CN101674031A

CN101674031A - 组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统

Info

Publication number: CN101674031A
Application number: CN200910073075A
Authority: CN
Inventors: 周春良; 郑洪涛; 张宝岭; 潘贤德
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明提供的是一种组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统。它由太阳能集热系统、辅助发电装置、热交换器、蓄热器和碱金属热电直接转换器构成，太阳能集热系统和辅助发电装置的热量输出分别与各自的热交换器相连，太阳能集热系统和辅助发电装置的热交换器置于蓄热器内，蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连，碱金属热电直接转换器的电流输出连接负载。本发明利用聚焦式太阳能集热器的热量和SOFC的排气余热或者Li/SF₆化学反应器的余热，结合碱金属热电直接转换器进行发电，达到有效地利用资源，提高能量的利用效率的效果。

Description

组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种能源领域的能量综合利用系统，具体地说是一种将固体氧化燃料电池(SOFC)的排气或这是Li/SF₆化学反应器和太阳能组合起来综合利用作为碱金属热电直接转换器的热源的能量系统。

(二)背景技术

在科学技术日益发达的今天，能源问题已经越来越被各个国家所重视，如何有效的对能源进行综合利用是一个迫在眉睫的问题。

太阳能集热器是一种将太阳辐射能转变为热能来加热工质的特殊热交换器，是太阳能利用系统中的关键部件。聚焦式太阳能蓄热系统利用集热器将太阳辐射能转换成高温热能然后利用高温相变蓄热器将太阳能转换来的热能存储起来以供利用。按照集热方式的不同聚焦式太阳能集热系统可以分为：槽式、塔式、碟式三种。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上；塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，以产生很高的温度；碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上；上述三种集热方式中接收器接收到热量后加热接收器内的传热工质，然后经过热交换器将热量存储在蓄热器中以供利用。目前最先进的聚焦式集热方式是碟式，其工作温度可达750℃，具有很高的太阳能利用效率。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将气体或者气化燃料的化学能直接转化成电能和热能的一种能量转换装置，它是一种全固态结构的燃料电池，其单电池包括多孔的阳极层、阴极层和致密的电解质层。图1为SOFC的工作原理示意图。SOFC的能量转换是通过电极上的电化学过程来进行的，阴极和阳极的反应分别为：

O₂+4e^-＝2O^2-

2O^2-+2H₂＝2H₂O+4e^-

SOFC除了具有燃料电池所共有的发电效率高、清洁干净、噪声小和模块化结构等优点外，和其它燃料电池相比它还有其特有的优点，比如：(1)避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题；(2)电极反应过程相当迅速；(3)无需采用贵金属电极因而降低了成本；(4)能量的综合利用效率可达到80％以上；(5)燃料范围广泛，不仅可以用H2，CO等作燃料，而且可以直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物如甲醇等作燃料；(6)可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低；(7)使用具有电催化作用的阳极可以在发电同时生产化学品，如制成燃料电池反应器等。SOFC也存在许多问题，如：阴极材料会逐渐烧结，阳极材料则会发生团聚导致电极气孔率和活性下降；电解质与阴极发生界面反应形成高阻的第二相，加速电池的衰退和电池寿命的缩短；并且太高的温度也对密封和连接材料提出了非常苛刻的要求，从而增加了电池放大和组装的困难；目前还面临着造价太高的难题。SOFC的排气温度很高(400℃～850℃)，余热具有很大的利用价值。

化学反应器是应用于热动力推进系统中产生热源的装置。热动力推进系统的基本原理是通过化学反应在瞬间产生大量的热，利用热能对涡轮机做功，把热能转换成机械能。因此化学反应器的效率高低直接会影响热动力推进系统整体效率。化学反应器中金属燃料中仅就能量密度而言，Li、Na、K、Mg、Al都可以作为备选燃料，而相应的F2、Cl2、O2、SF6、FClO3、ClF3以及多种碳氟化合物等成为备选氧化剂。其中F2、Cl2、FClO3和ClF3有很大的毒性，而O2与上述所有金属的燃烧产物熔点均高于反应区温度，且不溶于它们中任何一种燃料。在剩下的氧化剂中SF6与碳氟化合物相比在能量密度上占有明显的优势，而且SF6在室温下不发生化学反应、无毒、无腐蚀性，它在20℃时蒸汽压为2.1MPa，不需要额外的辅助设备就能把它输送到燃烧室。因此，SF6是所有备选氧化剂中最理想的。

下面列举了典型的几种反应：

1、6Li+3H2O＝2LiH+2LiOH+Li2O+H2+Q

2、8Na+SF6＝Na2S+6NaF+Q

3、8Li+SF6＝Li2S+6LiF+Q

4、4Mg+SF6＝MgS+3MgF2+Q

而Al因为在熔融状态下有强腐蚀性而被排除。在式1中，释放的热量Q值较大，但是产物中含有气体和强碱，因此以现有的技术很难在实际应用中充分利用其反应热。在式4中，Mg与SF6反应的主产物MgF2熔点比反应区温度高，不能互溶不可选。仅就能量密度而言Li比Na和K高，通过比较式2和式3，化学反应式3容积能量密度最大，所以选择Li与SF6作为反应物。另外Li/SF6热源系统具有以下几个优点：1.能量密度高：1kg锂反应可放出热量13kw·h；2.反应物Li和SF6安全、无毒、无味、无腐蚀、且易存放；3.反应无任何排放物、无污染：反应产物Li 2S(硫化锂)和LiF(氟化锂)在Li/SF6热源工作温度(850℃～1100℃)时为液态，其密度大于液态锂，产物的体积比燃料锂的体积还少5％，因此反应产物会沉降到反应器底部，不需要排出反应器外，可存放于存贮燃料锂的存贮器中；4.具有良好的启动性能；5.反应过程稳定、易控制、无噪声。

碱金属热电转换装置(the Alkali Metal Thermal to Electric converter)简写为AMTEC，是一种新型能量转换技术，它以液态碱金属或气态碱金属(锂、钾、钠)为工质，β”-Al₂O₃固体电解质(BASE)为离子选择性渗透膜，这种陶瓷材料对离子是良导体，而对电子几乎是绝缘体，这构成了碱金属热电转换器工作的基础。碱金属热电转换器适用热源温度范围为800K-1200K。理论上，热电转换效率可达30％-40％。AMTEC可直接将太阳能、外部燃烧、放射性同位素、反应器热源和余热产生的热能转换成电能。碱金属工质在封闭循环系统中运行，其转换过程特点为等温膨胀/压缩，等压加热，因此可获得高效率。AMTEC具有很多优点：洁净无噪声、设备结构紧凑、维护量小、适合分散布置等。

Li/SF₆化学反应器工作温度为850℃到1100℃，SOFC的排气温度大约为673K到1123K，聚焦式太阳能集热系统的工作温度(可达1023K)也很高，这些能量都是很宝贵的资源，如何加以合理的运用是一个问题。

目前还没有将太阳能集热器和SOFC以及Li/SF₆化学反应器作为碱金属热电直接转换器热源的发明，使用高温相变蓄热器将上述热源和碱金属热电直接转换器相连是本发明的创新点之一。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效地利用资源，提高能量的利用效率的组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统。

本发明的目的是这样实现的：

它由太阳能集热系统、辅助发电装置、热交换器、蓄热器和碱金属热电直接转换器构成，太阳能集热系统和辅助发电装置的热量输出分别与各自的热交换器相连，太阳能集热系统和辅助发电装置的热交换器置于蓄热器内，蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连，碱金属热电直接转换器的电流输出连接负载。

本发明还可以包括：

1、所述蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连是太阳能集热系统和辅助发电装置的蓄热器分别与一个碱金属热电直接转换器相连。

2、所述蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连是太阳能集热系统和辅助发电装置的蓄热器先通过热管装置与一总蓄热器相连，总蓄热器再与一个碱金属热电直接转换器相连。

3、所述辅助发电装置是固体氧化物燃料电池。

4、所述辅助发电装置是Li/SF₆化学反应器。

本发明利用聚焦式太阳能集热系统和固体氧化物燃料电池(SOFC)或者Li/SF6化学反应器作为热源产生足够的热量，热量通过换热器传递到高温相变蓄热器，高温相变蓄热器通过其热输出接口将热量传递到AMTEC高温端保证AMTEC的正常工作温度，使其工作产生电能。本发明利用了碱金属热电直接转换器具有的转换效率高的特性，提高了能量的整体利用率。并且将太阳能和SOFC或者Li/SF6化学反应器组合使用可以达到“削峰填谷”的作用。

为了满足碱金属热电直接转换器的工作条件要求，需要用蓄热器将从热源获得的热量储存起来，从而保证温度能够稳定在AMTEC工作所需要的温度范围内。利用SOFC的尾气(可换为Li/SF6化学反应器)以及太阳能集热器和碱金属热电直接转换器组合进行发电，提高了系统的能量利用效率。

太阳能集热系统和辅助发电装置联合发电可以遵循下面的原则进行使用：当工作负载处于低消耗工作状态时，主要用聚焦式太阳能集热器为热源来进行发电，辅助发电装置进行辅助发电，过余热量可用其单独的蓄热器存储起来；当工作负载处于高消耗工作状态时，太阳能集热器和辅助发电装置一起为负载提供电力。这样组合可以达到“削峰填谷”的作用。在其中一者性能不好的时侯，它们还能单独运行，进行相互弥补。比如在辅助发电装置出现故障时可以让太阳能集热系统侧单独工作，在阴天或日照条件不好时可以用辅助发电装置来进行单独提供热源。

(四)附图说明

图1是本发明实施案例一的连接关系示意图；

图2是本发明实施案例二的连接关系示意图；

图3是本发明实施案例三的连接关系示意图；

图4是本发明实施案例四的连接关系示意图；

图5是各方案中热交换器和蓄热器的连接方式示意图；

图6是方案二、四中两侧的蓄热器和总蓄热器的连接方式；

图7是蓄热器和AMTEC连接方式示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的附图中各符号的含义分别为：

1：是蓄热器；2：蓄热器的外壁；3：蓄热器内的绝热密封装置；4：蓄热器内的吸热材料；5：热交换器的外壁兼导热层；6：蓄热器内的其它结构；7、8：是用来传热的两个热管装置；9：热管外的保温层；10：蓄热器；11：碱金属热电直接转换器；A：热交换器上的传热工质回流端口；B、蓄热器上的热输出端口；F：蓄热器上的用来连接AMTEC的热输出端口；C：热交换器上的传热工质流入端口；D、E：蓄热器上用来连接热管的热输出端口；G、H：蓄热器上用来连接热管的输入端口；J：AMTEC上用来连接蓄热器的输入接口；a：是蓄热器 a；b：蓄热器b；c：总体蓄热器；d：高温端；e：低温端。

图2为第一种方案。

在此方案中，聚焦式太阳能集热系统(先进的太阳能集热系统的工作温度为1023K左右)通过抛物镜面将太阳光聚焦到接收器上，接收器位于其焦点上，接收器内的传热工质被加热，传热工质流过热交换器通过热交换器将热量传递给蓄热器，蓄热器和AMTEC有专门的接口，AMTEC的工作温度为800K-1200K，保证蓄热器的温度在AMTEC的工作温度范围内即可保证AMTEC正常工作，使其产生电流；在另一端，固体氧化物燃料(SOFC)电池排出的尾气具有很高的温度，大约为673K-1123K，可以满足AMTEC的要求。SOFC的高温排气通过热交换器将其中的热量传递给和AMTEC接口的蓄热器器，这样也可以保证蓄热器的温度在AMTEC的工作范围内，使AMTEC产生电流。两端产生的电流共同连接到外部负载上，对这二者联合发电可以遵循下面的原则进行使用：当工作负载处于低消耗工作状态时，主要用聚焦式太阳能集热器为热源来进行发电，SOFC作为辅助发电装置，过余热量可用其单独的蓄热器存储起来；当工作负载处于高消耗工作状态时，太阳能集热器和SOFC系统一起为负载提供电力。这样组合可以达到“削峰填谷”的作用。在其中一者性能不好的时侯，它们还能单独运行，进行相互弥补。比如在SOFC出现故障时可以让太阳能集热系统侧单独工作，在阴天或日照条件不好时可以用SOFC侧来进行单独提供热源。串并联情况可根据负载要求灵活地做出相应调整。

图3为第二种方案。

和上一种方案相同，一侧的太阳能集热系统(先进的太阳能集热系统的工作温度为1023K左右)通过抛物镜面将太阳光聚焦到接收器上，接收器位于其焦点上，接收器内的传热工质被加热，传热工质流过热交换器通过热交换器将热量传递给蓄热器；另一侧的SOFC高温排气(673K-1123K)中的热量同样通过热交换器到达蓄热器。这种方案和上一种方案的不同点在于，两个单独热源并没有各配备一个碱金属热电直接转换器，而是在两侧的热源进入各自的蓄热器以后又单独设置了一个总蓄热器，两个热源的热量都进入这个总蓄热器，总蓄热器和AMTEC有着相应的接口，保证总体蓄热器的温度在AMTEC的工作范围内即可使其正常工作。当工作负载处于低消耗工作状态时，主要用太阳能集热器为AMTEC提供热量来进行发电，SOFC作为辅助装置，过余热量可用其单独的蓄热器存储起来；当工作负载处于高消耗工作状态时，太阳能集热器和SOFC系统一起为AMTEC提供热量。这样组合可以达到“削峰填谷”的作用。同样地，它们二者可以相互弥补，当一方不能正常供热时由另一方单独提供热量发电。

图4为第三种方案。

将方案一中的固体氧化物燃料电池换为Li/SF₆化学反应器即为本发明的第三种方案，其具体工作过程同方案一。

图5为第四种方案。

将方案二中的固体氧化物燃料电池换为Li/SF₆化学反应器即为本发明的第四种方案，其具体工作过程同方案二。

需要加以说明的是热交换器和蓄热器的连接问题，图6所示为连接方式的示意图。图中所示，从太阳能集热器加热的传热工质或SOFC的尾气经过热交换器的输入端口C流入，从输出端口A流出，在换热器中通过其外壁导热层5将热量传导给蓄热器1的吸热材料4，由蓄热器1经过一系列工作过程将热量存储起来最后从热输出端口B输出，蓄热器1和换热器中间有绝热密封装置3确保热量不泄露，端口B在方案1、2、3中为和碱金属热电直接转换器连接的端口，在方案4中为和热管连接的端口。

方案二、四中蓄热器a、b共同连接到总蓄热器。蓄热器a、b各自的输出端口D、E分别连接两个热管装置7、8，通过热管装置7、8将热量传递到总蓄热器的输入端口G、H，然后再通过总蓄热器的输出端口F和AMTEC相配套的输入端口连接，使AMTEC工作发电。

AMTEC和蓄热器的连接示意图如图8所示，F为蓄热器的输出端口，J为AMTEC的输入端口。

Claims

1、一种组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统，它由太阳能集热系统、辅助发电装置、热交换器、蓄热器和碱金属热电直接转换器构成，其特征是：太阳能集热系统和辅助发电装置的热量输出分别与各自的热交换器相连，太阳能集热系统和辅助发电装置的热交换器置于蓄热器内，蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连，碱金属热电直接转换器的电流输出连接负载。

2、根据权利要求1所述的组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统，其特征是：所述蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连是太阳能集热系统和辅助发电装置的蓄热器分别与一个碱金属热电直接转换器相连。

3、根据权利要求1所述的组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统，其特征是：所述蓄热器通过接口与碱金属热电直接转换器相连是太阳能集热系统和辅助发电装置的蓄热器先通过热管装置与一总蓄热器相连，总蓄热器再与一个碱金属热电直接转换器相连。

4、根据权利要求1、2或3所述的组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统，其特征是：所述辅助发电装置是固体氧化物燃料电池。

5、根据权利要求1、2或3所述的组合型碱金属热电直接转换式太阳能系统，其特征是：所述辅助发电装置是Li/SF₆化学反应器。