組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統的製作方法

2023-07-02 16:16:36 1

專利名稱：組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種能源領域的能量綜合利用系統，具體地說是一種將固體 氧化燃料電池(SOFC)的排氣或這是Li/SF6化學反應器和太陽能組合起來綜合利 用作為鹼金屬熱電直接轉換器的熱源的能量系統。
(二)
背景技術：
在科學技術日益發達的今天，能源問題已經越來越被各個國家所重視，如何 有效的對能源進行綜合利用是一個迫在眉睫的問題。
太陽能集熱器是一種將太陽輻射能轉變為熱能來加熱工質的特殊熱交換器， 是太陽能利用系統中的關鍵部件。聚焦式太陽能蓄熱系統利用集熱器將太陽輻射 能轉換成高溫熱能然後利用高溫相變蓄熱器將太陽能轉換來的熱能存儲起來以 供利用。按照集熱方式的不同聚焦式太陽能集熱系統可以分為槽式、塔式、碟 式三種。槽式系統是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上；塔 式系統是利用獨立跟蹤太陽的定円鏡將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器 上，以產生很高的溫度；碟式系統是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器在 拋物面的焦點上；上述三種集熱方式中接收器接收到熱量後加熱接收器內的傳熱 工質，然後經過熱交換器將熱量存儲在蓄熱器中以供利用。目前最先進的聚焦式 集熱方式是碟式，其工作溫度可達750。C，具有很高的太陽能利用效率。
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氣體或者氣化燃料的化學能直接轉化 成電能和熱能的一種能量轉換裝置，它是一種全固態結構的燃料電池，其單電池 包括多孔的陽極層、陰極層和緻密的電解質層。圖1為SOFC的工作原理示意圖。 SOFC的能量轉換是通過電極上的電化學過程來進行的，陰極和陽極的反應 分別為
6 2 + 4e- = 202—
2(92— +2/f2 =2//20 + 4e—
SOFC除了具有燃料電池所共有的發電效率高、清潔乾淨、噪聲小和模塊化結構 等優點外，和其它燃料電池相比它還有其特有的優點，比如(l)避免了使用液態電解質所帶來的腐蝕和電解質流失等問題；(2)電極反應過程相當迅速；(3) 無需採用貴金屬電極因而降低了成本；(4)能量的綜合利用效^5可達到80%以上； (5)燃料範圍廣泛，不僅可以用H2， C0等作燃料，而且可以直接用天然氣、煤 氣化氣和其它碳氫化合物如甲醇等作燃料；(6)可以承受較高濃度的硫化物和 CO的毒害，因此對電極的要求大大降低；(7)使用具有電催化作用的陽極可以 在發電同時生產化學品，如製成燃料電池反應器等。SOFC也存在許多問題，如 陰極材料會逐漸燒結，陽極材料則會發生團聚導致電極氣孔率和活性下降；電解 質與陰極發生界面反應形成高阻的第二相，加速電池的衰退和電池壽命的縮短； 並且太高的溫度也對密封和連接材料提出了非常苛刻的要求，從而增加了電池放 大和組裝的困難；目前還面臨著造價太高的難題。SOFC的排氣溫度很高(400。C S50。C)，餘熱具有很大的利用價值。
化學反應器是應用於熱動力推進系統中產生熱源的裝置。熱動力推進系統的 基本原理是通過化學反應在瞬間產生大量的熱，利用熱能對渦輪機做功，把熱能 轉換成機械能。因此化學反應器的效率高低直接會影響熱動力推進系統整體效 率。化學反應器中金屬燃料中僅就能量密度而言，Li 、 Na、 K、 Mg、 Al都可以 作為備選燃料，而相應的F2、 C12、 02、 SF6、 FC103、 C1F3以及多種碳氟化合 物等成為備選氧化劑。其中F2、 C12、 FC103和C1F3有很大的毒性，而02與上 述所有金屬的燃燒產物熔點均高於反應區溫度，且不溶於它們中任何一種燃料。 在剩下的氧化劑中SF6與碳氣化合物相比在能量密度上佔有明顯的優勢，而且 SF6在室溫下不發生化學反應、無毒、無腐蝕性，它在2(TC時蒸汽壓為2. lMPa， 不需要額外的輔助設備就能把它輸送到燃燒室。因此，SF6是所有備選氧化劑中 最理想的。
下面列舉了典型的幾種反應
1、6U+ 3H20二 2LiH+ 2LiOH+ Li20 + H2 +
2、8Na+ SF6=Na2S+ 6NaF+ Q
3、8Li+ SF6=U2S+ 6LiF+ Q
4、4Mg+ SF6=MgS+ 3MgF2+ Q
而A1因為在熔融狀態下有強腐蝕性而被排除。在式1中，釋放的熱量Q值
較大，但是產物中含有氣體和強鹼，因此以現有的技術很難在實際應用中充分利
用其反應熱。在式4中，Mg與SF6反應的主產物MgF2熔點比反應區溫度高，不
4能互溶不可選。僅就能量密度而言Li比Na和K高，通過比較式2和式3，化學 反應式3容積能量密度最大，所以選擇Li與SF6作為反應物。另外Li/SF6熱源
系統具有以下幾個優點l.能量密度高lkg鋰反應可放出熱量13kwh;2.反
應物Li和SF6安全、無毒、無味、無腐蝕、且易存放；3.反應無任何排放物、 無汙染反應產物Li2S(硫化鋰)和LiF(氟化鋰)在Li/SF6熱源工作溫度(85(TC IIO(TC)時為液態，其密度大於液態鋰，產物的體積比燃料鋰的體積還少5%， 因此反應產物會沉降到反應器底部，不需要排出反應器外，可存放於存貯燃料鋰 的存貯器中；4.具有良好的啟動性能；5.反應過程穩定、易控制、無噪聲。
〖減金屬熱電轉換裝置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter) 簡寫為AMTEC，是一種新型能量轉換技術，它以液態鹼金屬或氣態鹼金屬(鋰、 鉀、鈉)為工質，f3'-J/20,固體電解質(BASE)為離子選擇性滲透膜，這種陶
瓷材料對離子是良導體，而對屯子幾乎是絕緣體,這構成了鹼金屬熱電轉換器工 作的基礎。鹼金屬熱電轉換器適用熱源溫度範圍為800K-1200K。理論上，熱電 轉換效率可達30%-40%。 AMTEC可直接將太陽能、外部燃燒、放射性同位素、反 應器熱源和餘熱產生的熱能轉換成電能。鹼金屬工質在封閉循環系統中運行，其 轉換過程特點為等溫膨脹/壓縮，等壓加熱，因此可獲得高效率。AMTEC具有很 多優點潔淨無噪聲、設備結構緊湊、維護量小、適合分散布置等。
Li/SF6化學反應器工作溫度為850匸到1100。C，S0FC的排氣溫度大約為673K 到1123K，聚焦式太陽能集熱系統的工作溫度(可達1023K)也很髙，這些能量 都是很寶貴的資源，如何加以合理的運用是一個問題。
n前還沒有將太陽能集熱器和S0FC以及Li/SF6化學反應器作為鹼金屬熱電 直接轉換器熱源的發明，使用高溫相變蓄熱器將上述熱源和鹼金屬熱電直接轉換 器相連是本發明的創新點之一 。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠有效地利用資源，提高能量的利用效率的組 合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統。 本發明的目的是這樣實現的
它由太陽能集熱系統、輔助發電裝置、熱交換器、蓄熱器和鹼金屬熱電直接 轉換器構成，太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器
5相連，太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱交換器置於蓄熱器內，蓄熱器通過接 口與鹼金屬熱電直接轉換器相連，鹼金屬熱電直接轉換器的電流輸出連接負載。 本發明還可以包括
1 、所述蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連是太陽能集熱系統和 輔助發電裝置的蓄熱器分別與一個鹼金屬熱電直接轉換器相連。
2、 所述蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連是太陽能集熱系統和 輔助發電裝置的蓄熱器先通過熱管裝置與一總蓄熱器相連，總蓄熱器再與一個鹼 金屬熱電直接轉換器相連。
3、 所述輔助發電裝置是固體氧化物燃料電池。
4、 所述輔助發電裝置是Li/SF6化學反應器。
本發明利用聚焦式太陽能集熱系統和固體氧化物燃料電池(SOFC)或者 Li/SF6化學反應器作為熱源產生足夠的熱量，熱量通過換熱器傳遞到高溫相變 蓄熱器，高溫相變蓄熱器通過其熱輸出接口將熱量傳遞到AMTEC高溫端保證 AMTEC的正常工作溫度，使其工作產生電能。本發明利用了鹼金屬熱電直接轉 換器具有的轉換效率高的特性，提高了能量的整體利用率。並且將太陽能和SOFC 或者Li/SF6化學反應器組合使用可以達到"削峰填谷"的作用。
為了滿足鹼金屬熱電直接轉換器的工作條件要求，需要用蓄熱器將從熱源獲 得的熱量儲存起來，從而保證溫度能夠穩定在AMTEC工作所需要的溫度範圍內。 利用S0FC的尾氣(可換為Li/SF6化學反應器)以及太陽能集熱器和鹼金屬熱 電直接轉換器組合進行發電，提高了系統的能量利用效率。
太陽能集熱系統和輔助發電裝置聯合發電可以遵循下面的原則進行使用當
工作負載處於低消耗工作狀態吋，主要用聚焦式太陽能集熱器為熱源來進行發
電，輔助發電裝置進行輔助發':h，過餘熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當工
作負載處於高消耗工作狀態時，太陽能集熱器和輔助發電裝置一起為負載提供電
力。這樣組合可以達到"削峰填谷"的作用。在其中一者性能不好的時侯，它們
還能單獨運行，進行相互彌補。比如在輔助發電裝置出現故障時可以讓太陽能集
熱系統側單獨工作，在陰天或「I照條件不好時可以用輔助發電裝賈來進行單獨提
供熱源。


圖1是本發明實施案例一的連接關係示意圖；圖2是本發明實施案例二的連接關係示意圖；圖3是本發明實施案例三的連接關係示意圖；圖4是本發明實施案例四的連接關係示意圖；圖5是各方案中熱交換器和蓄熱器的連接方式示意圖；圖6是方案二、四屮兩側的蓄熱器和總蓄熱器的連接方式；圖7是蓄熱器和AMTEC連接方式示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述 本發明的附圖中各符號的含義分別為1:是蓄熱器；2:蓄熱器的外壁；3:蓄熱器內的絕熱密封裝胃4:蓄熱器 內的吸熱材料；5:熱交換器的外壁兼導熱層；6:蓄熱器內的其它結構；7、 8: 是用來傳熱的兩個熱管裝置；9:熱管外的保溫層；10:蓄熱器；11:鹼金屬熱 電直接轉換器；A:熱交換器上的傳熱工質回流埠； B、蓄熱器上的熱輸出埠； F:蓄熱器上的用來連接AMTEC的熱輸出埠； C:熱交換器上的傳熱工質流入端 口； 1)、 E:蓄熱器上用來連接熱管的熱輸出埠； G、 H:蓄熱器上用來連接熱管 的輸入埠； J: AMTI;C上川來連接蓄熱器的輸入接口； a:是蓄熱器a;b:蓄熱器 b;c:總體蓄熱器；d:高溫端；e:低溫端。圖2為第一種方案。在此方案中，聚焦式太陽能集熱系統(先進的太陽能集熱系統的工作溫度為 1023K左右)通過拋物鏡面將太陽光聚焦到接收器上，接收器位於其焦點上，接收器內的傳熱工質被加熱，傳熱工質流過熱交換器通過熱交換器將熱量傳遞給蓄 熱器，蓄熱器和AMTEC有專門的接口， AMTEC的工作溫度為800K-1200K，保證蓄 熱器的溫度在AMTEC的工作溫度範圍內即可保證AMTEC正常工作，使其產生電流； 在另一端，固體氧化物燃料(SOFC)電池排出的尾氣具有很高的溫度，大約為 673K-1123K，可以滿足AMTEC的要求。S0FC的高溫排氣通過熱交換器將其中的 熱量傳遞給和AMTEC接口的蓄熱器器，這樣也可以保證蓄熱器的溫度在AMTEC的 工作範圍內，使AMTEC產生電流。兩端產生的電流共同連接到外部負載上，對這 二者聯合發電可以遵循下面的原則進行使用當工作負載處於低消耗工作狀態 時，主要用聚焦式太陽能集熱器為熱源來進行發電，S0FC作為輔助發電裝置， 過餘熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當工作負載處於高消耗工作狀態時，太7陽能集熱器和S0FC系統一起為負載提供電力。這樣組合可以達到"削峰填谷"的作用。在其中一者性能不好的時侯，它們還能單獨運行，進行相互彌補。比如在S0FC出現故障時可以讓太陽能集熱系統側單獨工作，在陰天或FI照條件不好時可以用S0FC側來進行單獨提供熱源。串並聯情況可根據負載要求靈活地做出相應調整。圖3為第二種方案。和上一種方案相同， 一側的太陽能集熱系統(先進的太陽能集熱系統的工作溫度為1023K左右)通過拋物鏡面將太陽光聚焦到接收器上，接收器位於其焦點上，接收器內的傳熱工質被加熱，傳熱工質流過熱交換器通過熱交換器將熱量傳遞給蓄熱器；另一側的SOFC高溫排氣(673K-1123K)中的熱量同樣通過熱交換器到達蓄熱器。這種方案和上一種方案的不同點在於，兩個單獨熱源並沒有各配備一個鹼金屬熱電直接轉換器，而是在兩側的熱源進入各自的蓄熱器以後又單獨設置了一個總蓄熱器，兩個熱源的熱量都進入這個總蓄熱器，總蓄熱器和AMTEC有著相應的接口 ，保證總體蓄熱器的溫度在AMTEC的工作範圍內即可使其正常工作。當工作負載處於低消耗工作狀態時，主要用太陽能集熱器為AMTEC提供熱量來進行發電，SOFC作為輔助裝黃，過餘熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當工作負載處於高消耗工作狀態時，太陽能集熱器和S0FC系統一起為AMTEC提供熱量。這樣組合可以達到"削峰填谷"的作用。同樣地，它們二者可以相互彌補，當一方不能正常供熱吋由另 -方單獨提供熱量發電。 圖4為第三種方案。將方案一中的固體氧化物燃料電池換為Li/SF6化學反應器即為本發明的第 三種方案，其具體工作過程同方案一。圖5為第四種方案。將方案二中的固體氧化物燃料電池換為Li/SF6化學反應器即為本發明的第 四種方案，其具體工作過程同方案二。需要加以說明的是熱交換器和蓄熱器的連接問題，圖6所示為連接方式的示 意圖。圖中所示，從太陽能集熱器加熱的傳熱工質或S0FC的尾氣經過熱交換器 的輸入埠 C流入，從輸出埠 A流出，在換熱器中通過其外壁導熱層5將熱量 傳導給蓄熱器1的吸熱材料4，由蓄熱器1經過一系列工作過程將熱量存儲起來 最後從熱輸出埠 B輸出，蓄熱器1和換熱器中間有絕熱密封裝置3確保熱量不8洩露，埠B在方案1、 2、 3中為和鹼金屬熱電直接轉換器連接的埠，在方案 4中為和熱管連接的端l」。方案二、四中蓄熱器a、 b共同連接到總蓄熱器。蓄熱器a、 b各自的輸出端 口 D、 E分別連接兩個熱管裝置7、 8，通過熱管裝置7、 8將熱量傳遞到總蓄熱 器的輸入埠 G、 H，然後再通過總蓄熱器的輸出埠 F和AMTEC相配套的輸入 埠連接，使AMTEC工作發電。AMTEC和蓄熱器的連接示意圖如圖8所示，F為蓄熱器的輸出埠 ， J為AMTEC 的輸入埠。
權利要求
1、一種組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統，它由太陽能集熱系統、輔助發電裝置、熱交換器、蓄熱器和鹼金屬熱電直接轉換器構成，其特徵是太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器相連，太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱交換器置於蓄熱器內，蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連，鹼金屬熱電直接轉換器的電流輸出連接負載。
2、 根據權利要求1所述的組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統，其特 徵是所述蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連是太陽能集熱系統和 輔助發電裝置的蓄熱器分別與一個鹼金屬熱電直接轉換器相連。
3、 根據權利要求1所述的組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統，其特 徵是所述蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連是太陽能集熱系統和 輔助發電裝置的蓄熱器先通過熱管裝置與一總蓄熱器相連，總蓄熱器再與一個 鹼金屬熱電直接轉換器相連。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系 統，其特徵是所述輔助發電裝置是固體氧化物燃料電池。
5、 根據權利要求l、 2或3所述的組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統，其特徵是所述輔助發電裝置是Li/SF6化學反應器。
全文摘要
本發明提供的是一種組合型鹼金屬熱電直接轉換式太陽能系統。它由太陽能集熱系統、輔助發電裝置、熱交換器、蓄熱器和鹼金屬熱電直接轉換器構成，太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器相連，太陽能集熱系統和輔助發電裝置的熱交換器置於蓄熱器內，蓄熱器通過接口與鹼金屬熱電直接轉換器相連，鹼金屬熱電直接轉換器的電流輸出連接負載。本發明利用聚焦式太陽能集熱器的熱量和SOFC的排氣餘熱或者Li/SF6化學反應器的餘熱，結合鹼金屬熱電直接轉換器進行發電，達到有效地利用資源，提高能量的利用效率的效果。
文檔編號H02N3/00GK101674031SQ20091007307
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者周春良, 張寶嶺, 潘賢德, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學