專利名稱：組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種能源領(lǐng)域的能量綜合利用系統(tǒng)，具體地說是一種將固體 氧化燃料電池(SOFC)的排氣或這是Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器和太陽能組合起來綜合利 用作為堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱源的能量系統(tǒng)。
(二)
背景技術(shù)：
在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，能源問題已經(jīng)越來越被各個國家所重視，如何 有效的對能源進(jìn)行綜合利用是一個迫在眉睫的問題。
太陽能集熱器是一種將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砑訜峁べ|(zhì)的特殊熱交換器， 是太陽能利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。聚焦式太陽能蓄熱系統(tǒng)利用集熱器將太陽輻射 能轉(zhuǎn)換成高溫?zé)崮苋缓罄酶邷叵嘧冃顭崞鲗⑻柲苻D(zhuǎn)換來的熱能存儲起來以 供利用。按照集熱方式的不同聚焦式太陽能集熱系統(tǒng)可以分為槽式、塔式、碟 式三種。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上；塔 式系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定円鏡將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器 上，以產(chǎn)生很高的溫度；碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器在 拋物面的焦點上；上述三種集熱方式中接收器接收到熱量后加熱接收器內(nèi)的傳熱 工質(zhì)，然后經(jīng)過熱交換器將熱量存儲在蓄熱器中以供利用。目前最先進(jìn)的聚焦式 集熱方式是碟式，其工作溫度可達(dá)750。C，具有很高的太陽能利用效率。
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氣體或者氣化燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化 成電能和熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它是一種全固態(tài)結(jié)構(gòu)的燃料電池，其單電池 包括多孔的陽極層、陰極層和致密的電解質(zhì)層。圖1為SOFC的工作原理示意圖。 SOFC的能量轉(zhuǎn)換是通過電極上的電化學(xué)過程來進(jìn)行的，陰極和陽極的反應(yīng) 分別為
6 2 + 4e- = 202—
2(92— +2/f2 =2//20 + 4e—
SOFC除了具有燃料電池所共有的發(fā)電效率高、清潔干凈、噪聲小和模塊化結(jié)構(gòu) 等優(yōu)點外，和其它燃料電池相比它還有其特有的優(yōu)點，比如(l)避免了使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕和電解質(zhì)流失等問題；(2)電極反應(yīng)過程相當(dāng)迅速；(3) 無需采用貴金屬電極因而降低了成本；(4)能量的綜合利用效^5可達(dá)到80%以上； (5)燃料范圍廣泛，不僅可以用H2， C0等作燃料，而且可以直接用天然氣、煤 氣化氣和其它碳?xì)浠衔锶缂状嫉茸魅剂希?6)可以承受較高濃度的硫化物和 CO的毒害，因此對電極的要求大大降低；(7)使用具有電催化作用的陽極可以 在發(fā)電同時生產(chǎn)化學(xué)品，如制成燃料電池反應(yīng)器等。SOFC也存在許多問題，如 陰極材料會逐漸燒結(jié)，陽極材料則會發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致電極氣孔率和活性下降；電解 質(zhì)與陰極發(fā)生界面反應(yīng)形成高阻的第二相，加速電池的衰退和電池壽命的縮短； 并且太高的溫度也對密封和連接材料提出了非常苛刻的要求，從而增加了電池放 大和組裝的困難；目前還面臨著造價太高的難題。SOFC的排氣溫度很高(400。C S50。C)，余熱具有很大的利用價值。
化學(xué)反應(yīng)器是應(yīng)用于熱動力推進(jìn)系統(tǒng)中產(chǎn)生熱源的裝置。熱動力推進(jìn)系統(tǒng)的 基本原理是通過化學(xué)反應(yīng)在瞬間產(chǎn)生大量的熱，利用熱能對渦輪機(jī)做功，把熱能 轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此化學(xué)反應(yīng)器的效率高低直接會影響熱動力推進(jìn)系統(tǒng)整體效 率?；瘜W(xué)反應(yīng)器中金屬燃料中僅就能量密度而言，Li 、 Na、 K、 Mg、 Al都可以 作為備選燃料，而相應(yīng)的F2、 C12、 02、 SF6、 FC103、 C1F3以及多種碳氟化合 物等成為備選氧化劑。其中F2、 C12、 FC103和C1F3有很大的毒性，而02與上 述所有金屬的燃燒產(chǎn)物熔點均高于反應(yīng)區(qū)溫度，且不溶于它們中任何一種燃料。 在剩下的氧化劑中SF6與碳?xì)饣衔锵啾仍谀芰棵芏壬险加忻黠@的優(yōu)勢，而且 SF6在室溫下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、無毒、無腐蝕性，它在2(TC時蒸汽壓為2. lMPa， 不需要額外的輔助設(shè)備就能把它輸送到燃燒室。因此，SF6是所有備選氧化劑中 最理想的。
下面列舉了典型的幾種反應(yīng)
1、6U+ 3H20二 2LiH+ 2LiOH+ Li20 + H2 +
2、8Na+ SF6=Na2S+ 6NaF+ Q
3、8Li+ SF6=U2S+ 6LiF+ Q
4、4Mg+ SF6=MgS+ 3MgF2+ Q
而A1因為在熔融狀態(tài)下有強(qiáng)腐蝕性而被排除。在式1中，釋放的熱量Q值
較大，但是產(chǎn)物中含有氣體和強(qiáng)堿，因此以現(xiàn)有的技術(shù)很難在實際應(yīng)用中充分利
用其反應(yīng)熱。在式4中，Mg與SF6反應(yīng)的主產(chǎn)物MgF2熔點比反應(yīng)區(qū)溫度高，不
4能互溶不可選。僅就能量密度而言Li比Na和K高，通過比較式2和式3，化學(xué) 反應(yīng)式3容積能量密度最大，所以選擇Li與SF6作為反應(yīng)物。另外Li/SF6熱源
系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點l.能量密度高lkg鋰反應(yīng)可放出熱量13kwh;2.反
應(yīng)物L(fēng)i和SF6安全、無毒、無味、無腐蝕、且易存放；3.反應(yīng)無任何排放物、 無污染反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i2S(硫化鋰)和LiF(氟化鋰)在Li/SF6熱源工作溫度(85(TC IIO(TC)時為液態(tài)，其密度大于液態(tài)鋰，產(chǎn)物的體積比燃料鋰的體積還少5%， 因此反應(yīng)產(chǎn)物會沉降到反應(yīng)器底部，不需要排出反應(yīng)器外，可存放于存貯燃料鋰 的存貯器中；4.具有良好的啟動性能；5.反應(yīng)過程穩(wěn)定、易控制、無噪聲。
〖減金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter) 簡寫為AMTEC，是一種新型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，它以液態(tài)堿金屬或氣態(tài)堿金屬(鋰、 鉀、鈉)為工質(zhì)，f3'-J/20,固體電解質(zhì)(BASE)為離子選擇性滲透膜，這種陶
瓷材料對離子是良導(dǎo)體，而對屯子幾乎是絕緣體,這構(gòu)成了堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器工 作的基礎(chǔ)。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器適用熱源溫度范圍為800K-1200K。理論上，熱電 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%-40%。 AMTEC可直接將太陽能、外部燃燒、放射性同位素、反 應(yīng)器熱源和余熱產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能。堿金屬工質(zhì)在封閉循環(huán)系統(tǒng)中運行，其 轉(zhuǎn)換過程特點為等溫膨脹/壓縮，等壓加熱，因此可獲得高效率。AMTEC具有很 多優(yōu)點潔凈無噪聲、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)量小、適合分散布置等。
Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器工作溫度為850匸到1100。C，S0FC的排氣溫度大約為673K 到1123K，聚焦式太陽能集熱系統(tǒng)的工作溫度(可達(dá)1023K)也很髙，這些能量 都是很寶貴的資源，如何加以合理的運用是一個問題。
n前還沒有將太陽能集熱器和S0FC以及Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器作為堿金屬熱電 直接轉(zhuǎn)換器熱源的發(fā)明，使用高溫相變蓄熱器將上述熱源和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換 器相連是本發(fā)明的創(chuàng)新點之一 。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效地利用資源，提高能量的利用效率的組 合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
它由太陽能集熱系統(tǒng)、輔助發(fā)電裝置、熱交換器、蓄熱器和堿金屬熱電直接 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器
5相連，太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱交換器置于蓄熱器內(nèi)，蓄熱器通過接 口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的電流輸出連接負(fù)載。 本發(fā)明還可以包括
1 、所述蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連是太陽能集熱系統(tǒng)和 輔助發(fā)電裝置的蓄熱器分別與一個堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連。
2、 所述蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連是太陽能集熱系統(tǒng)和 輔助發(fā)電裝置的蓄熱器先通過熱管裝置與一總蓄熱器相連，總蓄熱器再與一個堿 金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連。
3、 所述輔助發(fā)電裝置是固體氧化物燃料電池。
4、 所述輔助發(fā)電裝置是Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器。
本發(fā)明利用聚焦式太陽能集熱系統(tǒng)和固體氧化物燃料電池(SOFC)或者 Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器作為熱源產(chǎn)生足夠的熱量，熱量通過換熱器傳遞到高溫相變 蓄熱器，高溫相變蓄熱器通過其熱輸出接口將熱量傳遞到AMTEC高溫端保證 AMTEC的正常工作溫度，使其工作產(chǎn)生電能。本發(fā)明利用了堿金屬熱電直接轉(zhuǎn) 換器具有的轉(zhuǎn)換效率高的特性，提高了能量的整體利用率。并且將太陽能和SOFC 或者Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器組合使用可以達(dá)到"削峰填谷"的作用。
為了滿足堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的工作條件要求，需要用蓄熱器將從熱源獲 得的熱量儲存起來，從而保證溫度能夠穩(wěn)定在AMTEC工作所需要的溫度范圍內(nèi)。 利用S0FC的尾氣(可換為Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器)以及太陽能集熱器和堿金屬熱 電直接轉(zhuǎn)換器組合進(jìn)行發(fā)電，提高了系統(tǒng)的能量利用效率。
太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置聯(lián)合發(fā)電可以遵循下面的原則進(jìn)行使用當(dāng)
工作負(fù)載處于低消耗工作狀態(tài)吋，主要用聚焦式太陽能集熱器為熱源來進(jìn)行發(fā)
電，輔助發(fā)電裝置進(jìn)行輔助發(fā)':h，過余熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當(dāng)工
作負(fù)載處于高消耗工作狀態(tài)時，太陽能集熱器和輔助發(fā)電裝置一起為負(fù)載提供電
力。這樣組合可以達(dá)到"削峰填谷"的作用。在其中一者性能不好的時侯，它們
還能單獨運行，進(jìn)行相互彌補。比如在輔助發(fā)電裝置出現(xiàn)故障時可以讓太陽能集
熱系統(tǒng)側(cè)單獨工作，在陰天或「I照條件不好時可以用輔助發(fā)電裝賈來進(jìn)行單獨提
供熱源。


圖1是本發(fā)明實施案例一的連接關(guān)系示意圖；圖2是本發(fā)明實施案例二的連接關(guān)系示意圖；圖3是本發(fā)明實施案例三的連接關(guān)系示意圖；圖4是本發(fā)明實施案例四的連接關(guān)系示意圖；圖5是各方案中熱交換器和蓄熱器的連接方式示意圖；圖6是方案二、四屮兩側(cè)的蓄熱器和總蓄熱器的連接方式；圖7是蓄熱器和AMTEC連接方式示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 本發(fā)明的附圖中各符號的含義分別為1:是蓄熱器；2:蓄熱器的外壁；3:蓄熱器內(nèi)的絕熱密封裝胃4:蓄熱器 內(nèi)的吸熱材料；5:熱交換器的外壁兼導(dǎo)熱層；6:蓄熱器內(nèi)的其它結(jié)構(gòu)；7、 8: 是用來傳熱的兩個熱管裝置；9:熱管外的保溫層；10:蓄熱器；11:堿金屬熱 電直接轉(zhuǎn)換器；A:熱交換器上的傳熱工質(zhì)回流端口； B、蓄熱器上的熱輸出端口； F:蓄熱器上的用來連接AMTEC的熱輸出端口； C:熱交換器上的傳熱工質(zhì)流入端 口； 1)、 E:蓄熱器上用來連接熱管的熱輸出端口； G、 H:蓄熱器上用來連接熱管 的輸入端口； J: AMTI;C上川來連接蓄熱器的輸入接口； a:是蓄熱器a;b:蓄熱器 b;c:總體蓄熱器；d:高溫端；e:低溫端。圖2為第一種方案。在此方案中，聚焦式太陽能集熱系統(tǒng)(先進(jìn)的太陽能集熱系統(tǒng)的工作溫度為 1023K左右)通過拋物鏡面將太陽光聚焦到接收器上，接收器位于其焦點上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱，傳熱工質(zhì)流過熱交換器通過熱交換器將熱量傳遞給蓄 熱器，蓄熱器和AMTEC有專門的接口， AMTEC的工作溫度為800K-1200K，保證蓄 熱器的溫度在AMTEC的工作溫度范圍內(nèi)即可保證AMTEC正常工作，使其產(chǎn)生電流； 在另一端，固體氧化物燃料(SOFC)電池排出的尾氣具有很高的溫度，大約為 673K-1123K，可以滿足AMTEC的要求。S0FC的高溫排氣通過熱交換器將其中的 熱量傳遞給和AMTEC接口的蓄熱器器，這樣也可以保證蓄熱器的溫度在AMTEC的 工作范圍內(nèi)，使AMTEC產(chǎn)生電流。兩端產(chǎn)生的電流共同連接到外部負(fù)載上，對這 二者聯(lián)合發(fā)電可以遵循下面的原則進(jìn)行使用當(dāng)工作負(fù)載處于低消耗工作狀態(tài) 時，主要用聚焦式太陽能集熱器為熱源來進(jìn)行發(fā)電，S0FC作為輔助發(fā)電裝置， 過余熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當(dāng)工作負(fù)載處于高消耗工作狀態(tài)時，太7陽能集熱器和S0FC系統(tǒng)一起為負(fù)載提供電力。這樣組合可以達(dá)到"削峰填谷"的作用。在其中一者性能不好的時侯，它們還能單獨運行，進(jìn)行相互彌補。比如在S0FC出現(xiàn)故障時可以讓太陽能集熱系統(tǒng)側(cè)單獨工作，在陰天或FI照條件不好時可以用S0FC側(cè)來進(jìn)行單獨提供熱源。串并聯(lián)情況可根據(jù)負(fù)載要求靈活地做出相應(yīng)調(diào)整。圖3為第二種方案。和上一種方案相同， 一側(cè)的太陽能集熱系統(tǒng)(先進(jìn)的太陽能集熱系統(tǒng)的工作溫度為1023K左右)通過拋物鏡面將太陽光聚焦到接收器上，接收器位于其焦點上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱，傳熱工質(zhì)流過熱交換器通過熱交換器將熱量傳遞給蓄熱器；另一側(cè)的SOFC高溫排氣(673K-1123K)中的熱量同樣通過熱交換器到達(dá)蓄熱器。這種方案和上一種方案的不同點在于，兩個單獨熱源并沒有各配備一個堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器，而是在兩側(cè)的熱源進(jìn)入各自的蓄熱器以后又單獨設(shè)置了一個總蓄熱器，兩個熱源的熱量都進(jìn)入這個總蓄熱器，總蓄熱器和AMTEC有著相應(yīng)的接口 ，保證總體蓄熱器的溫度在AMTEC的工作范圍內(nèi)即可使其正常工作。當(dāng)工作負(fù)載處于低消耗工作狀態(tài)時，主要用太陽能集熱器為AMTEC提供熱量來進(jìn)行發(fā)電，SOFC作為輔助裝黃，過余熱量可用其單獨的蓄熱器存儲起來；當(dāng)工作負(fù)載處于高消耗工作狀態(tài)時，太陽能集熱器和S0FC系統(tǒng)一起為AMTEC提供熱量。這樣組合可以達(dá)到"削峰填谷"的作用。同樣地，它們二者可以相互彌補，當(dāng)一方不能正常供熱吋由另 -方單獨提供熱量發(fā)電。 圖4為第三種方案。將方案一中的固體氧化物燃料電池?fù)Q為Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器即為本發(fā)明的第 三種方案，其具體工作過程同方案一。圖5為第四種方案。將方案二中的固體氧化物燃料電池?fù)Q為Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器即為本發(fā)明的第 四種方案，其具體工作過程同方案二。需要加以說明的是熱交換器和蓄熱器的連接問題，圖6所示為連接方式的示 意圖。圖中所示，從太陽能集熱器加熱的傳熱工質(zhì)或S0FC的尾氣經(jīng)過熱交換器 的輸入端口 C流入，從輸出端口 A流出，在換熱器中通過其外壁導(dǎo)熱層5將熱量 傳導(dǎo)給蓄熱器1的吸熱材料4，由蓄熱器1經(jīng)過一系列工作過程將熱量存儲起來 最后從熱輸出端口 B輸出，蓄熱器1和換熱器中間有絕熱密封裝置3確保熱量不8泄露，端口B在方案1、 2、 3中為和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器連接的端口，在方案 4中為和熱管連接的端l」。方案二、四中蓄熱器a、 b共同連接到總蓄熱器。蓄熱器a、 b各自的輸出端 口 D、 E分別連接兩個熱管裝置7、 8，通過熱管裝置7、 8將熱量傳遞到總蓄熱 器的輸入端口 G、 H，然后再通過總蓄熱器的輸出端口 F和AMTEC相配套的輸入 端口連接，使AMTEC工作發(fā)電。AMTEC和蓄熱器的連接示意圖如圖8所示，F(xiàn)為蓄熱器的輸出端口 ， J為AMTEC 的輸入端口。
權(quán)利要求
1、一種組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)，它由太陽能集熱系統(tǒng)、輔助發(fā)電裝置、熱交換器、蓄熱器和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其特征是太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器相連，太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱交換器置于蓄熱器內(nèi)，蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的電流輸出連接負(fù)載。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)，其特 征是所述蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連是太陽能集熱系統(tǒng)和 輔助發(fā)電裝置的蓄熱器分別與一個堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)，其特 征是所述蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連是太陽能集熱系統(tǒng)和 輔助發(fā)電裝置的蓄熱器先通過熱管裝置與一總蓄熱器相連，總蓄熱器再與一個 堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系 統(tǒng)，其特征是所述輔助發(fā)電裝置是固體氧化物燃料電池。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)，其特征是所述輔助發(fā)電裝置是Li/SF6化學(xué)反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種組合型堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換式太陽能系統(tǒng)。它由太陽能集熱系統(tǒng)、輔助發(fā)電裝置、熱交換器、蓄熱器和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱量輸出分別與各自的熱交換器相連，太陽能集熱系統(tǒng)和輔助發(fā)電裝置的熱交換器置于蓄熱器內(nèi)，蓄熱器通過接口與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器相連，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的電流輸出連接負(fù)載。本發(fā)明利用聚焦式太陽能集熱器的熱量和SOFC的排氣余熱或者Li/SF₆化學(xué)反應(yīng)器的余熱，結(jié)合堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器進(jìn)行發(fā)電，達(dá)到有效地利用資源，提高能量的利用效率的效果。
文檔編號H02N3/00GK101674031SQ20091007307
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者周春良, 張寶嶺, 潘賢德, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學(xué)