本發(fā)明涉及電及化學產(chǎn)品的產(chǎn)生和存儲，更具體而言，涉及使用可再生能源同時產(chǎn)生功率和電磁輻射，與此同時產(chǎn)生化學反應物的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

通過常規(guī)礦物燃料能源的燃燒產(chǎn)生電功率的現(xiàn)有方法通常是以工作流體(例如，處于熱動力循環(huán)當中的氣體或者鍋爐產(chǎn)生的蒸汽)的利用為基礎(chǔ)的，以便產(chǎn)生用于使渦輪機的軸旋轉(zhuǎn)的原動力，由此將化學能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生電能的電動勢。這些方法受到最高可實現(xiàn)卡諾循環(huán)效率的固有限制。此外，材料的相變(例如，水到蒸汽的轉(zhuǎn)化)需要大量的能量，這些能量中的大部分在離開渦輪機之后由于冷凝的原因而以熱能的形式損失掉了。

從不基于碳的能源產(chǎn)生具有電流和電壓的形式的電功率的替代技術(shù)因相應的理論最高效率(例如，風力技術(shù)為59.3％)的原因而存在類似的遭遇。

相反，使用光電伏打效應的太陽能電池技術(shù)則經(jīng)歷等溫過程，其不受動力循環(huán)分析和卡諾循環(huán)效率限制的影響。來自太陽的具有攜帶能量或電磁輻射的光子的形式的能量可以被直接利用，以在自由電子上感生出電動勢，以產(chǎn)生電功率。令人遺憾的是，太陽能電池存在固有的損耗，例如，I²R損耗，而且在電池中產(chǎn)生的能量仍然必須在其可以被傳輸和使用之前進行存儲。直到現(xiàn)在，這一點都使得太陽能不被一些應用所關(guān)注，例如，資本密集型設(shè)施當中的工業(yè)規(guī)模化學制品生產(chǎn)。在克服上述限制的同時有效率地生產(chǎn)化學制品的環(huán)境友好型系統(tǒng)和過程正是所需的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的各種實施例以化學產(chǎn)品的形式同時產(chǎn)生和存儲能量，由此降低或者消除向鋰離子電池中存儲能量的必要性。各種實施例通過將光子轉(zhuǎn)換成電子、以非常高的速率存儲和轉(zhuǎn)移能量來由源自于可再生一次光源的小單位的能量持續(xù)地創(chuàng)造功率。太陽能電池的p-n結(jié)內(nèi)的電場強度被轉(zhuǎn)移至內(nèi)電極間的空間，其沒有太陽能電池的諸如空間電荷電阻和歐姆損耗的限制。電子受到加速，從而有選擇地產(chǎn)生電和電磁輻射，從而以促進特定化學作用的特定頻率發(fā)起化學反應。水、氮氣和惰性氣體是用于產(chǎn)生電能的氫氣過程的潛在副產(chǎn)品。此外，所述電磁輻射可以用于發(fā)送和接收通信信號。

在某些實施例中，使用電子源(例如，陰極或者氣體電離)產(chǎn)生一個或多個電子束。使用高電壓源對所述電子進行加速，以產(chǎn)生大量的功率。在一些實施例中，波束受到橫向或者氣旋方向的操縱，從而產(chǎn)生電磁輻射。所述輻射被經(jīng)由共振空腔、磁組件或者波束操縱來被調(diào)諧至各種頻率，從而使其產(chǎn)生被選擇為與反應物分子結(jié)構(gòu)相互作用的頻率，從而影響其化學成分的改變，并產(chǎn)生有用的化學制品和染料，與此同時還產(chǎn)生電。

陰極或氣體電離產(chǎn)生與現(xiàn)有工序(例如，半導體太陽能電池)相比相對更高的電流密度，從而對從太陽能電池板發(fā)出的功率進行“放大”，同時產(chǎn)生高電流和電壓。取決于系統(tǒng)配置，所產(chǎn)生的電可以是連續(xù)的直流電、脈沖直流電或者交流電。通過在對電子束中的電荷加速時產(chǎn)生輻射的原理實現(xiàn)了極高頻率。當所述波束在專門設(shè)計的電子回旋共振腔或漂移管中暴露到縱向磁場之下時，特定的頻率被產(chǎn)生，并且被用于影響預期的化學反應，例如，將水蒸汽裂化為氫氣和氧氣。這樣的設(shè)備的一個示例是回旋振蕩管及其變型，包括TWT回旋振蕩管、回旋速調(diào)管、行波管等。

所施加的磁場可以是周期性的，并且被布置到與波束傳播方向垂直的方向內(nèi)，從而產(chǎn)生與自由電子激光器中的那些輻射場類似的橫向輻射場。電磁產(chǎn)生的量或者功率產(chǎn)生的提高可以經(jīng)由另一電磁源(例如，太陽)來控制，或者可以是在電子束漂移管外人為建立的。因而，所述電磁場可以與電子束相互作用，以交換由于電子的加速或減速而產(chǎn)生的能量。電子的動能被轉(zhuǎn)換為電磁能，或反之。

在一些實施例中，電磁輻射與等離子體電子束相互作用，從而產(chǎn)生有利于預期化學作用的頻率。

附圖說明

將參考本發(fā)明的實施例，在附圖中示出了本發(fā)明的實施例的示例。這些圖意在進行舉例說明，而非構(gòu)成限制。盡管在這些實施例的語境下對本發(fā)明給出了大體描述，但是應當理解其并非意在將本發(fā)明的范圍局限于這些具體實施例。

附圖(“圖”)1是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源產(chǎn)生能量的系統(tǒng)的概括性圖示。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源產(chǎn)生能量的發(fā)電機的示例性示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠產(chǎn)生定相電功率的示例性發(fā)電機。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠產(chǎn)生具體微波頻率上的電磁輻射的發(fā)電機。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠經(jīng)由電子束的橫向運動產(chǎn)生高頻電磁輻射的發(fā)電機。

圖6示出了使用對電子束當中窄范圍的電子速度的選擇來降低集電器電極和附帶電源的數(shù)量的發(fā)電機。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的其中的電子束為等離子體電子束的發(fā)電機。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源發(fā)電的示例性過程的流程圖。

具體實施方式

在下述描述中，將出于解釋的目的闡述具體細節(jié)，以提供對本發(fā)明的理解。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然能夠在不需要這些細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可以按照各種方式以及使用各種手段執(zhí)行如下文所述的本發(fā)明的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認識到額外的修改、應用和實施例也處于本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且在其中本發(fā)明可以提供實用性的額外領(lǐng)域也處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。相應地，下文所述的實施例將對本發(fā)明的具體實施例進行舉例說明，并且意在避免對本發(fā)明造成模糊。

在本說明書中提到“一個實施例”或“實施例”表示在本發(fā)明的至少一個實施例中包括結(jié)合實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、特性或功能。說明書中的不同位置出現(xiàn)的詞組“在一個實施例中”或“在實施例中”未必是指同一實施例。

此外，附圖中部件之間的或者方法步驟之間的連接并不限于直接受影響的連接。相反，在不背離本發(fā)明的教導的情況下，可以通過向附圖中的部件或者方法步驟之間的連接添加中間部件或者方法步驟，從而對附圖中所示的部件或方法步驟之間的連接進行修改或者其他改變。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源產(chǎn)生能量的系統(tǒng)的概括圖示。系統(tǒng)100包括太陽能電池1、電壓調(diào)節(jié)器2、電池3、電源4、發(fā)電機5、逆變器6、負載7、燃料電池8、氫氣儲存器9、氧氣儲存器10、金屬鹵化物壓縮機11、冷凝器13、隔離單元15、氮氣壓縮機17和氨轉(zhuǎn)化器18。太陽能電池1通常包括多個將來自太陽光的光子轉(zhuǎn)換成電壓的太陽能電池板。在一個實施例中，太陽能電池1被實現(xiàn)為高電壓太陽能電池板，其輸出足夠高的電壓來代替電源4。

太陽能電池1被耦合至電壓調(diào)節(jié)器2，電壓調(diào)節(jié)器2在操作中調(diào)節(jié)太陽能電池1的輸出電壓，從而平抑由太陽相對于太陽能電池1的位置以及氣象條件(例如，云使得入射到太陽能電池1的表面上的太陽光的強度下降)的自然變化引起的變化日照而產(chǎn)生的電壓變化。電池3提供能量，尤其是其以在太陽的日照下降到使得發(fā)電機5的功率輸出下降到了最小值以下的水平的情況為例。電池3可以有利地在夜間工作，從而使系統(tǒng)100能夠持續(xù)地向負載7傳遞功率，負載7為電動機或者任何其他電設(shè)備。類似地，在當太陽的日照下降到了太陽能電池板傳遞功率的速率不能滿足要求的臨界性能水平以下的若干小時內(nèi)，金屬氫化物壓縮機11可以與燃料電池8相結(jié)合地發(fā)電。電源4可以向發(fā)電機5提供直流電或交流電。在一個實施例中，發(fā)電機5被設(shè)計為產(chǎn)生高頻電磁輻射，所述高頻電磁輻射可以用于(例如)從水蒸汽產(chǎn)生氫氣。

所述電磁輻射是由被設(shè)計為與電子束相互作用以產(chǎn)生一個或多個高頻的共振或非共振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。理想地，所述頻率落在對于創(chuàng)建預期的化合物有用的吸收頻率的范圍內(nèi)。系統(tǒng)100的部分在真空條件下的操作允許利用亞大氣壓下降低的沸點產(chǎn)生水蒸氣。在一個實施例中，通過產(chǎn)生等于實現(xiàn)水分子中的能量吸收的最佳頻率的頻率來使用電磁輻射從水蒸汽產(chǎn)生氫氣。

水蒸汽可以通過本領(lǐng)域已知的任何方法產(chǎn)生，包括通過太陽能加熱或者電加熱的蒸發(fā)，例如，使用太陽能電池1提供的電能。來自任何來源的水，包括來自廢水和咸水的水，都可以被離解成其元素，氫氣和氧氣，并通過燃燒而形成凈化水?？梢允褂盟玫降娜紵裏嵬ㄟ^常規(guī)的渦輪機技術(shù)發(fā)電。而后，如此產(chǎn)生的能量可以對例如分配所產(chǎn)生的水的水泵供電。

在圖1的示例中，發(fā)電機5中產(chǎn)生的氧氣被傳遞至氧氣儲存單元10，而所產(chǎn)生的氫氣則被傳遞至儲存單元9。燃料電池8為系統(tǒng)100的夜間操作發(fā)電。燃料電池8從氫氣儲存單元9得到其氫氣燃料，并且從氧氣儲存器10得到空氣或者氧氣。壓縮機(未示出)可以被有利地放置在氫氣儲存單元9和燃料電池8之間，以提高進入燃料電池8的氫氣的壓力。由于太陽能在性質(zhì)上為直流電，因而可以使用逆變器6根據(jù)發(fā)電機5(下文將參考圖2進一步描述其部件和功能)的要求產(chǎn)生交流電，但是在發(fā)電機5的DC應用當中，或者在單相或者三相發(fā)電應用當中，逆變器6可能是不必要的，如下文進一步所述。

在一個實施例中，圖1的系統(tǒng)100被設(shè)計為除了產(chǎn)生氫氣和氧氣之外還產(chǎn)生氨氣。如果二氧化碳而不是氮氣被用作反應物，那么可以產(chǎn)生其他化學制品，例如，甲烷或甲醇。由于從熱動力學的角度氨在高壓和低溫下受到偏好(如可以由其化學計量導出的)，因而可以使用壓縮機，例如，金屬氫化物壓縮機11提高壓力，以滿足預期反映條件。類似地，利用氮氣壓縮機17來提高氮氣壓力。在一個實施例中，來自金屬氫化物壓縮器11的氫氣和來自17的氮氣在氨轉(zhuǎn)化器18中化合，以產(chǎn)生氨產(chǎn)品19。與使用常規(guī)分離方法(例如，低溫或薄膜分離)從空氣產(chǎn)生純氮氣的現(xiàn)有方法不同，在使用系統(tǒng)100的情況下惰性氣體和純水連同氮氣的伴隨產(chǎn)物優(yōu)化了總的氨生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和效率。

位于燃料電池8的出口處的冷凝器回收作為發(fā)電過程的純冷凝水14副產(chǎn)品的水。凝結(jié)水14可以被收集并出售，或者發(fā)揮其他處理功能，例如，冷卻。其余的殘余氣體流向分離單元15，在該單元內(nèi)將去除惰性氣體，如圖1中的排出流16所示?？梢酝ㄟ^很多種不同的方法單獨地去除它們的成分。例如，分離單元15可以是吸附柱，借此可以根據(jù)各種氣態(tài)成分在用于分離的材料的表面上的吸附系數(shù)而規(guī)避各種其他成分的分離。這些材料在氣相色譜處理中的吸附柱中常見。其余成分，即氮氣則進入氮化壓縮機17，以供氨合成過程之用。

由于空氣既含有氮氣，又含有惰性氣體(例如，氦、氬、氙、氪)以及氧氣，因而可以將這些材料以及燃料電池過程的產(chǎn)品(即，水)作為副產(chǎn)品回收。在一個實施例中，用于燃料電池8的氧化劑可以利用空氣12而不是來自氧氣儲存器10的純氧工作，并且惰性氣體可以被回收。還可以從排出流16回收氮氣，因為其分離性質(zhì)充分有別于氧氣的分離性質(zhì)?？梢詫煞N關(guān)鍵產(chǎn)品(即氫氣和氮氣)按照正確的比例化合，以產(chǎn)生氨氣。可以從CO₂產(chǎn)生其他商業(yè)化學制品，例如，甲醇、乙醇、烴、醚、長鏈醇、醛、酮、酚、雜環(huán)化合物等，所述CO₂可以從各種各樣的來源獲得。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源產(chǎn)生能量的發(fā)電機的示例性示意圖。發(fā)電機200包括具有p-n結(jié)21的太陽能電池20、變壓器34、加熱器43、發(fā)射器35、柵格37、集電器42和功率調(diào)節(jié)器39。在操作中，太陽能電池20接收所捕獲的具有太陽光22的形式的電磁輻射，將其暫時存儲在p-n結(jié)21當中，并且將其輸出至變壓器34和加熱器43兩者。加熱器43執(zhí)行來自發(fā)射器35的電子的熱離子發(fā)電，而變壓器34則將發(fā)射器35上的電壓提高到更高水平。從發(fā)射器35發(fā)射的電子形成被引導通過柵格37的電子相干鏈或者電子束。

在一個實施例中，使用所述電子束產(chǎn)生脈沖電流或者交流電。接下來，電子被沉積到一個或多個集電器電極42上，以捕獲所述電子束中的能量。在一個實施例中，處于變化的偏壓內(nèi)的多個集電器電極42可以是按照捕獲具有不同水平的動能的電子的方式放置的。所收集的電子產(chǎn)生電流，所述電流可以被濾波或者以其他方式被處理，以驅(qū)動各種類型的負載(未示出)。

圖2的示例中的對電子加速的方法可以用于使用各種結(jié)構(gòu)(例如，共振空腔、磁體或線圈、電介質(zhì)襯套等)產(chǎn)生相干電磁輻射70。在實施例中，相干電磁輻射70被調(diào)諧至用于執(zhí)行具體任務(wù)的具體頻率或頻帶，如下文關(guān)于圖4到圖7所討論的。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠產(chǎn)生定相電功率的示例性發(fā)電機。發(fā)電機300包括電源34、發(fā)射器35、柵格電源36、柵格37、集電器電源38、集電器電極42、加熱器電源43、逆變器39、變壓器40和負載41。盡管發(fā)電機300可以產(chǎn)生電磁輻射，但是其并未被優(yōu)化為產(chǎn)生處于特定頻率或頻帶的相干電子束。柵格37是根據(jù)預期結(jié)果允許電子束通過或被阻止的細網(wǎng)孔。所述網(wǎng)孔用于容許電連續(xù)性，并且是所施加的電荷的通路。

在操作當中，陰極電源34為發(fā)射器35提供功率。柵格電源36通過在電子束上疊加強制函數(shù)(例如，脈沖或正弦波形)來控制漂移管49中的空間電荷，以便模擬交流電。使用三個柵格37允許進行三相電功率產(chǎn)生，因為每一柵格所具有的正弦強制函數(shù)與另外兩個正弦波具有120度的相位差。該操作的最終結(jié)果是三相交變波束電流。該實施例的優(yōu)點是不需要逆變器39，以使得(例如，經(jīng)過了濾波步驟后的)電流能夠直接抵達變壓器40和負載41。

在一種操作模式當中，電子束是脈沖式的。這可以容易地通過開啟和關(guān)閉由柵格電源36施加至柵格37的電流和電壓以便使電子束模仿柵格37的性質(zhì)而實現(xiàn)。可選的加熱器電源43被耦接至發(fā)射器35(例如，場發(fā)射發(fā)射器)，以支持熱離子電子的創(chuàng)建。如圖3中的示例所示，使集電器電源38參照陰極電源34。使集電器電極42的電勢與電子束中的電子的電勢匹配，以便回收所述波束的能量。

在不將柵格37用作將直流電電子束轉(zhuǎn)換為交流電的手段的情況下，可以使用逆變器39提供該功能。此外逆變器39可以包括功率調(diào)節(jié)電路，以處理從集電器電極42輸出的功率。例如，逆變器39可以被設(shè)計為消除噪聲和雜散的信號，例如，不需要的尖峰。在向負載41傳遞功率之前，變壓器40通常將逆變器39的輸出處呈現(xiàn)的高電壓上的低電流轉(zhuǎn)換為相對較低的電壓，但電流卻更高。

盡管圖3描繪了包括被設(shè)計為產(chǎn)生三相功率的三個柵格37的實施例，但是應當理解，通過利用單個柵格37發(fā)電機300同樣可以產(chǎn)生其他的相，例如，單相功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到還可以使用本領(lǐng)域已知的各種方法產(chǎn)生不同的波形，例如，所述已知方法包括幅度調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制、脈沖持續(xù)時間調(diào)制、脈沖位置調(diào)制、脈沖幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠產(chǎn)生具體微波頻率上的電磁輻射的發(fā)電機。發(fā)電機400分別包括發(fā)射器電源34、發(fā)射器或陰極35、集電器電源38、逆變器39、變壓器40和負載41、集電器電極42、加熱器電源43、磁控管注入槍44、磁體45、陽極46、磁組件47、端口48、51、漂移管49、窗口50、內(nèi)管52、外管53以及出口端口54和55。為了清楚起見，按照相同的方式標示了與圖3所示的那些部件類似的部件。

如圖4所示，發(fā)電機400的電磁反應器部分由兩個同軸同心管內(nèi)管52和外管53組成。內(nèi)管52通常包括多孔壁或膜，其允許在內(nèi)管52中產(chǎn)生的產(chǎn)品有選擇地擴散，從而從外管53排出。外管53形成了所述反應器的非多孔壁。在一個實施例中，內(nèi)管52和外管53之間的壓力差引起一種成分的選擇性擴散，從而使外管53相對于其他成分而富有某種成分。相反，反應物可以進入外管53并在穿過內(nèi)管52的膜之后排出。

為了保持發(fā)射器35上的高電壓，可以使用電源34。電源34從可再生能源(例如前面提過的太陽能電池板組件)得到其功率。在一個實施例中，通過端口48提供來自電磁源(例如，IMPATT二極管、RF、微波、太陽光等)的待放大的信號。應當指出，可以使用端口48提取能量，以及將能量添加到現(xiàn)有的電子束上。

在一個實施例中，磁控管注入槍44通過電源43被加電，從而經(jīng)由發(fā)射器35產(chǎn)生“中空”電子束。陽極46被以這樣的方式放置以使得電子束發(fā)起旋轉(zhuǎn)運動，而磁體則被戰(zhàn)略性地放置為輔助波束的壓縮以及將波束引導進漂移管49內(nèi)。隨著波束進入漂移管49，磁體47促進波束內(nèi)的電子的氣旋式運動和旋轉(zhuǎn)運動，并且使電子束產(chǎn)生處于高頻上的輻射。電子束的能量被集電器電極42捕獲，集電器電極42由電源38供電并且使集電器42作為陰極電源34的參考。之后，電流流經(jīng)功率調(diào)節(jié)器和逆變器39。與和圖3相關(guān)的實施例一樣，所述波束可以受到調(diào)制，從而建立交流電，因而消除了逆變的必要。功率調(diào)節(jié)器還可以濾除外來噪聲和信號，以便確保干凈的功率信號進入變壓器40和/或負載41。

已知，一些反應物分子(例如，水)具有處于電磁波譜的紅外、可見和紫外區(qū)內(nèi)的明確的吸收頻率。因此，在一個實施例中，發(fā)電機400被設(shè)計為產(chǎn)生特定頻率，允許所述波束的電磁部分穿過窗口50，并促進與發(fā)電機400的反應器部分當中的化學品的能量耦合，以便執(zhí)行預期的化學反應。在一個實施例中，在漂移管49中產(chǎn)生的頻率對應于通過端口51進入反應器53的反應物分子的吸收頻率。

一旦施加到所述分子上的電磁輻射強到足以破壞原子之間的價鍵，反應物分子就被離解成化學產(chǎn)品。例如，如果所產(chǎn)生的頻率對應于水蒸汽在感興趣的區(qū)域內(nèi)的最大吸收的頻率，那么一旦產(chǎn)生了足以破壞羥鍵以產(chǎn)生氫氣和氧氣的振動能量就會發(fā)生離解。通過內(nèi)管52的膜分離氣態(tài)產(chǎn)品，所述內(nèi)管52的膜可以被設(shè)計為僅對所述氣體中的一種氣體有選擇性。經(jīng)分離的氣體分別通過出口端口54和55離開反應器。

在水蒸汽離解最為適宜的區(qū)域(例如，電磁譜的紫外、微波和紅外區(qū)域)內(nèi)，內(nèi)管52和外管53的組合可以被看作是用于在漂移管49中產(chǎn)生的電磁波的同軸波導。所述波導結(jié)構(gòu)通過離解進入外管53的水分子而實現(xiàn)了對水蒸汽的有效率的分解。由于氫氣擁有比氧氣高的分子速度，因而其通過內(nèi)管52的膜進行擴散，從而在內(nèi)管52當中以高濃度進行累積，并從內(nèi)管52流至出口端口55。所述膜可以具有不可滲透涂層(例如，鈀、銅-鈀、銀-鈀等)，并且對于氫氣則是可滲透并且具有選擇性的，從而使得只有相對很少的氧氣分子或者沒有氧氣分子傾向于從外管53擴散至出口端口55。相反，水分子可以通過端口51進入，并且經(jīng)由內(nèi)管52的膜內(nèi)的開口通過端口55而非端口54離開。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到可以使用其他種類的沸石和活性碳。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的能夠經(jīng)由電子束的橫向運動產(chǎn)生高頻電磁輻射的發(fā)電機。發(fā)電機500包括發(fā)射器電源34、發(fā)射器或陰極35、集電器電源38、逆變器39、變壓器40、負載41、集電器電極42、加熱器電源43、磁體47、端口48、51、漂移管49、窗口50、內(nèi)管52、外管53、出口端口54-55、反射鏡56、交變磁組件57和電介質(zhì)襯套58。

在圖5的示例中，交變磁組件57被設(shè)置在漂移管49和磁體47之間。在操作當中，交變磁組件57使電子束中的電子的橫向運動最大化。反射鏡56輔助相干電磁輻射的產(chǎn)生，所述相干電磁輻射用于在漂移管49內(nèi)產(chǎn)生共振效應?？梢允褂每蛇x的柵格37使發(fā)電機500按照前面提到過的產(chǎn)生交流電的方式工作。

在一個實施例中，利用在其中沿線圈(未示出)產(chǎn)生行波的行波波導結(jié)構(gòu)代替交變磁組件57。行波通過端口48進入漂移管49，并攜帶高頻波。在適當條件下，在電子束和行波之間交換能量，以便對波進行放大或者提高電子束的能量。磁組件47可以建立壓縮電子的縱向磁場。磁組件47還可以在電子束內(nèi)創(chuàng)建氣旋式運動。電子的旋轉(zhuǎn)分量產(chǎn)生與線圈的行波相互作用的輻射場。

在一個實施例中，交變磁組件57和磁體47被共振器結(jié)構(gòu)所代替來產(chǎn)生高頻波，沿所述高頻波可以從包含成波束的或者聚波束的電子的電子束提取功率。該實施例可以用于放大漂移管49中的共振頻率，以產(chǎn)生否則將難以產(chǎn)生的頻率。例如，端口48可以接收處于某些頻率上的電磁波。隨著所述波進入漂移管49，在適當條件下，當從所述電子束提取到能量時，發(fā)生所述電磁波的放大。電子束的其余能量的部分或全部通過集電器電極42被捕獲，并受到如別處關(guān)于其他實施例所述的處理。端口48還可以用于通過注入具有例如60Hz的倍數(shù)的頻率的波來產(chǎn)生交流電。發(fā)電機500可以被設(shè)計為產(chǎn)生處于電磁譜的亞毫米、毫米、紅外、可見和紫外區(qū)域中的任何區(qū)域中的頻率，從而促進具有對應的吸收頻率的反應物分子所進行的吸收。

例如，在2.235GHz上，水分子將在5_-1—6_-5轉(zhuǎn)移中吸收能量。此外，水在亞毫米區(qū)域內(nèi)吸收更大的量的能量。183.31GHz(λ＝1.635mm)、321.225GHz(λ＝0.933mm)、325.152GHz(λ＝0.922mm)、380.197GHz(λ＝0.7885mm)處的吸收峰只是水蒸汽的幾個吸收頻率。在亞毫米和遠紅外區(qū)域內(nèi)存在很多這樣的頻率，包括448.001GHz(λ＝0.6696mm)、556.936GHz(λ＝0.5386mm)、620.700GHz(λ＝0.4833mm)、752.033(λ＝0.3989mm)、916.171GHz(λ＝0.3274mm)、970.315GHz(λ＝0.3091mm)、987.926GHz(λ＝0.3036mm)、1.0973THz(λ＝0.2733mm)、1.11342THz(λ＝0.2694mm)、1.16291THz(λ＝0.2579mm)、1.20763THz(λ＝0.2484mm)、1.22878THz(λ＝0.2441mm)、1.41061THz(λ＝0.2126mm)、1.60221THz(λ＝0.1872mm)、1.66100THz(λ＝0.1806mm)、1.66990THz(λ＝0.1796mm)、1.71676THz(λ＝0.1747mm)、1.79478THz(λ＝0.1671mm)、1.79715THz(λ＝0.1669mm)、1.86774THz(λ＝0.1606mm)以及1.91935THz(λ＝0.1563mm)。

在4到13微米的紅外范圍內(nèi)，存在很多吸收頻率，在所述吸收頻率當中，吸收系數(shù)高到足以使得電磁輻射很好地耦合至水蒸汽分子。在該范圍當中，它們是：44.9THz(λ＝6.68μm)、45.2THz(λ＝6.64μm)、48.0THz(λ＝6.26μm)、53.2THz(λ＝5.64μm)、53.8THz(λ＝5.58μm)、55.3THz(λ＝5.52μm)。

在整個譜內(nèi)，存在其中水蒸汽分子偏好最高能量吸收的特殊頻率。例如，94.5THz(λ＝3.17μm)、110THz(λ＝2.73μm)、113THz(λ＝2.66μm)、160THz(λ＝1.88μm)、206THz(λ＝1.45μm)、218THz(λ＝1.38μm)、264THz(λ＝1.13μm)、318THz(λ＝0.94μm)、331THz(λ＝0.906μm)、365THz(λ＝0.822μm)、377THz(λ＝0.796μm)、415THz(λ＝0.723μm)、430THz(λ＝0.698μm)、460THz(λ＝0.652μm)、475THz(λ＝0.632μm)、505THz(λ＝0.594μm)、507THz(λ＝0.592μm)、525THz(λ＝0.572μm)、1.82PHz(λ＝0.1650μm)和2.42PHz(λ＝0.1240μm)。

圖6示出了使用對電子束當中窄范圍的電子速度的選擇來降低集電器電極和附帶電源的數(shù)量的發(fā)電機。按照相同的方式標示那些與圖5中所示的部件類似的部件。發(fā)電機600包括在漂移管49內(nèi)按照垂直樣式布置的平行靜電偏轉(zhuǎn)板60和磁體47，如圖6所示。存在于靜電偏轉(zhuǎn)板60上的靜電場可以是通過陰極電源34提供的。偏轉(zhuǎn)板60產(chǎn)生與磁體47產(chǎn)生的磁場相互垂直的靜電場。兩種場均按照與電子束路徑正交的方式定位，因而特定數(shù)量的具有特殊速度和軌道的電子在不偏離其原始路徑的情況下沿直線直接行進至集電器電極42。在沒有與電子束平行的靜電偏轉(zhuǎn)板的情況下，相對于電子束的速度施加垂直磁場，允許對具有不同速度并因而具有不同電勢的電子進行針對性分離。這實際上允許對具有特定速度的電子束進行選擇性過濾。

在一個實施例中，具有變化的電勢的額外集電器電極被放置到主集電器電極42的兩側(cè)，從而達到在相應的集電電極處接受匹配的電子電勢的目的。因此，提高了所述多個集電器電極捕獲的電子的數(shù)量，其中，電子分布是以主集電器電極42為中心的。此外，有可能產(chǎn)生偽正弦電子束，以便激勵交流電。

在一個實施例中，進入磁場的電子因其速度的正向分量與橫向磁場的組合而經(jīng)受向下壓力。如果初始電子速度大于電和磁力達到平衡的電子速度，則該力被指引向下。速度的向下分量與橫向磁場的結(jié)果產(chǎn)生了力的向后分量，其可以足以使電子繞出一個環(huán)。如果初始速度低于電和磁力達到平衡的速度，則電子將經(jīng)受向上的力，其繼而給出前向加速度。結(jié)果是波動的前向行進。該波動的前向行進與正弦波類似，并且可以用于將波束轉(zhuǎn)換為具有是磁場強度的函數(shù)的周期的交流電。因而，電子束可以直接生產(chǎn)交流電。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的其中的電子束為等離子體電子束的發(fā)電機。按照相同的方式標示那些與圖6中所示類似的部件。出于簡潔的目的，這里將不再重復對其功能的描述。等離子體電子束由中性以及帶電種類(即離子和電子)構(gòu)成。如果等離子體電子束以速度v行進，并且建立與所述波束垂直的具有磁場強度B_app的磁場，那么兩種場之間的相互作用將感生出電場E_ind，其相對于v和B_app兩者均呈直角，并且通過以下公式給出：

E_ind＝vxB_app。

應當指出，充分強的磁場使得導電氣體各向異性，因而電導率變成了張量而不是文中為了簡化目的而使用的標量。因而，根據(jù)歐姆定律，在導電流體(即，等離子體)中感生的電流的密度變成了：

J_ind＝σE_ind。

與感生電流有質(zhì)動力同時感生出了F_ind，其通過下面的向量乘積給出：

F_ind＝J_indxB_app。

該力的發(fā)生是因為，與在發(fā)電機中一樣，傳導流體切割磁場的磁力線。上面的方程產(chǎn)生與J_ind和B_app兩者均垂直的向量。所感生的力與平行，但是與之方向相反。在圖7中，電場E_app被施加為與B_app和v兩者均成直角，但是與J_ind方向相反。由該施加的電場所引起的電流密度由J_cond表示，并且被稱為傳導電流。因而，通過傳導流體的凈電流密度J為

J＝σ(E_app+vXB_app)＝σ(E_app+E_ind)。

于是，與傳導電流相關(guān)的有質(zhì)動力或者洛倫茲力為

F＝JXB_app＝σ(E_app+vXB_app)xB_app

如果E_app＞vXB_app，則我們將獲得可以增強功率產(chǎn)生以及電磁波產(chǎn)生的加速器。該方案優(yōu)于常規(guī)的生產(chǎn)功率的手段，因為流體的加速是通過電磁場發(fā)生的，而不是通過使用大量的熱能，大量的熱能限制所產(chǎn)生的功率的量，并且因此限制效率，并且將造成渦輪發(fā)電機壁的熱惡化。與常規(guī)磁流體動力學(MHD)發(fā)電不同，該實施例避免了產(chǎn)生被充分電離以具有用于電磁加速的預期高電導率的氣體所需的高溫。

相對于MHD反應器的額外優(yōu)點包括不難操縱并且使用有毒(例如，水銀或液態(tài)鈉)導電液體。液態(tài)金屬(例如，熔融鈉鉀共晶溶液)在MHD反應器中的流動需要不常見的泵送、控制和測量技術(shù)。此外，反應腔壁的冷卻需要不容易獲得的高導熱速率。此外，為了使恒常接觸熱導電氣體的反應器壁充分冷卻，時常使用相當難實現(xiàn)并且傾向于引起流不穩(wěn)定的磁體設(shè)計。

圖7中的發(fā)電機700包括電極61以及耦接至電極61和集電器電極42兩者的集電器電源38。電極61被布置為一系列平行的板對，它們沿漂移管49的頂端和底端對稱地分布在等離子體電子束的兩側(cè)，即平行于等離子體波束的運動方向。但是，這不旨在作為限制，因為電極61可以具有任何形狀，并且可以被置于發(fā)電機700內(nèi)的其他適當位置上。電極61可以是根據(jù)依次遞減的負電勢布置的，以例如允許形成于電子束中的、因不同的離子重量而具有不同速度的不同電離種類在多于一個電勢上被捕獲。

為了為所述等離子體波束提供離子，端口62可以用來接納可以在所述等離子體波束內(nèi)被電離的氣體。這些其它包括惰性氣體、氫氣和堿金屬。

在圖7的示例中，電極61具有比陰極35更高的負電勢，以便吸引來自等離子體波束的陽離子。電極61的高負電勢允許電子從陰極35行進至集電器電極42的相對較低的負電勢，而不會過早地被電極61捕獲。集電器電極42被布置為一系列多電極集電器，它們的電勢匹配波束電勢并且具有比電子發(fā)射陰極35相對更高的電勢。這促進電極42對電子的捕獲，并且提供對來自等離子體波束的能量的回收。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的用于從可再生能源發(fā)電的示例性過程的流程圖。在步驟802中，從太陽能電池的p-n結(jié)產(chǎn)生電流。

在步驟804中，將所述電流的一部分被施加至發(fā)射電子的發(fā)射器。

在步驟806中，通過例如將所述電流的一部分施加至所述發(fā)射器而在所述發(fā)射器上產(chǎn)生高電勢。

在步驟808中，將電流轉(zhuǎn)化為從發(fā)射器發(fā)射的電子束。

在步驟810中，所發(fā)射的電子被加速到高動能水平。

在步驟812中，在發(fā)射器和集電器之間施加交變電勢，以便產(chǎn)生交流電。

在步驟814中，來自經(jīng)加速的電子束的電子被收集，例如以提供處于比發(fā)射器電勢低的電勢上的第二電流，以便驅(qū)動負載。

最后，在步驟816中，例如通過使用由所述電子束創(chuàng)建的高頻輻射來創(chuàng)建化學反應物。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以將更少的步驟或者額外的步驟與文中所示的步驟合并。流程圖中的框的布置或者文中的描述不暗示任何特定順序。

將進一步認識到，前面的示例和實施例只是示例性的，其只是為了達到清楚和理解的目的，而非限制本發(fā)明的范圍。其意圖是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在閱讀了說明書并且研究了附圖后，對其的所有置換、增強、等價方案、組合和改進都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，其意圖是，使權(quán)利要求包括所有這樣的落在本發(fā)明的實際精神和范圍內(nèi)的修改、置換和等價方案。