CN101604931B

CN101604931B - 碱金属热电直接转换器

Info

Publication number: CN101604931B
Application number: CN 200910072469
Authority: CN
Inventors: 周春良; 郑洪涛; 潘贤德
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: CN101604931A

Abstract

本发明提供的是一种碱金属热电直接转换器。其组成包括：抽气管(1)、支撑座(2)、上盖(3)、冷凝器(4)、冷凝器封盖(5)、上腔体I(6)、毛细芯(7)、上腔体II(8)、底座(9)、毛细芯螺母(10)、下腔体I(11)、下腔体II(12)、抽气管螺母(13)、毛细芯底座(14)、下盖(15)、陶瓷底座I(16)。本发明是一种动力能源转换和可再生能源利用领域的能量转换设备，利用BASE(β″-Al₂O₃固体电解质)选择渗透性膜，即β″-Al₂O₃是离子的良好导体，是电子和原子的不良导体的特性，将碱金属蒸汽吸收的热能转换成电能供用户使用。

Description

碱金属热电直接转换器

(一)技术领域

本发明涉及能量转换装置，具体地说是一种动力能源转换和可再生能源利用领域的能量转换设备。

(二)背景技术

能量是宇宙中的基本物理量，能量通常以潜在的形式存在。任何形式能量的有用性都在于它可转换为别的形式的能量。现代社会，电能已经成为人类社会一种至关重要的能量形式。从电磁感应现象被发现及与其相关的理论被确定以来，电能的产生就依赖于热能或者机械能转换为电能。然而人们也考虑了一些替代的方法，比如静态发电。

从工业革命以来世界范围内对能源的需求正在逐年增高，这种趋势在过去的几十年里表现的尤为突出。这些年来不仅是对能源的需求增加了，对能量转换形式的需求也改变了，一个很明显的例子就是电能。这种改变是有很多种原因的：1、传统能源(如化石能源)并不是无穷无尽的，总有用完的一天；2、现有的能量转换条件很苛刻。人们秉承提高能量转换效率的宗旨，开始发展新的能量转换技术并改进现有的技术。

碱金属热电转换装置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter)简写为AMTEC，是一种新型能量转换技术，它以液态碱金属或气态碱金属(锂、钾、碱单种金属或者合金)为工质，β″-Al₂O₃固体电解质(BASE)为离子选择性渗透膜，这种陶瓷材料对离子是良导体，对电子几乎是绝缘体，这是碱金属热电转换器工作的基础。碱金属热电转换器适用热源温度范围为900K-1300K。理论上，热电转换效率可达30％-40％。AMTEC适用于核能、化石能、太阳能等多种形式的热源，是一种结构简单、高功率密度、高效、无污染、无噪音、工作可靠的能量转换装置。AMTEC具有很高的效率和很高的能量密度，单个电池的开路电压可达到1.6V，电流密度可达到2.0A/cm²。作为一个能量系统，AMTEC的比功率可达到20-25W/kg。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种将热能高效地直接转换为电能的碱金属热电直接转换器。

本发明的目的是这样实现的：

其组成包括：抽气管1、支撑座2、上盖3、冷凝器4、冷凝器封盖5、上腔体I 6、毛细芯7、上腔体II 8、底座9、毛细芯螺母10、下腔体I 11、下腔体II12、抽气管螺母13、毛细芯底座14、下盖15、陶瓷底座I 16、陶瓷底座II 17、固体电解质18、弹簧19、支撑座II 20、陶瓷管21、金属罩22、金属管23、蒸发器25；抽气管1连接于支撑座2上，支承座2位于上盖3外部，冷凝器4位于上盖3背面；冷凝器封盖5封盖于冷凝器4上，毛细芯7穿过上腔体I 6和上腔体II 8及下腔体I 11和下腔体II 12连接毛细芯底座14和冷凝器4，毛细芯螺母10将毛细芯4固定于底座9上，底座9将整个热电直接转换器分为上腔体和下腔体，抽气管螺母13将抽气管1固定在底座9上，下盖15将高压空间封盖，固体电解质18位于陶瓷底座I 16和陶瓷底座II 17上，陶瓷底座I 16和陶瓷底座II 17固定于底座9上，弹簧19套在固体电解质18上用来使其稳定，支撑座II 20位于上盖3外部用来固定金属罩22，陶瓷管21套在金属罩22上，金属管23穿过金属罩22连接于弹簧19，蒸发器25位于毛细芯底部；所述固体电解质18的内外附有电极，其中内为阳极、外为阴极。

蒸发器25外部有导热柱26。

固体电解质的形状为管状或者片状。

电极材料为镍或者钼，电极显微特征为多孔状。

冷凝器的形状为圆孔状，材料为镍或者钼。

毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或者金属丝或金属网压制，整体毛细芯分为多级。

蒸发器的材料为镍或者钼，采用粉末冶金烧制或者金属丝或金属网压制，形状为圆锥状。

本发明是一种动力能源转换和可再生能源利用领域的能量转换设备，利用BASE(β″-Al₂O₃固体电解质)选择渗透性膜，即β″-Al₂O₃是离子的良好导体，是电子和原子的不良导体的特性，将碱金属蒸汽吸收的热能转换成电能供用户使用。

本发明工作过程简述如下：碱金属热电转换器内的固态碱金属被加热，在转换器的高温端转变为碱金属蒸汽，BASE两侧存在很大的压力差和温度差，碱金属原子在阳极处(高温高压侧)发生电离，产生碱金属离子和自由电子，BASE是碱金属离子的导体，对于电子来说是绝缘体，因此碱金属离子可通过BASE电解质到达阴极，电子则留在阳极一侧，当接通外部负载时，电子通过外部负载到达阴极和到达阴极的碱金属离子重新结合生成碱金属原子，碱金属原子在BASE/阴极表面吸热脱离到低压间碱金属蒸汽空间，然后经过冷凝器冷凝为液态碱金属，再在毛细芯毛细力的作用下回流到蒸发器重新进行循环使用。其中电子从外部负载经过的时候产生了电能，使吸收的热能转换成了可供使用的电能。

本发明对碱金属热电直接转换器的若干部件进行了重点设计，主要包括：1、BASE的材料及结构形式；2、BASE与支撑结构间的连接方式；3、电极的成形方法及特点；4、冷凝器的成形方法及特点；5毛细芯的成形方法及特点；6、蒸发器的成形方法及特点；7、导线；8、导线的引出方式；9、转换器壳体结构特点；10、转换器内部抽真空方法。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为圆锥状蒸发器示意图；

图3为固体电解质示意图；

图4为焊接方式示意图；

图5为毛细芯示意图；

图6为壳体结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-图6，图中符号“||”表示焊接。碱金属热电直接转换器的组成包括：抽气管1、支撑座2、上盖3、冷凝器4、冷凝器封盖5、上腔体I 6、毛细芯7、上腔体II 8、底座9、毛细芯螺母10、下腔体I 11、下腔体II 12、抽气管螺母13、毛细芯底座14、下盖15、陶瓷底座I 16、陶瓷底座II 17、内外附有电极的固体电解质18、弹簧19、支撑座20、陶瓷管21、金属罩22、金属管23、蒸发器25，抽气管1连接于支撑座2上，支承座2位于上盖3外部，冷凝器4位于上盖3背面；冷凝器封盖5封盖于冷凝器4上，毛细芯7穿过上腔体I 6和上腔体II 8及下腔体I 11和下腔体II 12连接毛细芯底座14和冷凝器4，毛细芯螺母10将毛细芯4固定于底座9上，底座9将整个热电直接转换器分为上腔体和下腔体，抽气管螺母13将抽气管1固定在底座9上，下盖15将高压空间封盖，固体电解质18位于陶瓷底座I 16和陶瓷底座II 17上，陶瓷底座I 16和陶瓷底座II 17固定于底座9上，弹簧19套在固体电解质18上用来使其稳定，支撑座II20位于上盖3外部用来金属罩22，陶瓷管21套在金属罩22上，金属管23穿过金属罩22连接于弹簧19，蒸发器25位于毛细芯24底部，导热柱26位于蒸发器25外部。

BASE形状为管状或者片状；BASE与支撑转换器支撑结构之间的连接方式采用过渡金属焊接的方式，焊接方式包括真空钎焊、电子束焊接、激光焊接，过渡金属为特制铝合金；电极材料为镍或者钼，成形方式为磁控溅射镀膜、真空蒸镀，电极显微特征为多孔状；冷凝器的形状为圆孔状，材料为镍或者钼，成形方式采用粉末冶金或者金属丝(丝网)压制；毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或者金属丝(丝网)压制，整体毛细芯分为多级；蒸发器的材料选择为镍或者钼，成形方法为粉末冶金烧制或者金属丝(丝网)压制，形状为圆锥状；导线材料为铜；导线引出方式为弹簧状导线与输出导线相连接，然后输出导线从绝缘陶瓷内部穿出；转换器壳体材料为不锈钢，结构采用整体或者分体焊接形式；转换器内部抽真空方式为分开方式，分别采用预留的两个铜制管路进行抽真空，同时铜制管路也作为外部导线的接线柱。

图1为AMTEC结构示意图，如图所示圆筒状碱金属热电直接转换器被BASE管及其底座分隔为高压和低压两部分，高压侧温度在900K-1300K，压力大于20kPa，低压侧温度400K-800K，压力小于100Pa。碱金属在高压空间经加热蒸发为高压碱金属蒸汽。在高温高压的作用下碱金属蒸汽试图扩散，但是β″-Al₂O₃电解质(BASE)只能让碱金属离子通过，不能让碱金属原子和电子通过，所以释放压力能的唯一的途径就是碱金属原子进行电离，电离成为碱金属离子和自由电子，这样碱金属离子在BASE管内外侧碱金属离子浓度差和压力差的作用下从BASE管中通过到达阴极一侧(BASE管外侧)，而自由电子则留在了阳极侧(BASE管内侧)，随着碱金属离子和电子分别在阴极和阳极的积聚，产生了一个由阴极指向阳极的电场，这个电场将平衡BASE管两侧的压力差并且阻止碱金属离子的进一步流动，使AMTEC达到平衡状态。当接通阴极和阳极时，阳极侧的自由电子将在电极和集流器的作用下通过外部负载到达阴极侧，与之前到达阴极侧的碱金属离子进行重新结合生成碱金属原子，碱金属原子吸热后从阴极表面脱附到低压碱金属蒸汽空间，然后到达冷凝器进行冷凝，成为液态碱金属，再经由毛细芯在毛细力的作用下回到蒸发器继续蒸发循环。这就是AMTEC的一个循环过程。

上面介绍的过程是AMTEC的基本工作过程。AMTEC的工作可以被描述为两个不同的转换过程：(a)热量通过碱金属热机转换成机械能的过程；(b)利用BASE材料的特殊性能将机械能(这里表现为压力差)转换为电能的过程。上述过程中的自由电子经由外部负载到达阴极的过程是电流产生的过程，即电能被应用的过程。

Claims

1.一种碱金属热电直接转换器，其组成包括抽气管(1)、支撑座(2)、上盖(3)、冷凝器(4)、冷凝器封盖(5)、上腔体I(6)、毛细芯(7)、上腔体II(8)、底座(9)、毛细芯螺母(10)、下腔体I(11)、下腔体II(12)、抽气管螺母(13)、毛细芯底座(14)、下盖(15)、陶瓷底座I(16)；其特征是：其组成还包括陶瓷底座II(17)、固体电解质(18)、弹簧(19)、支撑座II(20)、陶瓷管(21)、金属罩(22)、金属管(23)、蒸发器(25)；抽气管(1)连接于支撑座(2)上，支撑座(2)位于上盖(3)外部，冷凝器(4)位于上盖(3)背面；冷凝器封盖(5)封盖于冷凝器(4)上，毛细芯(7)穿过上腔体I(6)和上腔体II(8)及下腔体I(11)和下腔体II(12)连接毛细芯底座(14)和冷凝器(4)，毛细芯螺母(10)将毛细芯(7)固定于底座(9)上，底座(9)将整个热电直接转换器分为上腔体和下腔体，抽气管螺母(13)将抽气管(1)固定在底座(9)上，下盖(15)将下腔体封盖，固体电解质(18)位于陶瓷底座I(16)和陶瓷底座II(17)上，陶瓷底座I(16)和陶瓷底座II(17)固定于底座(9)上，弹簧(19)套在固体电解质(18)上用来使其稳定，支撑座II(20)位于上盖(3)外部用来固定金属罩(22)，陶瓷管(21)套在金属罩(22)上，金属管(23)穿过金属罩(22)连接于弹簧(19)，蒸发器(25)位于毛细芯底部；所述固体电解质(18)的内外附有电极，其中内为阳极、外为阴极。

2.根据权利要求1所述的碱金属热电直接转换器，其特征是：蒸发器(25)外部有导热柱(26)。

3.根据权利要求2所述的碱金属热电直接转换器，其特征是：固体电解质的形状为管状或者片状。

4.根据权利要求3所述的碱金属热电直接转换器，其特征是：电极材料为镍或者钼，电极显微特征为多孔状。

5.根据权利要求4所述的碱金属热电直接转换器，其特征是：冷凝器的形状为圆孔状，材料为镍或者钼。

6.根据权利要求5所述的碱金属热电直接转换器，其特征是：毛细芯为圆管状，采用粉末冶金烧制或者金属丝或金属网压制，整体毛细芯分为多级。