壓、電路接法進行試驗，對不同參數下發電裝置的電氣特性進行研究。得出以下結論：

1）壓力腔氣體總壓的提升可以增加噴嘴出口氣體動能，從而提升收集電壓和收集功率，但針對當前裝置針尖電暈放電產生荷電粒子的方式，氣壓提升的同時容易引起發射極電流減小，導致發電效果變差，應采取更為穩定的荷電粒子生成方式或結構。

2）在轉換段足夠長的情況下，沿著轉換段軸向，電勢在轉換段內的分布呈拋物線分布。在進行電能收集時，找到極值點進行收集可在不提高動能輸入的前提下提高收集電壓和收集功率。

3）電氣體發電對于不同的負載電阻會表現出不同特性，阻值越高，相應的收集電壓越高，且增長速度隨阻值增大而變緩。此外，收集功率隨著阻值的變化存在極值點。

4）電暈電壓的變化會明顯改變極間電場從而改變發射極電流。電暈電壓越大，收集功率越大，但相應的電暈功率也增大，收集功率和電暈功率之比越小。

5）不同電路接法下電氣體發電裝置的電氣特性不同。將負高壓電源的負極接發射極，吸引極接地，相較于將正高壓電源的正極端接吸引極，發射極接地會使電暈功率增加，同時收集電壓增加。