CN201398161Y - 太阳能储能发电钠硫电池 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能储能发电钠硫电池，由光热采集系统、光电和热电转换系统、储能发电系统三部分组成。其特征是在机箱之上连接万向透镜(1)、聚焦球(2)、光热采集器(8)，用光纤传感器(5)联接机箱内的光电转换器(12)，用热管(3)分别联接热电转换器(13)和加热罐(14)，加热罐(14)内连接钠硫电池(15)。导线(6)联接各外延电极(7)入整流器(10)输出。机箱(9)外侧设置外网接口(4)，作为应急充电口。本实用新型的特点是，太阳能光热不仅发电还能为加热罐保温，充分发挥钠硫电池的功能。钠硫电池具有能量大和功率密度大、充电时间快、充电放电效率高、使用寿命长、电池原料无污染、不受场地限制、维护方便等特点，所以它既可以作为一种先进的储能发电电源来提高整个电力行业的利用效率，由于采用了在移动状态下跟随钠硫电池提供热源的方法，同时也可以作为一种动力电池来应用到各个行业。

Description

太阳能储能发电钠硫电池
技术领域
本实用新型涉及利用太阳能的光和热与钠硫电池组合成的储能发电钠硫电池。即光电转换、热电转换和钠、硫离子反应储能发电技术领域。
背景技术
最常用的有镍电池、锂电池、铅酸电池等。由于它们性能落后时代需求，逐渐被新的电池代替。
现在，太阳能电池被广泛应用。检索中国发明专利和实用新型专利共有1219条。多数是光伏电池、硅基薄膜电池、非晶硅半导体电池等。太阳能利用的大力发展可再生能源是全球未来电力生产的大方向。目前，风力发电和太阳能发电是近几年发展和增长最快的两种可再生能源，我国近几年风力发电和太阳能发电都增长很快，且发展潜力巨大。由于可再生能源的电力输出随着风力、光照等资源的强度变化和波动，因此无法直接向电网输出或向用户出售，需要经过稳定后方可和电网安全对接输出。而且，随着社会的发展，对于用电质量的要求日益提高，这也使得储能电池质量的高低直接决定了风能太阳能等可再生能源的应用前景。因此，太阳能电池也有一定的局限性。
发达国家已采用钠硫电池技术，来解决风力发电和太阳能发电的不足之处。
钠硫电池可以通过削峰填谷的方式解决日益突出的供电紧张现象，要解决这种电力使用严重不对称而造成的电力紧张现象，利用钠硫电池储能是最有效的途径，它在用电需求小于发电量时将多余的电能储存起来，在需要大于供给时补充电能。而且利用分布式的储能系统可以在关键时刻辅助供电或者传输电能；将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻或者在强制停电或者供电中断的情况下提供电能。
钠硫电池作为一种先进的储能电池，可以从根本上解决风能太阳能输出电力不稳定的问题。公知的钠硫电池技术也存在一些缺点，主要表现在：
1)电池放电时，负极仓中的钠离子大量涌出，使钠的液位下降，液面以上完全处在无液状态，使电解质的离子半径有效率全部停止工作，使电池总能量随钠液下降而减弱。
(2)石墨碳粘电极棒的提前退化：电池的活性物质——硫是绝缘体，当硫原子浸入石墨微孔时，增大了电极棒的电阻，使其导电功能退化，而电池提前报废。
(3)电解质——导电陶瓷中的钙(Ca)，以及微气孔也是绝缘体，当电池的热反应温度上升到一定值，钙游离出来阻碍电解质的离子半径，钠离子无法穿透陶瓷壁，电池能量迅速下降而报废。
钠硫电池的优势是在350℃的环境中才能充分发挥，特别是在移动状态下需要移动热源跟随，这是急待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种改进后具有实用性的钠硫电池，以及配备在移动状态下跟随钠硫电池提供热源的装置，使其充分发挥功能的太阳能储能发电钠硫电池。
本实用新型的目的由以下技术方案实现的：
本实用新型主要有光热采集系统、光电和热电转换系统、储能发电系统三部分组成。
万向透镜(1)之内连接聚焦球(2)，之下连接光热采集器(8)，万向透镜(1)内和光热采集器(8)内分别有光纤传感器连接光电转换器(12)后，共同连接在机箱(9)之上构成光电转换和光热采集系统；
聚焦球(2)内和光热采集器(8)内，有热管(3)分别连接机箱内的热电转换器(13)和加热罐(14)，构成热电转换系统；
光电转换器(12)、热电转换器(13)的外延电极(7)经导线(6)分别连接加热罐(14)并钠硫电池(15)，串联整流器(10)后连接在机箱(9)之内构成储能发电系统。
万向透镜(1)内和光热采集器(8)内，分别有光纤传感器联接光电转换器(12)内的元器件(11)。
聚焦球(2)内和光热采集器(8)内，是热管(3)分别连接热电转换器(13)和加热罐(14)。
加热罐(14)从里至外为散热层、保温层、隔热层，热管连接在散热层中。
加热罐(14)内连接钠硫电池(15)，所述的钠硫电池(15)至少有一个单元，或多个单元串联组成。
钠硫电池(15)的一个单元由三个容器构成，外层是不锈钢硫仓(1503)灌装化学硫。中间层是陶瓷钠硫反应仓(1504)，内层是不锈钢钠调节仓(1505)，调节仓中灌装金属钠。钠调节仓(1505)的底部设有钠喷射孔(1506)。正极设在钠硫反应仓中，负极设在钠调节仓中。
光电转换器(12)的外延电极(7)经导线(6)联接热电转换器(13)和钠硫电池的外延电极，再经导线入整流器(10)输出，机箱外侧设置外网接口(4)。
本实用新型的特点是，钠硫电池具有能量和功率密度大、充电时间快、充电放电效率高、使用寿命长、电池原料无污染、不受场地限制、维护方便等特点，所以它既可以作为一种先进的储能电源来提高整个电力行业的利用效率，由于采用了在移动状态下跟随钠硫电池提供热源的方法，同时也可以作为一种动力电池来应用到各个行业。
附图说明
图1是本实用新型实例中一种太阳能储能发电钠硫电池示意图
图2是本实用新型实例中一种各系统联接示意图
图3是本实用新型实例中一种钠硫电池结构示意图
具体实施方式
如图1所示，制备万向透镜1，采用半圆形透明有机玻璃菲尼尔透镜结构，即外表面光滑内表面向心多个阶梯平面，阳光从任何方向都能聚焦在聚焦球2上，产生高温。聚焦球2采用碳纤维中空形状。聚焦球2内连接多条多路热管3，聚焦球2外周边连接多个多路光纤传感器5。
万向透镜1下连接伞状光热采集器8，光热采集器内设置多条多路热管3和多个多路光纤传感器5。万向透镜1、聚焦球2、光热采集器8连接在机箱9之上。
机箱9内连接光电转换器12、热电转换器13、加热罐14含钠硫电池15、整流器10。
如图1、2所示，聚焦球2和光热采集器8内所连接的多条多路热管3，一路连接热电转换器13内的元器件，另一路连接加热罐14。聚焦球2周边和光热采集器8内所连接的多个光纤传感器5都与光电转换器12连接。
加热罐14内连接多单元钠硫电池15，串联组合为一整体。钠硫电池15一个单元由三个容器构成，外层是不锈钢硫仓1503灌装化学硫。中间层是陶瓷钠硫反应仓1504，内层是不锈钢钠调节仓1505，调节仓中灌装金属钠。钠调节仓1505的底部设有钠喷射孔1506。正极设在钠硫反应仓中，负极设在钠调节仓中。
如图1、3所示，钠硫电池采用钠和硫作为电极反应物质、β-氧化铝陶瓷作为电解液(固态)，正常工作温度范围维持在270℃~350℃。高温下的电极物质处于熔融状态，使得钠离子流过β-氧化铝固态电解液的电阻大为降低，以获得电池转换高效率；而陶瓷β-氧化铝铝电解液则是钠硫电池的关键性技术，要求具备高钠离子传导能力、高机械强度和优异的空间稳定性等特性。
它的电池形式如下：
Na(1)/β-氧化铝/Na2Sx(1)/C(+)
基本的电池反应是：
2Na+XS＝Na2Sx
电池放电时，作为负极的Na放出电子到外电路，同时Na+经β-氧化铝移至正极与S发生反应形成钠硫化物Na2Sx；在对电池充电过程中，钠硫化物在正极分解，Na+返回负极并与电子重新结合。
钠硫电池与常规电池的最大区别：它的电解质不是有害的硫酸水溶液，而是一种固体导电陶瓷，为多铝酸盐，其分子式Na2OAl2O3，主要材料β-Al2O3，纯度不得低于99.99％，以高温1590℃烧制成β-Al2O3陶瓷电解质。这种电解质的特点是，唯有钠离子才能往返穿过，别的任何物质都无法跟随穿透，把这种材料放在钠与硫之间，将两种物质隔开，这就构成了本电池的电化学回路。在电池放电热反应中，钠原子已失去电子，形成只带一个单位正电荷(positive)时，转变为还原性很强的钠离子(Na+→e)。而在热反应的同时，硫原子已得到电子，形成带一个单位负电荷(negative)硫离子(S2-→2e)。身带正电荷为阳性的钠离子于电解质临界面，受异性硫的电荷引力吸引而偏离，沿着电解质陶瓷的钠氧层，穿过陶瓷壁进入正极硫仓，与异性硫相聚，这种异性相互作用的结果，是外层上的电子彼此形成电子对，而为两个共有，它们在核外空间，受两个原子核的共同吸引，才能够作平衡运动而生成稳定的化合物—多硫化钠(Na2SX)，同时释放出电能(2Na++S→Na2S+E)，E电能为一不定值，这是由于钠与硫的量值多与少，而为四硫化二钠(Na2S4)或为五硫化二钠(Na2S5)等。
这时在电池外电路上接通负载，放电时，正极仓中的硫原子，会不停的吸取电子，负极仓中的钠原子，就会不断失去电子，所形成的钠离子就不停的向正极硫仓涌进。
当利用直流外电源，对电池进行充电时，情况正好是相反，外电正极与负极相接(钠液)，阳极硫仓发生逆向反应，仓中的多硫化钠被分解。钠离子又反方向，向负极转移，通过陶瓷原来的离子通道，返回负极仓中取得电子，转变为原来的钠原子，使其生命的能量再次得到回生，恢复为原先的状态，这时电池完成整个充放电的物质循环过程，这就是钠硫电池，它为什么不完全依赖于蓄电，而是靠电子转移再生能量的原理，充电对该电池来讲也仅仅是为了分解其活性物质，所以它一次性的充电时间才相当短暂。
针对以上三个问题，我们提出了三种应对措施，并且通过实验检测表明，可以有效地解决原“钠硫电池”的缺陷，获得较好的充放电性质和使用寿命。
●在原“钠硫电池”中新增的一个钠反应瓶，其特征是圆柱体瓶形，下设放射喷孔，瓶中钠液受钠气压的因素，钠液由底部孔中喷出浸漫陶瓷壁。瓶中的钠液即是下降85％以上，陶瓷壁始终保持厚达数毫米的钠液，它解决了因钠液下降而能量减弱的现象。
●电池的电极棒原本通用的是石墨碳粘电极棒，现已改用锆金属(Zr)，可随电池终生寿命而不退化。
●导电陶瓷电解质，为瓶型圆柱状，材料是贝塔三氧化二铝(β-Al2O3)，其制作工艺是：取经加工后平均粒度为0.4μm的β-Al2O3粉，以无水乙醇为介质经球磨，制成酒泥浆，经喷雾干燥制粒，在1250℃条件下预烧，此为第一步。再制成粉料于模中，以195MPa-200MPa压力下静压成形放入匣钵中，外经封固入炉，经1450℃-1590℃煅烧，为第二步。待炉温自冷，取出成品件，以350℃回火24小时后取出制光，此为第三步。此预烧三步合成法，暂称“三步法”可消除电池导电陶瓷中微气孔和钙的无效成份。

Claims (8)

1、一种太阳能储能发电钠硫电池，有光热采集系统、光电和热电转换系统、储能发电系统三部分组成，其特征在于：
万向透镜(1)之内连接聚焦球(2)，之下连接光热采集器(8)，万向透镜(1)内和光热采集器(8)内分别有光纤传感器联接光电转换器(12)后，共同连接在机箱(9)之上构成光电转换和光热采集系统；
聚焦球(2)内和光热采集器(8)内，有热管(3)分别连接机箱内的热电转换器(13)和加热罐(14)，构成热电转换系统；
光电转换器(12)、热电转换器(13)的外延电极(7)经导线(6)分别联接加热罐(14)并钠硫电池(15)，串联整流器(10)后连接在机箱(9)之内构成储能发电系统；
储能发电系统中，钠硫电池(15)的每个单元由内外不锈钢体中间连接陶瓷体的三个容器套接组成；
储能发电系统中，钠硫电池(15)连接锆金属棒电极代替石墨电极。
2、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
加热罐(14)内连接钠硫电池(15)，所述的钠硫电池(15)至少有一个单元，或多个单元串联组成。
3、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
加热罐(14)的热源一种方式连接热管(3)，另一种方式联接光电转换器(12)的电路，加热罐(14)的室温在300-400℃之间，优选恒温270-350℃。
4、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
聚焦球(2)和光热采集器(8)内所连接的多条多路热管(3)，一路连接热电转换器(13)内的元器件，另一路连接加热罐(14)。聚焦球(2)周边和光热采集器(8)内所联接的多个光纤传感器(5)都与光电转换器(12)联接。
5、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
钠硫电池(15)的一个单元由三个容器构成，外层是不锈钢硫仓(1503)灌装化学硫，中间层是陶瓷钠硫反应仓(1504)，内层是不锈钢钠调节仓(1505)，调节仓中灌装金属钠，钠调节仓(1505)的底部设有钠喷射孔(1506)。
6、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：钠硫电池的正极设在钠硫反应仓(1504)中，负极设在钠调节仓(1505)中。
7、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
钠反应仓(1504)是圆柱体瓶形，下设多个喷射孔(1506)，瓶中钠液受钠气压的压力，钠液由底部孔中喷出涂覆陶瓷壁。
8、如权利要求书1所述的太阳能储能发电钠硫电池，其特征在于：
机箱(9)外侧设置外网接口(4)，做应急充电口。
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