太陽能儲能發電鈉硫電池的製作方法

2023-04-27 15:14:46 1

專利名稱：太陽能儲能發電鈉硫電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及利用太陽能的光和熱與鈉硫電池組合成的儲能發 電鈉硫電池。即光電轉換、熱電轉換和鈉、硫離子反應儲能發電技術 領域。
背景技術：
最常用的有鎳電池、鋰電池、鉛酸電池等。由於它們性能落後時代 需求，逐漸被新的電池代替。
現在，太陽能電池被廣泛應用。檢索中國發明專利和實用新型專利
共有1219條。多數是光伏電池、矽基薄膜電池、非晶矽半導體電池 等。太陽能利用的大力發展可再生能源是全球未來電力生產的大方 向。目前，風力發電和太陽能發電是近幾年發展和增長最快的兩種可 再生能源，我國近幾年風力發電和太陽能發電都增長很快，且發展潛 力巨大。由於可再生能源的電力輸出隨著風力、光照等資源的強度變 化和波動，因此無法直接向電網輸出或向用戶出售，需要經過穩定後 方可和電網安全對接輸出。而且，隨著社會的發展，對於用電質量的 要求日益提高,這也使得儲能電池質量的高低直接決定了風能太陽能 等可再生能源的應用前景。因此，太陽能電池也有一定的局限性。
發達國家已採用鈉硫電池技術，來解決風力發電和太陽能發電的 不足之處。
鈉硫電池可以通過削峰填谷的方式解決日益突出的供電緊張現象，要解決這種電力使用嚴重不對稱而造成的電力緊張現象，利用鈉 硫電池儲能是最有效的途徑,它在用電需求小於發電量時將多餘的電 能儲存起來，在需要大於供給時補充電能。而且利用分布式的儲能系
統可以在關鍵時刻輔助供電或者傳輸電能;將對供電負荷需求從峰值 時刻轉移到負荷低谷時刻或者在強制停電或者供電中斷的情況下提 供電能。
鈉硫電池作為一種先進的儲能電池，可以從根本上解決風能太陽 能輸出電力不穩定的問題。公知的鈉硫電池技術也存在一些缺點，主 要表現在-
l)電池放電時，負極倉中的鈉離子大量湧出，使鈉的液位下降， 液面以上完全處在無液狀態,使電解質的離子半徑有效率全部停止工 作，使電池總能量隨鈉液下降而減弱。
(2) 石墨碳粘電極棒的提前退化電池的活性物質——硫是絕緣 體，當硫原子浸入石墨微孔時，增大了電極棒的電阻，使其導電功能 退化，而電池提前報廢。
(3) 電解質——導電陶瓷中的鈣(Ca),以及微氣孔也是絕緣體， 當電池的熱反應溫度上升到一定值,鈣游離出來阻礙電解質的離子半 徑，鈉離子無法穿透陶瓷壁，電池能量迅速下降而報廢。
鈉硫電池的優勢是在3S(TC的環境中才能充分發揮，特別是在移 動狀態下需要移動熱源跟隨，這是急待解決的問題。 發明內容
本實用新型的目的在於提供一種改迸後具有實用性的鈉硫電池， 以及配備在移動狀態下跟隨鈉硫電池提供熱源的裝置，使其充分發揮 功能的太陽能儲能發電鈉硫電池。
本實用新型的目的由以下技術方案實現的
本實用新型主要有光熱採集系統、光電和熱電轉換系統、儲能發 電系統三部分組成。萬向透鏡(1)之內連接聚焦球(2)，之下連接光熱採集器(8)， 萬向透鏡(1)內和光熱採集器(8)內分別有光纖傳感器連接光電轉 換器(12)後，共同連接在機箱(9)之上構成光電轉換和光熱釆集 系統；
聚焦球(2)內和光熱採集器(8)內，有熱管(3)分別連接機箱 內的熱電轉換器(13)和加熱罐(14)，構成熱電轉換系統；
光電轉換器(12)、熱電轉換器(13)的外延電極(7)經導線(6) 分別連接加熱罐(14)並鈉硫電池(IS),串聯整流器(10)後連接 在機箱(9)之內構成儲能發電系統。
萬向透鏡(1)內和光熱採集器(8)內，分別有光纖傳感器聯接 光電轉換器(12)內的元器件(11)。
聚焦球(2)內和光熱採集器(8)內，是熱管(3)分別連接熱電 轉換器(13)和加熱罐(14)。
加熱罐(14)從裡至外為散熱層、保溫層、隔熱層，熱管連接在 散熱層中。
加熱罐(14)內連接鈉硫電池(15)，所述的鈉硫電池(15)至少 有一個單元，或多個單元串聯組成。
鈉硫電池(15)的一個單元由三個容器構成，外層是不鏽鋼硫倉 (1503)灌裝化學硫。中間層是陶瓷鈉硫反應倉(1504),內層是不 鏽鋼鈉調節倉(1505),調節倉中灌裝金屬鈉。鈉調節倉(1505)的 底部設有鈉噴射孔(1506)。正極設在鈉硫反應倉中，負極設在鈉調 節倉中。光電轉換器(12)的外延電極(7)經導線(6)聯接熱電轉換器 (13)和鈉硫電池的外延電極，再經導線入整流器(10)輸出，機箱 外側設置外網接口 (4)。
本實用新型的特點是，鈉硫電池具有能量和功率密度大、充電時 間快、充電放電效率高、使用壽命長、電池原料無汙染、不受場地限 制、維護方便等特點，所以它既可以作為一種先進的儲能電源來提高 整個電力行業的利用效率，由於釆用了在移動狀態下跟隨鈉硫電池提 供熱源的方法，同時也可以作為一種動力電池來應用到各個行業。

圖1是本實用新型實例中一種太陽能儲能發電鈉硫電池示意圖 圖2是本實用新型實例中一種各系統聯接示意圖 圖3是本實用新型實例中一種鈉硫電池結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，製備萬向透鏡l，採用半圓形透明有機玻璃菲尼爾 透鏡結構，即外表面光滑內表面向心多個階梯平面，陽光從任何方向 都能聚焦在聚焦球2上，產生高溫。聚焦球2採用碳纖維中空形狀。 聚焦球2內連接多條多路熱管3，聚焦球2外周邊連接多個多路光纖 傳感器5。
萬向透鏡1下連接傘狀光熱採集器8，光熱採集器內設置多條多 路熱管3和多個多路光纖傳感器5。萬向透鏡1、聚焦球2、光熱採 集器8連接在機箱9之上。
機箱9內連接光電轉換器12、熱電轉換器13、加熱罐14含鈉硫 電池15、整流器IO。
如圖1、 2所示，聚焦球2和光熱採集器8內所連接的多條多路 熱管3， 一路連接熱電轉換器13內的元器件，另一路連接加熱罐14。 聚焦球2周邊和光熱採集器8內所連接的多個光纖傳感器5都與光電轉換器12連接。
加熱罐14內連接多單元鈉硫電池15，串聯組合為一整體。鈉硫電 池15 —個單元由三個容器構成，外層是不鏽鋼硫倉1503灌裝化學硫。 中間層是陶瓷鈉硫反應倉1504，內層是不鏽鋼鈉調節倉1505，調節 倉中灌裝金屬鈉。鈉調節倉1505的底部設有鈉噴射孔1506。正極設 在鈉硫反應倉中，負極設在鈉調節倉中。
如圖l、 3所示，鈉硫電池採用鈉和硫作為電極反應物質、P-氧 化鋁陶瓷作為電解液(固態)，正常工作溫度範圍維持在270°C 350
"C。高溫下的電極物質處於熔融狀態，使得鈉離子流過e-氧化鋁固
態電解液的電阻大為降低，以獲得電池轉換高效率；而陶瓷P-氧化 鋁鋁電解液則是鈉硫電池的關鍵性技術，要求具備高鈉離子傳導能 力、高機械強度和優異的空間穩定性等特性。
它的電池形式如下
Na (1) /P-氧化鋁/Na2Sx(l)/C(+)
基本的電池反應是
2Na+XS=Na2Sx
電池放電時，作為負極的Na放出電子到外電路，同時化+經P -氧化鋁移至正極與S發生反應形成鈉硫化物Na2Sx;在對電池充電 過程中，鈉硫化物在正極分解，Na+返回負極並與電子重新結合。
鈉硫電池與常規電池的最大區別它的電解質不是有害的硫酸水 溶液，而是一種固體導電陶瓷，為多鋁酸鹽，其分子式Na20Al203，主 要材料P -A1203，純度不得低於99. 99%,以高溫1590。C燒製成e - A1203 陶瓷電解質。這種電解質的特點是，唯有鈉離子才能往返穿過，別的 任何物質都無法跟隨穿透，把這種材料放在鈉與硫之間，將兩種物質 隔開，這就構成了本電池的電化學迴路。在電池放電熱反應中，鈉原 子已失去電子，形成只帶一個單位正電荷(positive)時，轉變為還 原性很強的鈉離子(Na+—e)。而在熱反應的同時，硫原子已得到電 子，形成帶一個單位負電荷(negative)硫離子(S2——2e)。身帶正電荷為陽性的鈉離子於電解質臨界面，受異性硫的電荷引力吸引而偏 離，沿著電解質陶瓷的鈉氧層，穿過陶瓷壁進入正極硫倉，與異性硫 相聚，這種異性相互作用的結果，是外層上的電子彼此形成電子對， 而為兩個共有，它們在核外空間，受兩個原子核的共同吸引，才能夠
作平衡運動而生成穩定的化合物一多硫化鈉(Na2Sx)，同時釋放出電 能(2Na++S—Na2S+E) ， E電能為一不定值，這是由於鈉與硫的量值多 與少，而為四硫化二鈉(Na2S4)或為五硫化二鈉(Na2S5)等。
這時在電池外電路上接通負載，放電時，正極倉中的硫原子，會 不停的吸取電子，負極倉中的鈉原子，就會不斷失去電子，所形成的 鈉離子就不停的向正極硫倉湧進。
當利用直流外電源，對電池進行充電時，情況正好是相反，外電 正極與負極相接(鈉液)，陽極硫倉發生逆向反應，倉中的多硫化鈉 被分解。鈉離子又反方向，向負極轉移，通過陶瓷原來的離子通道， 返回負極倉中取得電子，轉變為原來的鈉原子，使其生命的能量再次 得到回生，恢復為原先的狀態，這時電池完成整個充放電的物質循環 過程，這就是鈉硫電池，它為什麼不完全依賴於蓄電，而是靠電子轉 移再生能量的原理，充電對該電池來講也僅僅是為了分解其活性物 質，所以它一次性的充電時間才相當短暫。
針對以上三個問題，我們提出了三種應對措施，並且通過實驗檢 測表明，可以有效地解決原"鈉硫電池"的缺陷，獲得較好的充放電 性質和使用壽命。
*在原"鈉硫電池"中新增的一個鈉反應瓶，其特徵是圓柱體 瓶形，下設放射噴孔，瓶中鈉液受鈉氣壓的因素，鈉液由底 部孔中噴出浸漫陶瓷壁。瓶中的鈉液即是下降85%以上，陶瓷 壁始終保持厚達數毫米的鈉液，它解決了因鈉液下降而能量 減弱的現象。
電池的電極棒原本通用的是石墨碳粘電極棒，現已改用鋯金
屬(Zr)，可隨電池終生壽命而不退化。 參導電陶瓷電解質，為瓶型圓柱狀，材料是貝塔三氧化二鋁 (e-Al203),其製作工藝是取經加工後平均粒度為0.4Pm的Al203粉，以無水乙醇為介質經球磨，製成酒泥漿，經
噴霧乾燥制粒，在125(TC條件下預燒，此為第一步。再製成 粉料於模中，以195MPa—200MPa壓力下靜壓成形放入匣缽中， 外經封固入爐，經1450°C—159(TC煅燒，為第二步。待爐溫 自冷，取出成品件，以350'C回火24小時後取出制光，此為 第三步。此預燒三步合成法，暫稱"三步法"可消除電池導 電陶瓷中微氣孔和鈣的無效成份。
權利要求1、一種太陽能儲能發電鈉硫電池，有光熱採集系統、光電和熱電轉換系統、儲能發電系統三部分組成，其特徵在於萬向透鏡(1)之內連接聚焦球(2)，之下連接光熱採集器(8)，萬向透鏡(1)內和光熱採集器(8)內分別有光纖傳感器聯接光電轉換器(12)後，共同連接在機箱(9)之上構成光電轉換和光熱採集系統；聚焦球(2)內和光熱採集器(8)內，有熱管(3)分別連接機箱內的熱電轉換器(13)和加熱罐(14)，構成熱電轉換系統；光電轉換器(12)、熱電轉換器(13)的外延電極(7)經導線(6)分別聯接加熱罐(14)並鈉硫電池(15)，串聯整流器(10)後連接在機箱(9)之內構成儲能發電系統；儲能發電系統中，鈉硫電池(15)的每個單元由內外不鏽鋼體中間連接陶瓷體的三個容器套接組成；儲能發電系統中，鈉硫電池(15)連接鋯金屬棒電極代替石墨電極。
2、 如權利要求書1所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 加熱罐(14)內連接鈉硫電池(15),所述的鈉硫電池(15)至少 有一個單元，或多個單元串聯組成。
3、 如權利要求書1所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於加熱罐(14)的熱源一種方式連接熱管(3)，另一種方式聯接光電轉換器(12)的電路，加熱罐(14)的室溫在300—400'C之間， 優選恆溫270—350°C。
4、如權利要求書1所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 聚焦球(2)和光熱採集器(8)內所連接的多條多路熱管(3)， 一路連接熱電轉換器(13)內的元器件，另一路連接加熱罐(14)。聚焦球(2)周邊和光熱採集器(8)內所聯接的多個光纖傳感器(5)都與光電轉換器(12)聯接。
5、如權利要求書l所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 鈉硫電池(15)的一個單元由三個容器構成，外層是不鏽鋼硫倉 (1503)灌裝化學硫，中間層是陶瓷鈉硫反應倉(1504),內層是不鏽鋼鈉調節倉(1505)，調節倉中灌裝金屬鈉，鈉調節倉(1505)的底部設有鈉噴射孔(1506)。
6、 如權利要求書l所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 鈉硫電池的正極設在鈉硫反應倉(1504)中，負極設在鈉調節倉(1505) 中。
7、 如權利要求書1所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 鈉反應倉(1504)是圓柱體瓶形，下設多個噴射孔(1506)，瓶中鈉液受鈉氣壓的壓力，鈉液由底部孔中噴出塗覆陶瓷壁。
8、 如權利要求書l所述的太陽能儲能發電鈉硫電池，其特徵在於 機箱(9)外側設置外網接口 (4)，做應急充電口。
專利摘要一種太陽能儲能發電鈉硫電池，由光熱採集系統、光電和熱電轉換系統、儲能發電系統三部分組成。其特徵是在機箱之上連接萬向透鏡(1)、聚焦球(2)、光熱採集器(8)，用光纖傳感器(5)聯接機箱內的光電轉換器(12)，用熱管(3)分別聯接熱電轉換器(13)和加熱罐(14)，加熱罐(14)內連接鈉硫電池(15)。導線(6)聯接各外延電極(7)入整流器(10)輸出。機箱(9)外側設置外網接口(4)，作為應急充電口。本實用新型的特點是，太陽能光熱不僅發電還能為加熱罐保溫，充分發揮鈉硫電池的功能。鈉硫電池具有能量大和功率密度大、充電時間快、充電放電效率高、使用壽命長、電池原料無汙染、不受場地限制、維護方便等特點，所以它既可以作為一種先進的儲能發電電源來提高整個電力行業的利用效率，由於採用了在移動狀態下跟隨鈉硫電池提供熱源的方法，同時也可以作為一種動力電池來應用到各個行業。
文檔編號F24J2/00GK201398161SQ20092014860
公開日2010年2月3日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者王裕民, 趙大慶, 明 高 申請人:趙大慶