堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器

關(guān)于開展堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電技術(shù)研究的建議

實(shí)際上，在試圖以提高燃燒溫度來提高垃圾發(fā)電效率的場合，都可以考慮用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器取代傳統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備，而達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。從發(fā)展著眼，將堿金屬熱電 轉(zhuǎn)換技術(shù)與垃圾的氣化熔融技術(shù)相結(jié)合，是構(gòu)成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)極有前景的方案。

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的受熱面可以直接與高溫?zé)煔饬鹘佑|，發(fā)電裝置設(shè)在熔融爐排煙部分的爐壁上，直接把燃燒熱轉(zhuǎn)換成電能。這樣，就省去了余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組以及 蒸汽循環(huán)所需的附屬設(shè)備。參照AMPS的估計(jì)，0.75兆瓦的AMTEC發(fā)電裝置，體積約為15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽輪發(fā)電機(jī)組的尺寸為24立方米，而與之匹配的余熱鍋爐(出口蒸汽參數(shù)設(shè)為300° C、13大氣壓)的尺寸則超過300立方米。

因此，所建議的高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)在構(gòu)成上的優(yōu)點(diǎn)顯而易見。在堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)中，垃圾的熱解在流化床型氣化爐中完成;AMTEC考慮用空氣冷卻，發(fā)電裝置的排熱可以用來預(yù)熱氣化爐的燃風(fēng)或熔融爐的補(bǔ)燃風(fēng)。當(dāng)然，還可以有各種具體方案，包括余熱利用，都需要進(jìn)行詳細(xì)的比較研究。建議國家科技部組織有關(guān)單位進(jìn) 行方案論證，確定項(xiàng)目和選題。

建議中國在"十五"期間開展堿金屬熱電轉(zhuǎn)換垃圾發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)，并建成日處理量10噸級的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行電廠效率的驗(yàn)證，為在2010年建成中試系統(tǒng)積累必要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。主要研究內(nèi)容如下。

⑴垃圾氣化熔融機(jī)制和過程參數(shù)選擇。

⑵氣化爐和熔融爐裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

⑶余熱利用、金屬類物質(zhì)的回收環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

⑷AMTEC發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和可靠性試驗(yàn)。

⑸AMTEC發(fā)電裝置的功率調(diào)節(jié)。

⑹AMTEC-垃圾發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)。

中國"九五"期間，垃圾焚化、發(fā)電研究已經(jīng)有了良好的開端，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的研究已經(jīng)有了較好的基礎(chǔ)，相信經(jīng)過"十五"的努力，中國將在高效率垃圾發(fā)電技術(shù)的發(fā)展上走出自己的路。

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器 (堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電器)

AMTEC的工作過程可以參照圖1來說明。AMTEC是一個(gè)充有少量鈉的密閉容器，由厚度約1毫米的 "- Al2O3固體電解質(zhì)和電磁泵將其分隔成壓力不同的兩部分。在高壓側(cè)，工 質(zhì)鈉被熱源加熱，在鈉與固體電解質(zhì)的交界面，由壓力差決定的化學(xué)勢梯度驅(qū)使鈉離子透過 "- Al2O3向低壓側(cè)的電解質(zhì)- 多孔電極界面遷移，負(fù)載開路時(shí)，在b "- Al2O3兩側(cè)便形成電動(dòng)勢，這一過程和濃度差電池類似，因而，AMTEC的空載電壓由能斯特方程決定。負(fù)載接通時(shí)，電子從高壓側(cè)經(jīng)外電路到達(dá)多孔電極處，與離子復(fù)合成鈉原子，然后 圖1。AMTEC的工作原理

鈉以蒸氣相穿過低壓空間到達(dá)冷凝器，凝結(jié)的液鈉則由電磁泵送回高壓側(cè)。實(shí)質(zhì)上，"- Al2O3在能量轉(zhuǎn)換過程中起著選擇性滲透膜的作用，而AMTEC是工質(zhì)鈉通過固體電解質(zhì)等溫膨脹做功的熱機(jī)。

在熱源溫度1150K、冷源溫度500K、"- Al2O3壁厚為1毫米、考慮器件的內(nèi)部損失時(shí)，AMTEC的效率隨電流的密度而變化。當(dāng)不可逆過程造成的損失為0.2瓦¤ [ 厘米] 2時(shí)，效率峰值為35%，對同樣溫度范圍的卡諾循環(huán)效率的比值達(dá)62%。所謂不可逆過程，主要是多孔電極表面向冷凝器表面的熱輻射以及通過構(gòu)件的熱傳導(dǎo)。與同樣是直接發(fā)電器件的熱

電半導(dǎo)體發(fā)電器不同的是，對于后者，熱傳導(dǎo)是一種本征損失，而對AMTEC，可以靠精心設(shè)計(jì)把這類不可逆損失降低到最低限度，這是AMTEC具有高效率的重要原因。分析結(jié)果表明，如果把損失抑制到0.02瓦¤ [ 厘米] 2 ，那么理論效率將達(dá)45%。

迄今用于AMTEC的"- Al2O3都是管材，外徑從7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 毫米(考慮不可逆損失時(shí)的效率)。AMTEC是低電壓器件，單管器件的空載電壓約為1.5伏，按電極表面積計(jì)算的功率密度達(dá)0.5~ 1.0瓦¤ [ 厘米] 2。在實(shí)際使用時(shí)，靠多管單元的適當(dāng)組合來滿足負(fù)載的要求。每個(gè)單元由多根"- Al2O3管構(gòu)成，在電氣上串聯(lián)連接。

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器是1968年見于美國專利的新概念，美國福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是研究、開發(fā)AMTEC的先驅(qū)，先后取得了一系列重要進(jìn)展:以單管實(shí)驗(yàn)器件效率19%驗(yàn)證了理論的可靠性;36管實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電1千瓦;用電磁泵加壓的實(shí)驗(yàn)裝置連續(xù)發(fā)電14000小時(shí);用毛細(xì)吸液芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時(shí)。

九十年代起，美國先進(jìn)模塊電源系統(tǒng)(AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動(dòng)了AMTEC商用化的進(jìn)程。用5至7根直徑7毫米"- Al2O3管構(gòu)成的器件已經(jīng)在AMPS公司進(jìn)行試生產(chǎn)，器件單元輸出4瓦左右，其應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭臻g電源、余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)等等。

AMPS公司制作的單管器件進(jìn)行模擬試驗(yàn):在多管單元運(yùn)行特性研究和可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，AMPS設(shè)計(jì)了凈輸出500瓦的AMTEC裝置作為住戶微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的原型;與此同時(shí)，他們正在為歐洲的公司制造容量為350瓦、利用供暖鍋爐余熱的發(fā)電裝置原型，并進(jìn)行了35千瓦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，初步結(jié)果表明，35千瓦系統(tǒng)的尺寸僅為0.7立方米。

中國科學(xué)院電工研究所從1994年起，先后在國家自然科學(xué)基金和國防科工委科技預(yù)研基金的支持下，并與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的密切配合，在國內(nèi)率先開展堿金屬熱電能量直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用研究，建立了熱電轉(zhuǎn)換器件實(shí)驗(yàn)室和薄膜電極制備、器件封接用的工藝裝備，開展了多孔薄膜電極制備、單體封接、集流柵設(shè)計(jì)和工質(zhì)循環(huán)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)用化多管器件的設(shè)計(jì)及工藝研究，取得了顯著進(jìn)展。單管實(shí)驗(yàn)器件達(dá)到了能夠重復(fù)運(yùn)行多次、累計(jì)發(fā)電2小時(shí)、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦¤ [ 厘米] 2的水平。為進(jìn)一步進(jìn)行堿金屬熱電轉(zhuǎn)換垃圾發(fā)電的研究創(chuàng)造了良好的條件。

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換是利用”- Al2O3固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性、用鈉作工質(zhì)，以熱再生濃度差電池過程為工作原理的熱電能量直接轉(zhuǎn)換新技術(shù)。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter,AMTEC)則是一種面積型發(fā)電器件，它無運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲、無需維護(hù)，可以和溫度在600° C至900° C范圍任何形式的熱源相 結(jié)合，構(gòu)成模塊組合式發(fā)電裝置，滿足不同容量負(fù)載的要求，熱電轉(zhuǎn)換效率可超過30%，而且具有排熱溫度較高(300°C上下)的特點(diǎn)。與垃圾氣化熔融技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)，是堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的重要應(yīng)用方向，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電將在我國方興未艾的垃圾發(fā)電技術(shù)發(fā)展占有重要的地位。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器是1968年見于美國專利的新概念，美國福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是研究、開發(fā)AMTEC的先驅(qū)，先后取得了一系列重要進(jìn)展：以單管實(shí)驗(yàn)器件效率19%驗(yàn)證了理論的可靠性;36管實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電1千瓦;用電磁泵加壓的實(shí)驗(yàn)裝置連續(xù)發(fā)電14000小時(shí);用毛細(xì)吸液芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時(shí)。

九十年代起，美國先進(jìn)模塊電源系統(tǒng)( AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動(dòng)了AMTEC商用化的進(jìn)程。用5至7根直徑7毫米”- Al2O3管構(gòu)成的器件已經(jīng)在AMPS公司進(jìn)行 試生產(chǎn)，器件單元輸出4瓦左右，其應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭臻g電源、余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)等等。