CN113217312A - 钠流体热能发电装置及使用其实现热能转化为电能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种钠流体热能发电装置，其包括：钠流体浓差电池电堆、热交换器、高压钠流体管道、低压钠流体管道和毛细泵。本发明针对热能高效发电利用的重大需求，从工程热物理学与电化学交叉的角度，提出采用电化学发电方式耦合吸收热能的液态钠金属及其蒸气作为工作介质的闭式循环，来高效利用热能的钠流体发电机制，构建了钠流体热能发电装置。该闭式钠流体循环驱动的电化学发电新技术，既可提高能量转换的效率，又可免去庞大的热力机械，是热能发电技术改造的重要方向。本发明与聚光太阳能、高温气冷核反应堆的结合，可突破热电效率、能源动力瓶颈，为大电网和动力推进系统提供变革性发电方式。

Description

钠流体热能发电装置及使用其实现热能转化为电能的方法
技术领域
本发明涉及热能发电技术领域，具体涉及一种钠流体热能发电装 置及使用其实现热能转化为电能的方法。
背景技术
目前热能转化为电能有三种方式，一是热能通过卡诺循环机械做 功推动线圈在磁场中运动产生电能，二是热能通过塞贝克效应使材料 界面或半导体内产生电动势，三是热能将工质加热成等离子流并在磁 场中高速流动切割磁力线产生感应电动势。
上述三种热能转化电能的方式均存在缺陷，第一种方法受热力学 第二定律限制能量转化效率低下，第二种方法热电材料的热物性参数 仍然制约着热电转化效率及其功率密度，第三种方法等离子体发电技 术所需超高温带来大量的工程技术难题。
在热能直接转化为电能的原理机制方面，目前工程热物理学与电 磁学、材料热物理学交叉结合为能源利用提供了新的理论与方法，已 经对人类社会产生了重大影响。当前，我国能源发展进入清洁低碳、 安全高效的现代能源体系新阶段，工程热物理学科面临新的机遇与挑 战，需要发明清洁能源利用的新发电技术。
发明内容
本发明的目的提供一种全新的热能转化为电能的方法，从工程热 物理学与电化学交叉的角度，提出采用电化学发电方式耦合吸收热能 的液态钠金属及其蒸气作为工作介质的闭式循环，来高效利用热能的 钠流体发电机制，即利用热能驱使物质的电子发生定向转移可控做 功，为热能直接高效转化为电能提供新方案，解决现有方案中存在的 难题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种钠流体热能发电装置，其 包括：钠流体浓差电池电堆(由钠流体浓差电池单体串联而成)、热 交换器、高压钠流体管道、低压钠流体管道和毛细泵。
其中，钠流体浓差电池电堆为该装置核心发电部件，电堆进口处 与高压钠流体管道相连，电堆出口处与低压钠流体管道相连。
其中，毛细泵从钠流体浓差电池相对端连接高压钠流体管道与低 压钠流体管道，由此构建钠的封闭循环路径。
其中，当高压钠流体管道是金属材质的，热交换器安装在管道的 外部；当高压钠流体管道是陶瓷类的，则热交换器安装在管道的内部。
所述外界高温热源包括高温气冷堆核电站、聚光太阳能发热装置 等。
可选择的，在低压钠流体管道安置热交换器，当低压钠流体管道 是金属材质的，热交换器安装在管道的外部；当低压钠流体管道是陶 瓷类的，则热交换器安装在管道的内部。
所述低温热源包括大气环境。
钠流体工作介质为碱金属钠。
其中，钠流体浓差电池电堆由钠流体浓差电池单体串联而成。
本发明还提供采用上述钠流体热能发电装置实现热能转化为电 能的方法，其包括：
第一步：毛细泵将液态钠由低压钠流体管道泵送至高压钠流体管 道；
第二步：液态钠在高压钠流体管道内被加热气化升压，变为高压 钠蒸气；
第三步：高压钠蒸气被通入钠流体浓差电池电堆阳极，发生电催 化氧化反应生成Na+和电子；
第四步：第三步中生成的Na+穿过电解质隔膜到达钠流体浓差电 池电堆的阴极，生成的电子经由外电路做功，之后也到达钠流体浓差 电池电堆的阴极；
第五步：电子与Na+在钠流体浓差电池电堆的阴极发生电催化还 原反应，生成低压钠蒸气进入低压钠流体管道；
第六步：随着温度进一步降低，低压钠蒸气在低压钠流体管道中 被液化，低压钠流体管道中最终达到气、液态钠的气液两相平衡；
第七步：低压钠流体管道中的液态钠被毛细泵输送至高压钠流体 管道，重复前面的步骤，实现钠流体工作介质的闭式循环。
本发明的有益效果
本发明针对热能高效发电利用的重大需求，从工程热物理学与电 化学交叉的角度，提出采用电化学发电方式耦合吸收热能的液态钠金 属及其蒸气作为工作介质的闭式循环，来高效利用热能的钠流体发电 机制，构建了钠流体热能发电装置。该闭式钠流体循环驱动的电化学 发电新技术，既可提高能量转换的效率，又可免去庞大的热力机械， 是热能发电技术改造的重要方向。本发明与聚光太阳能、高温气冷核 反应堆(出口温度可达950℃)的结合，可突破热电效率、能源动力 瓶颈，为大电网和动力推进系统提供变革性发电方式。
附图说明
图1本发明提供的钠流体热能发电装置结构示意图；
图2本发明提供的钠流体热能发电装置实现热能转化为电能的 方法流程图。
具体实施方式
本发明提出利用钠流体热力闭式循环以及电极催化共同驱动的 电化学反应来高效利用热能直接发电的钠流体发电新方法，无需经过 机械转换环节，热能利用效率显著提高。钠流体循环发电的原理为： 热能(来源于核能、太阳能等)直接加热钠工作介质，使之在高温下 变为高压钠蒸气，高压钠蒸气通入钠浓差电池阳极发生电催化氧化反 应Na(g,P1,T1)→Na++e-(其中g代表工质为气态，P1为高压钠 蒸气的压强，T1为高压钠蒸气的温度)，Na+通过电解质到达阴极， 电子经由外电路做功后到达阴极与Na+发生电催化还原反应Na++e-→Na(g,P2,T2)(其中g代表工质为气态，P2为低压钠蒸气的压强， T2为低压钠蒸气的温度)形成低压的钠蒸气进入低压钠流体管道。随 着温度进一步降低，低压钠流体管道中会出现低压钠蒸气液化现象， 并最终达到气、液态钠的气液两相平衡。液态钠通过毛细泵被输送到 高压钠流体管道，在高压钠流体管道内被加热气化升压后输送入钠浓 差电池阳极，由此在热能驱动钠流体的闭环循环下实现高效发电。钠 流体在浓差电池两侧的压力、温度不同，在电催化作用下发生电子和 Na+的分流和结合，电流与外负载相接直接将热能转化为电能，从而 实现高效发电的目的。钠流体热能发电机制省去普通发电机组中能量 转换的中间过程。
基于此，本发明提供一种钠流体热能发电装置，其包括：钠流体 浓差电池电堆、热交换器、高压钠流体管道、低压钠流体管道和毛细 泵。
其中钠流体浓差电池电堆为该装置核心发电部件，由钠流体浓差 电池单体串联而成,电堆进口处与高压钠流体管道相连，电堆出口处 与低压钠流体管道相连。毛细泵连接高压钠流体管道与低压钠流体管 道，由此构建钠的封闭循环路径。热交换器安置于高压钠流体管道， 负责将外界高温热源(例如高温气冷堆核电站、聚光太阳能发热装置 等)中的热能导入高压钠流体管道。根据实际情况，部分发电系统还 需要在低压钠流体管道安置热交换器，以促进低压钠流体管道中的热 能向低温热源(例如大气环境)散热。
钠流体热能发电装置的热力和发电的工作介质选为碱金属钠，其熔点为 97.8℃，沸点为822.9℃。钠在1000℃以内热容大、传热效率高，且易得失 电子活性高，而且能形成极宽幅的钠蒸气压力，从而使浓差电池获得更高的 开路电压(
Figure RE-GDA0003143562760000041
公式中V为开路电压，R为通用气体常数，T为 温度，F为法拉第常数，P1和P2分别代表浓差电池隔膜两侧的压强)，做功 能力强。
在实际应用中，应根据实际需求的电压、电流大小，确定钠流体 浓差电池电堆中串联的电池单体数量以及每个电池单体的活性区域 面积，以此来满足实际应用中的功率需求。
本发明还提供采用上述钠流体热能发电装置实现热能转化为电 能的方法，其包括：
第一步：毛细泵将液态钠由低压钠流体管道泵送至高压钠流体管 道；
第二步：液态钠在高压钠流体管道内被加热气化升压，变为高压 钠蒸气；
第三步：高压钠蒸气被通入钠流体浓差电池电堆阳极，发生电催 化氧化反应生成Na+和电子；
第四步：第三步中生成的Na+穿过电解质隔膜到达钠流体浓差电 池电堆的阴极，生成的电子经由外电路做功，之后也到达钠流体浓差 电池电堆的阴极；
第五步：电子与Na+在钠流体浓差电池电堆的阴极发生电催化还 原反应，生成低压钠蒸气进入低压钠流体管道；
第六步：随着温度进一步降低，低压钠蒸气在低压钠流体管道中 被液化，低压钠流体管道中最终达到气、液态钠的气液两相平衡；
第七步，低压钠流体管道中的液态钠被毛细泵输送至高压钠流体 管道，重复前面的步骤，实现钠流体工作介质的闭式循环。
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如 何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分 理解并据以实施。
实施例1
以高温气冷核反应堆提供热源为例，采用图1所示的本发明钠流 体热能发电装置提供950度的热源，该装置包括钠流体浓差电池电堆 1、热交换器、高压钠流体管道2、低压钠流体管道3和毛细泵4， 钠流体工作介质5在其中闭式循环。
采用该装置实现热能转化为电能的过程如图2所示：
第一步：毛细泵将液态钠由低压钠流体管道泵送至高压钠流体管 道；
第二步：液态钠在高压钠流体管道内被加热气化升压，变为高压 钠蒸气；
第三步：高压钠蒸气被通入钠流体浓差电池电堆阳极，发生电催 化氧化反应生成Na+和电子；
第四步：第三步中生成的Na+穿过电解质隔膜到达钠流体浓差电 池电堆的阴极，生成的电子经由外电路做功，之后也到达钠流体浓差 电池电堆的阴极；
第五步：电子与Na+在钠流体浓差电池电堆的阴极发生电催化还 原反应，生成低压钠蒸气进入低压钠流体管道；
第六步：随着温度进一步降低，低压钠蒸气在低压钠流体管道中 被液化，低压钠流体管道中最终达到气、液态钠的气液两相平衡；
第七步，低压钠流体管道中的液态钠被毛细泵输送至高压钠流体 管道，重复前面的步骤，实现钠流体工作介质的闭式循环。
钠流体热能发电装置低温端为300度，通过Nernst方程可计算 出流体热能发电装置的钠浓差电池单体开路电压为1.4V左右，在高 温下电流密度为1A/cm2，1平方米的活性面积可输出10kW(工作 电压为1V)左右，100片串联堆叠即为1MW。在效率方面，对于钠 浓差电池，在高温下电化学极化、欧姆极化、浓差极化均大大减少， 定义浓差电池的电能转换效率ηe为电池输出电能与吉布斯自由能变△ G的比值，发电效率为71.4％。
实施例2
以聚光太阳能提供热源为例，采用图1所示钠流体热能发电装置 提供900℃的热源，钠流体热能发电装置低温端为200度，通过 Nernst方程可计算出流体热能发电装置的钠浓差电池单体开路电压 为1.8V左右，在高温下电流密度为0.9A/cm2，1平方米的活性面积 可输出10.8kW(工作电压为1.2V)左右，100片串联堆叠即为 1.08MW。在效率方面，对于钠浓差电池，在高温下电化学极化、欧 姆极化、浓差极化均大大减少，定义浓差电池的电能转换效率ηe为电 池输出电能与吉布斯自由能变△G的比值，发电效率为66％。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的 实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息， 上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于 本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其 它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术 内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发 明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简 单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种钠流体热能发电装置，其特征在于，包括：钠流体浓差电池电堆、热交换器、高压钠流体管道、低压钠流体管道和毛细泵。
2.如权利要求1所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：钠流体浓差电池电堆为该装置核心发电部件，电堆进口处与高压钠流体管道相连，电堆出口处与低压钠流体管道相连。
3.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：毛细泵从钠流体浓差电池相对端连接高压钠流体管道与低压钠流体管道，由此构建钠的封闭循环路径。
4.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：当高压钠流体管道是金属材质的，热交换器安装在管道的外部；当高压钠流体管道是陶瓷类的，则热交换器安装在管道的内部。
5.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：所述外界高温热源包括高温气冷堆核电站、聚光太阳能发热装置等。
6.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：在低压钠流体管道安置热交换器，当低压钠流体管道是金属材质的，热交换器安装在管道的外部；当低压钠流体管道是陶瓷类的，则热交换器安装在管道的内部。
7.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：所述低温热源包括大气环境。
8.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：钠流体工作介质为碱金属钠。
9.如权利要求1或2所述的钠流体热能发电装置，其特征在于：钠流体浓差电池电堆由钠流体浓差电池单体串联而成。
10.采用权利要求1至9任一项所述钠流体热能发电装置实现热能转化为电能的方法，其特征在于，包括：
第一步：毛细泵将液态钠由低压钠流体管道泵送至高压钠流体管道；
第二步：液态钠在高压钠流体管道内被加热气化升压，变为高压钠蒸气；
第三步：高压钠蒸气被通入钠流体浓差电池电堆阳极，发生电催化氧化反应生成Na+和电子；
第四步：第三步中生成的Na+穿过电解质隔膜到达钠流体浓差电池电堆的阴极，生成的电子经由外电路做功，之后也到达钠流体浓差电池电堆的阴极；
第五步：电子与Na+在钠流体浓差电池电堆的阴极发生电催化还原反应，生成低压钠蒸气进入低压钠流体管道；
第六步：随着温度进一步降低，低压钠蒸气在低压钠流体管道中被液化，低压钠流体管道中最终达到气、液态钠的气液两相平衡；
第七步：低压钠流体管道中的液态钠被毛细泵输送至高压钠流体管道，重复前面的步骤，实现钠流体工作介质的闭式循环。
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