Щелочно-металлический термоэлектрический преобразователь
Щелочно -металлический термоэлектрический преобразователь ( AMTEC , первоначально называвшийся натриевым тепловым двигателем или SHE ) представляет собой термически регенеративное электрохимическое устройство для прямого преобразования тепла в электрическую энергию . [1] [2] Он характеризуется высоким потенциальным КПД и отсутствием движущихся частей, за исключением рабочего тела, что делает его кандидатом на применение в космической энергетике. [2]
Он был изобретен Джозефом Т. Куммером и Нилом Вебером из компании Ford в 1966 году и описан в патентах США 3404036 , 3458356 , 3535163 и 4049877 .
Дизайн
[ редактировать ]Преобразователь тепла из щелочного металла в электрический работает путем перекачивания чего-либо, обычно натрия, хотя любой щелочной металл может работать по контуру, вокруг него и над ним. Тепло испаряет натрий на одном конце. Это создает высокое давление. Затем он проходит через анод, высвобождая электроны и, таким образом, заряжается. Затем он проходит через электролит, чтобы провести его на другую сторону. Это работает, потому что выбранный электролит может проводить ионы, но не так хорошо электроны. На катоде щелочной металл возвращает свои электроны, эффективно перекачивая электроны через внешнюю цепь. Давление электролита выталкивает его в паровую камеру низкого давления, где он снова «остывает» до жидкости. Электромагнитный насос или фитиль возвращает жидкий натрий обратно в горячую сторону. [3]
Это устройство принимает тепловложение в диапазоне 900–1300 К и вырабатывает постоянный ток с прогнозируемым КПД устройства 15–40%. В AMTEC натрий перемещается по замкнутому термодинамическому циклу между высокотемпературным тепловым резервуаром и более холодным резервуаром при температуре отвода тепла. Уникальной особенностью цикла AMTEC является то, что проводимость ионов натрия между областью высокого давления или -активности и областью низкого давления или -активности по обе стороны тугоплавкого твердого электролита с высокой ионной проводимостью термодинамически почти эквивалентна расширению изотермическому пары натрия между одинаковыми высоким и низким давлением. Электрохимическое окисление нейтрального натрия на аноде приводит к образованию ионов натрия , которые пересекают твердый электролит, и электронов , которые перемещаются от анода по внешней цепи, где они совершают электрическую работу, к катоду низкого давления, где они рекомбинируют с ионы для производства газообразного натрия низкого давления. Газообразный натрий, образующийся на катоде, затем поступает в конденсатор с температурой отвода тепла около 400–700 К, где жидкий натрий преобразуется. Таким образом, AMTEC представляет собой электрохимический концентрационная ячейка , которая преобразует работу, произведенную при расширении паров натрия, непосредственно в электроэнергию.
В основе преобразователя лежит электролит, используемый в натриево-серной батарее , бета-глинозем натрия, кристаллическая фаза несколько переменного состава, содержащая оксид алюминия Al 2 O 3 и оксид натрия Na 2 O в номинальном соотношении 5:1 и небольшое количество оксида металла с малыми катионами, обычно лития или магния, который стабилизирует кристаллическую структуру бета″. твердого электролита бета-глинозема натрия (BASE) Керамика из практически изолирует транспорт электронов и представляет собой термодинамически стабильную фазу, контактирующую как с жидким натрием, так и с натрием при низком давлении.
Разработка
[ редактировать ]Одноэлементные AMTEC с открытым напряжением до 1,55 В и максимальной плотностью мощности до 0,50 Вт / см. 2 площади твердого электролита при температуре 1173 К (900 °С) были получены с использованием долговременно стабильных тугоплавких металлических электродов. [4]
В лабораторных условиях эффективность ячеек AMTEC достигла 16%. [ нужна ссылка ] Прогнозируется, что высоковольтные многоламповые модули будут иметь КПД 20–25%, а плотность мощности до 0,2 кВт/ л , по-видимому, будет достижима в ближайшем будущем. [ нужна ссылка ] Расчеты показывают, что замена натрия на калиевое рабочее тело увеличивает пиковый КПД с 28% до 31% при 1100 К с трубкой BASE толщиной 1 мм. [ нужна ссылка ]
Большая часть работ по AMTEC касалась устройств с натриевой рабочей жидкостью. Калийные AMTEC работали с керамикой с твердым электролитом на основе бета-глинозема калия и демонстрируют улучшенную мощность при более низких рабочих температурах по сравнению с натриевыми AMTEC. [5] [6] [7] [8]
Подробная количественная модель массопереноса и межфазной кинетики электродов AMTEC была разработана и использовалась для подбора и анализа характеристик широкого спектра электродов, а также для прогнозирования характеристик оптимизированных электродов. [9] [10] Межфазную электрохимическую кинетику можно дополнительно описать количественно с помощью модели туннелирования, диффузии и десорбции. [11] [12] Обратимый термодинамический цикл для AMTEC показывает, что он в лучшем случае немного менее эффективен, чем цикл Карно. [13]
Сопутствующая технология, термоэлектрический преобразователь энергии Джонсона , использует аналогичную концепцию перекачки положительных ионов через ионоселективную мембрану, используя в качестве рабочей жидкости водород, а не щелочной металл. [14]
Приложения
[ редактировать ]AMTEC требует затрат энергии при умеренно повышенных температурах и поэтому легко адаптируется к любому источнику тепла, включая радиоизотопные , [15] концентрированная солнечная энергия , внешнее сжигание или ядерный реактор . Система преобразования солнечной тепловой энергии , основанная на AMTEC, может иметь преимущества перед другими технологиями для некоторых приложений, включая ( накопление тепловой энергии с использованием материала с фазовым переходом) и преобразование энергии в компактном устройстве. При нынешней коллекторной технологии и будущей эффективности преобразования AMTEC вся система может достигать 14 Вт/ кг . [ нужна ссылка ] Система накопления энергии имеет потенциал для использования с батареями, а температура, при которой работает система, обеспечивает длительный срок службы и уменьшенный размер радиатора (температура отвода тепла 600 К). [ нужна ссылка ]
следующего поколения НАСА исследовало преобразование AMTEC в качестве радиоизотопного источника энергии для применения в дальнем космосе. [15] [16] но технология не была выбрана для систем следующего поколения.
Хотя космические энергетические системы представляют особый интерес, наземные применения могут предложить широкомасштабное применение систем AMTEC. При прогнозируемой эффективности устройства в 25% и прогнозируемой стоимости 350 долларов США /кВт AMTEC может оказаться полезным для очень широкого спектра применений распределенной генерации , включая вентиляторы с автономным питанием для высокоэффективных печей , водонагревателей и для транспортных средств . источников питания [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Н. Вебер, «Термоэлектрическое устройство на основе твердого электролита из бета-глинозема», Energy Conversion 14, 1–8 (1974).
- ^ Перейти обратно: а б Т. К. Хант, Н. Вебер, Т. Коул, «Высокоэффективное термоэлектрическое преобразование с бета-глиноземными электролитами, натриевый тепловой двигатель», Solid State Ionics 5, 263–266 (1981).
- ^ «Термоэлектричество – Щелочно-металлические тепловые электрогенераторы AMTEC» . www.mpoweruk.com . Проверено 20 января 2021 г.
- ^ Р. Уильямс, Б. Джеффрис-Накамура, М. Андервуд, Б. Уиллер, М. Лавленд, С. Киккерт, Дж. Лэмб, Т. Коул, Дж. Куммер, К. Бэнкстон, Дж. Электрохим. Соц., Т. 136, с. 893–894 (1989).
- ^ Р. М. Уильямс, Б. Джеффрис Накамура, М. Л. Андервуд, М. А. Райан, Д. О'Коннор, С. Киккерт (1992) «Высокотемпературная проводимость бета-глинозема калия», Solid State Ionics, V. 53–56, стр. 806–810.
- ^ Р. М. Уильямс, А. Кисор, М. А. Райан (1995) «Зависимость от времени высокотемпературной проводимости бета-глинозема натрия и калия в парах щелочных металлов», J. Electrochem. Сок., Т. 142, с. 4246.
- ^ Р. М. Уильямс, А. Кисор, М. А. Райан, Б. Джеффрис Накамура, С. Киккерт, Д. О'Коннор (1995) «Бета-калий» Электрохимические элементы из оксида алюминия / калия / молибдена », Материалы 29-й межобщественной конференции по инженерным преобразованиям энергии, AIAA , Часть 2, с. 888.
- ^ А. Баркан, Т. Хант, Б. Томас, (1999) «Работа калиевых клеток AMTEC», Технический документ SAE 1999-01-2702, Баркан, А. (1999). «Работа калиевых клеток AMTEC». Серия технических документов SAE . Том. 1. дои : 10.4271/1999-01-2702 . .
- ^ Р. М. Уильямс, М. Е. Лавленд, Б. Джеффрис-Накамура, М. Л. Андервуд, К. П. Бэнкстон, Х. Ледюк, Дж. Т. Куммер (1990) «Кинетика и транспорт на электродах AMTEC, I», J. Electrochem. Соц. Т. 137, с. 1709.
- ^ Р. М. Уильямс, Б. Джеффрис-Накамура, М. Л. Андервуд, К. П. Бэнкстон, Дж. Т. Куммер (1990) «Кинетика и транспорт на электродах AMTEC II», J. Electrochem. Соц. 137, 1716.
- ^ Р. М. Уильямс, М. А. Райан, К. Сайпетч, Х. Ледюк (1997) «Количественная модель туннелирования / десорбции для тока обмена в трехфазной зоне пористого электрода / бета-глинозема / газа щелочного металла при 700-1300», п. 178 в «Химии твердого тела неорганических материалов», под редакцией Питера К. Дэвиса, Аллана Дж. Джейкобсона, Чарльза К. Торарди, Террелла А. Вандеры, Mater. Рез. Соц. Симп. Учеб. Том 453, Питтсбург, Пенсильвания.
- ^ Р. М. Уильямс, М. А. Райан, Х. Ледюк, Р. Х. Кортес, К. Сайпетч, В. Шилдс, К. Манатт, М. Л. Гомер (1998) «Количественная модель тока обмена пористых молибденовых электродов на бета-глиноземе натрия в натрии Пар», статья 98-1021, Межобщественные труды по преобразованию энергии, Колорадо-Спрингс, Колорадо, (1998).
- ^ CB Vining, RM Williams, ML Underwood, MA Ryan, JW Suitor (1993) «Обратимый термодинамический цикл для преобразования энергии AMTEC», J. Electrochem. Соц. Т. 140, с. 2760.
- ^ Лонни Дж. Джонсон (2019). « Термо-электрохимический преобразователь Джонсона (JTEC) как генератор тепла в электроэнергию для ядерных энергетических систем », «Ядерные и новые технологии для космоса», Тематическое собрание Американского ядерного общества , Ричленд, Вашингтон, 25–28 февраля 2019 г. Дата обращения 22 октября 2021 г. .
- ^ Перейти обратно: а б Джек Ф. Мондт и Роберт К. Сиверс (2014). « Разработка технологии преобразователя температуры в электрический ток из щелочного металла (AMTEC) для потенциальных научных миссий в дальний космос », Лаборатория реактивного движения НАСА. Проверено 22 октября 2021 г.
- ^ М. А. Райан (1999). « Теплоэлектрический преобразователь щелочного металла для исследования Солнечной системы », 18-й Международный конгресс. Конференция по термоэлектрике, ICT'99, 29 августа — 2 сентября 1999 г. DOI: 10.1109/ICT.1999.843468.