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热离子发电器件(Thermionic Energy Converter,TEC)具有结构紧凑、无动部件和比功率高等优点,具有广阔的应用前景。目前TEC热电转换效率较低,严重制约了其应用。空间势垒调控技术是提升TEC输出电性能的关键技术之一,但传统理论模型由于忽略了接收极产生的电流的影响,难以精确地对器件进行优化设计。本文在传统理论模型的基础上,综合考虑空间势垒及接收极产生的电流等因素的影响,对其进行优化;并利用MATLAB软件的矩阵运算功能,开展了 TEC热电性能分析及优化设计工作。主要研究内容如下:(1)针对真空型TEC,在Langmuir模型基础上,通过引入电流密度修正系数βi与空间电压降修正系数βv,来评估接收极产生的电流对输出电性能的影响。开展了电极温度、功函数和间距对输出电性能的影响研究。结果显示,真空型TEC推荐电极间距为1～10 μm;在固定发射极功函数和温度条件下,以功率密度最大化为原则,得到接收极功函数和温度的设计最优值。(2)针对表面电离工况充铯型TEC,在Kuznetsov模型基础上,增加了接收极产生的电流及电子内能的计算,进一步完善Kuznetsov模型,开展了电极温度和功函数对输出电性能的影响研究。结果显示,在固定发射极功函数和温度条件下,以功率密度最大化为原则,得到接收极功函数和温度的设计最优值。(3)针对电弧工况充铯型TEC,在Kitrilakis提出的等离子体电弧降经验公式基础上,构建了基于多因素(电极温度、功函数、间距、铯温和铯压等)优化设计的输出电性能理论计算模型,开展了钼-镍电极电弧工况充铯型TEC优化设计。结果显示,在发射极温度为1800 K条件下,电极间距为0.20 mm,铯壶温度为589.6 K,接收温度为1126.1 K时,热电转换效率达到最大为11.18%。本文建立了综合考虑空间势垒及接收极产生的电流等因素的TEC输出电性能理论计算模型,可用于接收极温度和功函数的优化设计,并给出了不同工况下器件优化设计方案。研究结果将为高效热离子发电器件的研制提供一定参考。