Преобразователь щелочно-металлический термоэлектрический - Alkali-metal thermal to electric converter

В щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь (AMTEC), первоначально называвшийся натриевым Тепловой двигатель (SHE) была изобретена Джозефом Т. Куммером и Нилом Вебером в Форд в 1966 г. и описано в патентах США. 3404036, 3458356, 3535163 и 4049877. Это термически регенеративный электрохимический устройство для прямого преобразования высокая температура к электроэнергия.[1][2] Он отличается высоким потенциальным КПД и отсутствием движущихся частей, кроме рабочей жидкости, что делает его кандидатом на применение в космической энергетике.[2]

Это устройство допускает тепловложение в диапазоне 900–1300 K и производит постоянный ток с прогнозируемым КПД устройства 15–40%. В AMTEC, натрий ездит по закрытой термодинамический цикл между высокотемпературным тепловой резервуар и более холодный резервуар при температуре отвода тепла. Уникальной особенностью цикла AMTEC является то, что ионная проводимость натрия между областью высокого давления или -активности и областью низкого давления или -активности с обеих сторон тугоплавкого твердого электролита с высокой ионной проводимостью термодинамически почти эквивалентна изотермическое расширение паров натрия между одинаковым высоким и низким давлением. Электрохимическое окисление нейтрального натрия на аноде приводит к образованию натрия. ионы, которые проходят через твердый электролит, и электроны, которые проходят от анода через внешнюю цепь, где они выполняют электрическую работу, к катоду низкого давления, где они рекомбинируют с ионами с образованием газообразного натрия низкого давления. Газообразный натрий, образующийся на катоде, затем поступает в конденсатор с температурой отвода тепла, возможно, 400–700 К, где жидкий натрий преобразуется. Таким образом, AMTEC представляет собой электрохимический ячейка концентрации, который преобразует работу, создаваемую расширением паров натрия, непосредственно в электрическую энергию.

Конвертер основан на электролит используется в натриево-серная батарея, натрий бета ″ -оксид алюминия, кристаллическая фаза несколько переменного состава, содержащая оксид алюминия, Al2О3, и оксид натрия, Na2O в номинальном соотношении 5: 1 и небольшое количество оксида металла с небольшими катионами, обычно лития или магния, который стабилизирует бета-кристаллическую структуру. Твердый электролит натрия бета ″ -оксида алюминия (BASE) керамика является почти изолирующим в отношении переноса электронов и является термодинамически стабильной фазой, контактирующей как с жидким натрием, так и с натрием при низком давлении.

Одноэлементные AMTEC с открытым напряжением до 1,55 V и максимальная удельная мощность до 0,50 W /см2 площади твердого электролита при температуре 1173 К (900 ° C) получены с долговечными стабильными электродами из тугоплавких металлов.[3]

В лаборатории эффективность ячеек AMTEC достигла 16%.[нужна цитата ] Прогнозируется, что высоковольтные многотрубные модули будут иметь КПД 20–25% и удельную мощность до 0,2 кВт / шт.л кажется достижимым в ближайшем будущем.[нужна цитата ] Расчеты показывают, что замена натрия калиевым рабочим телом увеличивает пиковую эффективность с 28% до 31% при 1100 K с трубкой BASE толщиной 1 мм.[нужна цитата ]

Большая часть работ по AMTEC касалась устройств с натриевой рабочей жидкостью. Калиевые AMTEC работают с керамикой из твердого электролита на основе бета ″ -оксида калия и показывают улучшенную мощность при более низких рабочих температурах по сравнению с натриевыми AMTEC.[4][5][6][7]

Подробная количественная модель общественный транспорт и поведение межфазной кинетики электродов AMTEC было разработано и использовано для подбора и анализа характеристик широкого спектра электродов, а также для прогнозирования характеристик оптимизированных электродов.[8][9] Межфазная электрохимическая кинетика может быть дополнительно описана количественно с помощью модели туннелирования, диффузии и десорбции.[10][11] Обратимый термодинамический цикл для AMTEC показывает, что он в лучшем случае немного менее эффективен, чем цикл Карно.[12]

AMTEC требует затрат энергии при умеренно повышенных температурах и, таким образом, легко адаптируется к любому источнику тепла, включая радиоизотоп, концентрированная солнечная, внешнее сгорание, или же ядерный реактор. А солнечная тепловая энергия система преобразования на основе AMTEC имеет преимущества перед другими технологиями (в том числе фотоэлектрический систем) с точки зрения общей мощности, которая может быть достигнута с помощью такой системы, и простоты системы (которая включает коллектор, накопитель энергии (хранение тепла с материалом с фазовым переходом) и преобразователем мощности в компактном блоке). Общая мощность системы может достигать 14 Вт /кг с нынешней коллекторной технологией и будущей эффективностью преобразования AMTEC.[нужна цитата ] Система накопления энергии превосходит батареи, а температура, при которой работает система, обеспечивает долгий срок службы и меньший размер радиатора (температура отвода тепла 600 K).[нужна цитата ] Приложения дальнего космоса будут использовать радиоизотопные термоэлектрические генераторы; гибридные системы находятся в разработке.[нужна цитата ]

В то время как космические энергетические системы представляют непосредственный интерес, наземные приложения предложат крупномасштабные приложения для систем AMTEC. При прогнозируемой эффективности устройства 25% и прогнозируемых затратах в 350 доллар США / кВт, AMTEC, как ожидается, окажется полезной для очень широкого спектра распределенная генерация приложения, включая вентиляторы с автономным питанием, для повышения эффективности печи и водные нагреватели и прогулочный автомобиль Источники питания,[нужна цитата ] катодная защита трубопроводов, удаленных телеметрия из нефтяная скважина площадки - это другие области, где можно использовать этот тип производства электроэнергии. Возможность собирать мусор отходящее тепло может позволить интегрировать эту технологию в жилые и коммерческие когенерация схем, хотя затраты на киловатт-час должны будут существенно снизиться по сравнению с текущими прогнозами.

Рекомендации

  1. ^ Н. Вебер, "Термоэлектрическое устройство на основе твердого электролита из бета-оксида алюминия", Energy Conversion 14, 1–8 (1974).
  2. ^ а б Т. К. Хант, Н. Вебер, Т. Коул, «Высокоэффективное термоэлектрическое преобразование с электролитами из бета ″ -оксида алюминия, натриевая тепловая машина», Solid State Ionics 5, 263–266 (1981).
  3. ^ Р. Уильямс, Б. Джеффрис-Накамура, М. Андервуд, Б. Уиллер, М. Ловленд, С. Киккерт, Дж. Лэмб, Т. Коул, Дж. Куммер, К. Бэнкстон, J. Electrochem. Soc., Т. 136, с. 893–894 (1989).
  4. ^ Р. М. Уильямс, Б. Джеффрис Накамура, М. Л. Андервуд, М. А. Райан, Д. О'Коннор, С. Киккерт (1992) "Высокотемпературная проводимость бета-оксида алюминия", Ионика твердого тела, т. 53–56, с. 806–810.
  5. ^ Р. М. Уильямс, А. Кисор, М. А. Райан (1995) "Зависимость от времени высокотемпературной проводимости бета-оксида алюминия натрия и калия в парах щелочного металла", J. Electrochem. Soc., Т. 142, с. 4246.
  6. ^ Р. М. Уильямс, А. Кисор, М. А. Райан, Б. Джеффрис Накамура, С. Киккерт, Д. О'Коннор (1995) «Калий бета-оксид алюминия / калий / молибден электрохимические элементы», Материалы 29-й конференции по инженерии межобщественного преобразования энергии, AIAA, Часть 2, с. 888.
  7. ^ А. Баркан, Т. Хант, Б. Томас, (1999) "Калийные характеристики клеток AMTEC", Технический документ SAE 1999-01-2702, Баркан, А. (1999). «Производительность клеток AMTEC калия». Серия технических документов SAE. 1. Дои:10.4271/1999-01-2702..
  8. ^ Р. М. Уильямс, М. Е. Лавленд, Б. Джеффрис-Накамура, М. Л. Андервуд, К. П. Бэнкстон, Х. Ледук, Дж. Т. Куммер (1990) "Кинетика и перенос электродов AMTEC, I", J. Electrochem. Soc. Т. 137, с. 1709.
  9. ^ Р. М. Уильямс, Б. Джеффрис-Накамура, М. Л. Андервуд, К. П. Бэнкстон, Дж. Т. Куммер (1990) «Кинетика и перенос на электродах AMTEC II», J. Electrochem. Soc. 137, 1716.
  10. ^ Р. М. Уильямс, М. А. Райан, К. Сайпетч, Х. Ледук (1997) "Количественная модель туннелирования / десорбции для обменного тока в трехфазной зоне пористый электрод / бета-оксид алюминия / газ щелочного металла при 700-1300", стр. . 178 в «Химии твердого тела неорганических материалов» под редакцией Питера К. Дэвиса, Аллана Дж. Якобсона, Чарльза К. Торарди, Террелла А. Вандеры, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Том 453, Питтсбург, Пенсильвания.
  11. ^ Р. М. Уильямс, М. А. Райан, Х. Ледюк, Р. Х. Кортез, К. Сайпетч, В. Шилдс, К. Манат, М. Л. Гомер (1998) "Количественная модель тока обмена между пористыми молибденовыми электродами на бета-оксиде алюминия в парах натрия" ", статья 98-1021, Инженерные материалы по преобразованию энергии в межобществе, Колорадо-Спрингс, Колорадо, (1998).
  12. ^ К. Б. Вининг, Р. М. Уильямс, М. Л. Андервуд, М. А. Райан, Дж. В. Суитор (1993) "Обратимый термодинамический цикл для преобразования энергии AMTEC", J. Electrochem. Soc. Т. 140, с. 2760.