中文名 | 熱電轉(zhuǎn)換 | 外文名 | The thermoelectric conversion |
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特????點(diǎn) | 熱能和電能之間的轉(zhuǎn)換 | 材????料 | 熱電材料 |
學(xué)????科 | 熱力工程 | 應(yīng)????用 | 熱電轉(zhuǎn)換器 |
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(guò)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(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、無(wú)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(guò)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(guó)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(guó)專利的新概念,美國(guó)福特汽車公司和美國(guó)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(guó)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。
熱電材料是通過(guò)其內(nèi)部載流子的移動(dòng)及其相互作用,來(lái)完成電能和熱能之間相互轉(zhuǎn)換的一種功能材料。與一般的發(fā)電方法相比,優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有外部的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,因此工作時(shí)沒(méi)有噪聲、沒(méi)有部件之間的磨損等。另外,由于它沒(méi)有流體態(tài)的介質(zhì),可以說(shuō)基本沒(méi)有環(huán)境污染。熱電材料的主要特點(diǎn)是:它可以像壓縮軟件一樣把熱量打包,傳送給材料中電能的載體——電子或空穴載流子,它們?cè)诎褵崃繌臏囟雀叩囊欢诉\(yùn)輸?shù)綔囟鹊偷囊欢说耐瑫r(shí),由于電子或空穴的定向移動(dòng),這種材料的兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓。而所產(chǎn)生的這種電壓,就為人們提供了可利用的能源。
熱電材料的理想特性一般要求,內(nèi)阻較低以減少內(nèi)部電流產(chǎn)生的損耗(發(fā)熱);較低的導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)以減少?gòu)母邷囟讼虻蜏囟说臒醾鲗?dǎo);較高的熱電動(dòng)勢(shì)(開路)。大多數(shù)物質(zhì)的熱電動(dòng)勢(shì)只有幾微伏每度溫差,不適宜作為熱電材料。最適合的材料是半導(dǎo)體材料,如碲化鉛、鍺硅合金、碲化鍺,等等。
在我們的現(xiàn)代生活中,大到工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸,小到日常生活,每天都在消耗著大量的能量,然而這些能量并沒(méi)有得到充分的利用。在能量的利用過(guò)程中,總有一部分能量未能得到利用,而是轉(zhuǎn)化為熱能散失掉了。應(yīng)用熱電材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換可以利用這部分能量。
計(jì)算規(guī)則轉(zhuǎn)換怎么轉(zhuǎn)換
你好:見附圖
鋼筋轉(zhuǎn)換自動(dòng)轉(zhuǎn)換 有些不該轉(zhuǎn)換的或自動(dòng)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的怎么辦~!
你好 新版本的軟件還沒(méi)有這個(gè)功能 不過(guò)你可以利用軟件的批量替換功能來(lái)替換來(lái)替換轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的鋼筋符號(hào)
你用的應(yīng)該是老定額,還不支持轉(zhuǎn)換
就是熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換。
熱電效應(yīng)包括下列三種基本效應(yīng):
(1)第一熱電效應(yīng),亦 稱為“塞貝克 (Seebeck) 效應(yīng)”。把兩種不同的 導(dǎo)體連接成閉合回路,如兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同,則 回路中將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì),稱為“熱電勢(shì)”(圖1a), 且溫度差越大,熱電勢(shì)亦越大。
(2)第二熱電效 應(yīng),亦稱為“珀?duì)柼?(Peltier) 效應(yīng)”。當(dāng)電流通 過(guò)由兩種不同的金屬組成的回路時(shí),在金屬導(dǎo)體中 除了產(chǎn)生焦耳熱之外,還要在接點(diǎn)吸收或放出一定 熱量——珀?duì)柼麩幔▓D1b)。
(3)第三熱電效 應(yīng),亦稱為“湯姆遜 (Thompson) 效應(yīng)”。如果 使一金屬導(dǎo)體兩端保持恒定的溫差ΔT,在時(shí)間τ 內(nèi)通過(guò)電流i,則在兩端點(diǎn)間依電流方向不同放出 或吸收一定的熱量QT(湯姆遜熱) ,且QT=σiτΔT
式中 σ——湯姆遜系數(shù)。湯姆遜效應(yīng)是可逆的 (圖1c)。
(a)塞貝克效應(yīng);(b)珀?duì)柼?yīng); (c)湯姆遜效應(yīng)
熱電轉(zhuǎn)換器也是一種熱機(jī),它從高溫?zé)嵩次鼰?,向低溫?zé)嵩捶艧?,并將部分熱轉(zhuǎn)換成為電功。因此它的理論最高效率仍然是卡諾循環(huán)效率。由于各種損失的存在,熱電轉(zhuǎn)換器的效率與卡諾循環(huán)限制相去甚遠(yuǎn)。理論分析表明熱電轉(zhuǎn)換器的效率能夠大于10%,但實(shí)際建成裝置的效率大都遠(yuǎn)低于這個(gè)值,隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展,熱電轉(zhuǎn)換器的效率接近20%是個(gè)合理的目標(biāo)。至于應(yīng)用,可在非洲偏遠(yuǎn)地區(qū)用油燈的余熱為收音機(jī)供電,可在海洋上用海水溫差驅(qū)動(dòng)聲納浮標(biāo)。
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針對(duì)冬季供熱期寧夏電網(wǎng)火電機(jī)組調(diào)整容量受限問(wèn)題,通過(guò)調(diào)整全網(wǎng)電負(fù)荷與熱負(fù)荷的分配比例,增加火電機(jī)組可調(diào)備用容量的方法,提出一種基于熱、電轉(zhuǎn)換的風(fēng)電、光伏及火電機(jī)組的協(xié)調(diào)性調(diào)度方法。分析結(jié)果表明:將熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化為電負(fù)荷后,可提升風(fēng)電及光伏能源的消納率,降低新能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的影響。
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怎樣選用轉(zhuǎn)換開關(guān)——轉(zhuǎn)換開關(guān)電氣
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(lái)提高垃圾發(fā)電效率的場(chǎng)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(guò)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(lái)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(guó)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(guó)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(jí)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?jī)?nèi)容如下。
⑴垃圾氣化熔融機(jī)制和過(guò)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(píng)價(jià)。
中國(guó)"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(guò)"十五"的努力,中國(guó)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?工作原理
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(guò)程可以參照?qǐng)D1來(lái)說(shuō)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(shì)梯度驅(qū)使鈉離子透過(guò) "- 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(shì),這一過(guò)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(guò)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(guò)程中起著選擇性滲透膜的作用,而AMTEC是工質(zhì)鈉通過(guò)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(guò)程造成的損失為0.2瓦¤ [ 厘米] 2時(shí),效率峰值為35%,對(duì)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(guò)程,主要是多孔電極表面向冷凝器表面的熱輻射以及通過(guò)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(duì)于后者,熱傳導(dǎo)是一種本征損失,而對(duì)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(lái)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(guó)專利的新概念,美國(guó)福特汽車公司和美國(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院電工研究所從1994年起,先后在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)防科工委科技預(yù)研基金的支持下,并與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的密切配合,在國(guó)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。
世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化催促著人們尋找新能源及能源利用新方法。熱電轉(zhuǎn)換裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需制冷劑、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分、無(wú)磨損、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們重視,并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。而在熱電轉(zhuǎn)換微能源系統(tǒng)中,熱電轉(zhuǎn)換效率受熱電裝置高溫端散熱工況和材料自身熱電性能的影響較大。因此尋找新型高效散熱方式,以及開發(fā)材料熱電性能表征系統(tǒng)已經(jīng)成為熱電轉(zhuǎn)換裝置中關(guān)鍵熱物理問(wèn)題。 本項(xiàng)目基于上述兩個(gè)關(guān)鍵熱物理問(wèn)題,開展了相應(yīng)研究工作。采用基于數(shù)字信號(hào)處理的虛擬鎖相技術(shù),通過(guò)對(duì)通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega,2-Omega和3-Omega電壓成分的同時(shí)采集和分析處理,獲得熱電材料的電導(dǎo)率,熱導(dǎo)率,Seebeck系數(shù)和熱電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)值系數(shù)。為了解決熱電轉(zhuǎn)換裝置性能評(píng)估問(wèn)題,本項(xiàng)目基于直流瞬態(tài)Harman法測(cè)量?jī)?yōu)值系數(shù)原理,搭建了熱電器件綜合性能表征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量無(wú)量綱優(yōu)值系數(shù)(ZT值)、Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率以及熱導(dǎo)率等熱電性能參數(shù),并通過(guò)測(cè)試商業(yè)碲化鉍基熱電器件驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上,制作和改進(jìn)了具有不同夾層結(jié)構(gòu)的新型熱電器件,并對(duì)其開展了熱電性能評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,室溫下具有夾層結(jié)構(gòu)熱電器件ZT值普遍小于常規(guī)碲化鉍純半導(dǎo)體器件,但是Seebeck系數(shù)卻比常規(guī)器件大;同時(shí)夾層結(jié)構(gòu)熱電器件的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均大于常規(guī)器件值。 另外,為了探索新型高效散熱方式用于解決熱電器件熱端散熱,本項(xiàng)目研究了微通道內(nèi)納米流體強(qiáng)化換熱特性,以期采用在熱電裝置熱端端面開鑿矩形微槽道,并通以水基多壁碳納米管(MWCNT)納米流體的方式解決高效熱電轉(zhuǎn)換裝置中大熱流密度散熱難題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了納米流體微細(xì)管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)和沿程阻力特性,結(jié)果表明,納米流體能夠顯著強(qiáng)化對(duì)流換熱系數(shù),并且沿程摩擦系數(shù)與去離子水的值相近,表明納米流體強(qiáng)化傳熱的同時(shí)泵功消耗并沒(méi)有大幅增加,具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。