CN101604932B - 一种蓄热式热电直接转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种蓄热式热电直接转换装置。锂和六氟化硫反应器与碱金属热电转换器的热端之间保持良好的导热链接，碱金属热电转换器外设置有水箱，碱金属热电转换器与水箱之间有绝热材料，水箱内设置有循环水泵，锂和六氟化硫反应器与水箱之间有隔热层，毛细蒸发器是一环形空腔，毛细蒸发器套在碱金属热电转换器的冷端，毛细蒸发器顶部开有一与水箱相通的小孔作为冷却水进水口、内表面上包覆一层高吸水材料、侧面开有蒸汽输出孔并连接有输出管道进入回流管，水蒸气在回流管中冷凝成水经水箱进水口流回水箱内，碱金属热电转换器的电极伸出电池壳体。本发明结构设计合理紧凑，蓄热密度大，放热稳定，功率大，不依赖外界能长时间供电。

Description

一种蓄热式热电直接转换装置
(一)技术领域
本发明涉及的是一种热量的存储、释放以及直接把热能直接转换为电能的装置，更具体地说涉及一种蓄热式热电直接转换装置。
(二)背景技术
在许多能量的使用领域，对电能的提供已不满足于普通的供电方式。在外太空，比如卫星、空间站、空间探测器等，目前它们供电的方式普遍采用的是光电直接转换系统。这种方式提供的功率不是很高，而且寿命不长，如果航天器要求较大的使用寿命，太阳能电池板和化学蓄电池需要多次更换，大大增加了维护费用。但是随着人类对太空探索的加速，必然提出对更高功率和更长寿命的空间电源系统的需求，而且要求在寿命期内维护费用低。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式、大功率、不依赖外界、能够长时间提供电量的一种蓄热式热电直接转换装置。
本发明的目的是这样实现的：
它包括电池壳体，设置于电池壳体的锂和六氟化硫反应器、碱金属热电转换器、毛细蒸发器，锂和六氟化硫反应器与碱金属热电转换器的热端之间保持良好的导热链接，碱金属热电转换器外设置有水箱，碱金属热电转换器与水箱之间有绝热材料，水箱内设置有循环水泵，锂和六氟化硫反应器与水箱之间有隔热层，毛细蒸发器是一环形空腔，毛细蒸发器套在碱金属热电转换器的冷端，毛细蒸发器顶部开有一与水箱相通的小孔作为冷却水进水口、内表面上包覆一层高吸水材料、侧面开有蒸汽输出孔并连接有输出管道进入回流管，水蒸气在回流管中冷凝成水经水箱进水口流回水箱内，碱金属热电转换器的电极伸出电池壳体。
本发明还可以包括：
1、在锂和六氟化硫反应器与碱金属热电转换器的热端之间设置有相变蓄热器，相变蓄热器与水箱之间设置有隔热层。
2、相变蓄热器为两端分别有柱形凹陷的筒体，一端的凹陷处通过沉头螺钉与碱金属热电转换器相连，另一端的凹陷处与碱金属热电转换器通过法兰固定并且二者之间灌注填充剂，蓄热器充满相变材料，外围置有隔热材料。
3、在锂和六氟化硫反应器为底端带有柱形凹陷的筒体，锂和六氟化硫反应器的凹陷处与碱金属热电转换器通过法兰固定并且二者之间灌注填充剂。
4、锂和六氟化硫反应器与水箱之间或者是相变蓄热器与水箱之间的隔热层包括隔板和隔板上的隔热垫圈。
锂和六氟化硫反应器(Li/SF6反应器)作为蓄热电池的热源，其工作过程简述如下：引燃点火装置II，融化反应器中的锂，六氟化硫气体经喷嘴I喷入反应器，分别于反应器内的液态金属锂、锂蒸汽发生化学反应，反应方程式如下：
8Li+SF6＝6LiF+Li2S
其中Q＝-13KWh/KaLi，由于反应产物硫化锂和氟化锂的密度较锂大，反应产物会沉积在反应器4的底部使反应得以持续下去。反应热以热辐射和热传导的方式经反应器壁面传给蓄热器再由蓄热器传给碱金属热电转换装置，或直接传给碱金属热电转换装置。
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。
本发明的结构设计合理紧凑，能够方便地更换拆卸内部的零件，蓄热密度大，放热稳定，功率大，不依赖外界能长时间供电。
(四)附图说明
图1为本发明的一种实施方式的结构示意图。
图2为图1的A部放大图。
图3为本发明的第二种实施方式的结构示意图。
图4为图3中的B部放大图。
图5为本发明的工作流程图。
(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2。本发明的第一种实施方式的组成包括：1电池壳体；2绝热材料；3隔热盖；4锂和六氟化硫反应器；5相变蓄热器；6碱金属热电转换器；7水箱；8循环水泵；9毛细蒸发器；10毛细吸湿材料；11绝热材料；12法兰；13转换器电极；14隔板；15隔热垫圈；16填充材料；17隔热垫圈；18水箱进水口；19水箱出水口；20蒸汽输出口；21循环泵进水口；22水箱内壁上的固定柱；23循环泵出水口喷嘴I、点火器II。
考虑到结构设计的合理紧凑，能够方便地更换拆卸电池内部的零件，蓄热器5设计成两端分别有柱形凹陷①、②的筒体。①处通过沉头螺钉与反应器4相连，②处碱金属热电转换器6通过法兰12固定在蓄热器外壁上。在热量传递过程中由于材料之间导热性能不佳而导致的热疲劳以及热膨胀系数不匹配而产生热应力，为了保护热电直接转换器6和辅助导热，在②中灌注填充剂16并通过法兰12密封，要求填充材料16有低的热膨胀系数，最好能与热电直接转换器壳体材料相匹配，高导热性能及时将蓄热器所产生的大量热散发出去，气密性好、耐高温高湿腐蚀、质轻、低廉、有较好的成型工艺。蓄热器充满相变材料(80.5％的LiF-19.5％CaF2)，由于相变材料在相变过程中有明显的体积变化，故蓄热器内壁加波纹板缓减对容器的压力冲击。蓄热器外围置有绝热材料2。
本设计需要对蓄热电池的运行工况进行调节，使其满足不同的工作要求，由于通过改变反应器内化学反应速率或热电转换器效率来调节工况，难度较大不易实现。出于简便目的，可以通过改变转换器冷源端冷却量从而中止或减小转换量来实现对电池工况的控制。
冷却器包括水箱7、循环泵8、毛细蒸发器9(内有毛细吸湿材料10)、软管、调节阀门、蒸汽输出管道、回流管等。
蓄热器5和水箱7之间置有绝热垫圈15和隔板14，一循环水泵8设于水箱内部，水泵设有进水口21与出水口23，水泵与水箱间设有固定柱22，使水泵固定于水箱内部，软管设在水泵的出水口23与水箱出水口19之间。
毛细蒸发器9是一环形空腔，顶部开有一小孔作为冷却水进水口，内表面x上包覆一层高吸水材料10，普遍采用的包覆方式为现将吸水性材料制成套，再用纳米亲水性分散液进行处理，最后将其套在表面x上。毛细吸湿层要求很薄，吸湿能力强，要有很大的比表面积且要耐腐蚀腐烂，要与包覆表面有很好的接触，吸湿后不会膨胀以致与表面脱离形成空气层，从而增大导热热阻。毛细层外围设有由多层金属丝构成的二次网格层(图1中未标明)，由水箱出水口19喷淋下来的冷却水经二次网格的疏导，使布水均匀，提高换热效率。毛细蒸发器侧面开有蒸汽输出孔20，并连接有输出管道进入回流管。水蒸气在回流管中冷凝成水经水箱进水口18流回水箱内开始下一循环。蒸汽输出管道上设有调节阀门，用来调节蒸汽流量，从而辅助水泵控制电池工况。
图5给出了蓄热电池的工作流程。其中：46为高压碱金属蒸汽；47毛细蒸发器；48base管；49液碱金属回流管；50低压碱金属蒸汽；51冷却器；52负载。
蓄热电池的工作原理简述如下：反应器中Li/SF6反应放出大量热，热量以热辐射和热传导的方式通过壁面传给蓄热器。蓄热介质吸热后达到一定温度发生相变，不断将能量储存起来作为热电直接转换器的供热源。在转换器中，碱金属工质在高压侧被热源加热成为高压碱金属蒸汽46，在碱金属/Base界面，在压力差的驱使下，使碱金属离子透过Base管48向低压侧迁移，电子则从高压侧经外电路在低压侧与碱金属离子复合成低压碱金属蒸汽50，在冷却器51的作用下凝结，经由液态碱金属回流管49回到高压侧，液态碱金属在毛细蒸发器47中受热变为高压碱金属蒸汽46开始下一循环。
结合附图3和图4。本发明的第二种实施方式的组成包括：24电池外壳；25绝热材料；26隔热盖；27锂和六氟化硫反应器；28碱金属热电直接转换器；29水箱；30毛细蒸发器；31循环水泵；32毛细吸湿材料；33隔热垫圈；34隔热垫圈；35法兰；36填充材料；37隔板；38绝热材料；39转换器电极；40水箱进水口；41蒸汽出口；42水箱出水口；43水泵进口；44水泵出口；45水箱内壁固定柱。
与第一种实施方式相比，第二种实施方式中少了相变蓄热器，第二种实施方式中由于锂和六氟化硫的反应产物为氟化锂和硫化锂，氟化锂本身是很好的高温相变蓄热材料(温度800K以上)，反应器27中Li/SF6反应放出大量热，产物LiF作为蓄热介质吸热后达到一定温度发生相变，不断地贮存能量作为热电直接转换器28的供热源。

Claims (6)

1.一种蓄热式热电直接转换装置，它包括电池壳体，设置于电池壳体的锂和六氟化硫反应器、碱金属热电转换器、毛细蒸发器，其特征是：锂和六氟化硫反应器与碱金属热电转换器的热端之间保持良好的导热链接，碱金属热电转换器外设置有水箱，碱金属热电转换器与水箱之间有绝热材料，水箱内设置有循环水泵，锂和六氟化硫反应器与水箱之间有隔热层，毛细蒸发器是一环形空腔，毛细蒸发器套在碱金属热电转换器的冷端，毛细蒸发器顶部开有一与水箱相通的小孔作为冷却水进水口、内表面上包覆一层高吸水材料、侧面开有蒸汽输出孔并连接有输出管道进入回流管，水蒸气在回流管中冷凝成水经水箱进水口流回水箱内，碱金属热电转换器的电极伸出电池壳体。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热式热电直接转换装置，其特征是：锂和六氟化硫反应器与水箱之间隔热层包括隔板和隔板上的隔热垫圈。
3.一种蓄热式热电直接转换装置，它包括电池壳体，设置于电池壳体的锂和六氟化硫反应器、碱金属热电转换器、毛细蒸发器，其特征是：在锂和六氟化硫反应器与碱金属热电转换器的热端之间设置有相变蓄热器，碱金属热电转换器外设置有水箱，碱金属热电转换器与水箱之间有绝热材料，水箱内设置有循环水泵，相变蓄热器与水箱之间有隔热层，毛细蒸发器是一环形空腔，毛细蒸发器套在碱金属热电转换器的冷端，毛细蒸发器顶部开有一与水箱相通的小孔作为冷却水进水口、内表面上包覆一层高吸水材料、侧面开有蒸汽输出孔并连接有输出管道进入回流管，水蒸气在回流管中冷凝成水经水箱进水口流回水箱内，碱金属热电转换器的电极伸出电池壳体。
4.根据权利要求3所述的一种蓄热式热电直接转换装置，其特征是：相变蓄热器为两端分别有柱形凹陷的筒体，一端的凹陷处通过沉头螺钉与锂和六氟化硫反应器相连，另一端的凹陷处与碱金属热电转换器通过法兰固定并且二者之间灌注填充剂，蓄热器充满相变材料，外围置有隔热材料。
5.根据权利要求3所述的一种蓄热式热电直接转换装置，其特征是：锂和六氟化硫反应器为底端带有柱形凹陷的筒体，锂和六氟化硫反应器的凹陷处与碱金属热电转换器通过法兰固定并且二者之间灌注填充剂。
6.根据权利要求3-5任何一项所述的一种蓄热式热电直接转换装置，其特征是：相变蓄热器与水箱之间的隔热层包括隔板和隔板上的隔热垫圈。
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