БЛОК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СО ЩЕЛОЧНЫМ МЕТАЛЛОМ Российский патент 2012 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области энергетики, точнее к системам, преобразующим тепловую энергию непосредственно в электрическую энергию, и может быть использовано для повышения эффективности работы одного из видов этого типа устройств, а именно, термоэлектрических преобразователей энергии (ТЭП) со щелочными металлами (далее - Alkali metal thermal to Electric Conversion (AMTEC). Изобретение может быть использовано как в наземных, так и в космических условиях, как генератор, преобразующий различную тепловую энергию (солнечную, тепловых электростанций, ядерную и др.) с высоким КПД в электрическую энергию.

Известны основополагающие работы (1. Патент США №3,458,356 1969, Thermo-Electric Generator, J.T.Kummer and N.Weber, 2.. Thermoelectric Energy Conversion with Solid Electrolytes, Science, 1983, p.915, T.Cole), в которых описаны устройство и физико-химический принцип этого метода преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую. Устройство представляет собой замкнутый вакуумный объем, разделенный на две части твердым электролитом для щелочных металлов (натрия, калия, лития) β″Al2O3 - далее BASE. Рабочее тело - натрий заполняет область высокого давления ТЭП, которую поддерживают при температуре Т₂ в интервале 800…1300 K с помощью внешнего источника тепла. При этих температурах давление насыщенных паров натрия находится в интервале 0,05…2,5 атм. (5,0·10³…2,5·10⁵ Пa). Область низкого давления в основном содержит пар натрия и малое количество жидкого натрия и находится при температуре T₁ в интервале 400…800 K, при которой давление пара натрия лежит в интервале от 10^-9 до 10^-2 атм. (10^-4 до 10³ Па).

Пар натрия из области с высоким давлением, диффундируя через пористые электроды и твердый электролит, попадает в область низкого давления, конденсируясь в жидкую фазу, которая затем с помощью электромагнитного наноса по патрубку возврата жидкого натрия возвращается в высокотемпературную область для рециркуляции через твердый электролит, тем самым замыкая циркуляционный контур и заканчивая рабочий цикл процесса.

Вначале цикла пар натрия при температуре T₁ из зоны конденсации, попадая в высокотемпературную область, аккумулирует тепловую энергию до тех пор, пока не достигнет температуры Т₂. Температура генерирует давление (химический потенциал) для силового движения ионов натрия сквозь твердый электролит по направлению к поверхности с низким давлением. В BASE натрий диффундирует только в виде как Na+ по реакции:

Эта реакция имеет место на интерфейсе жидкий натрий (пар) - BASE, когда натрий диффундирует через твердый электролит. Символ (Na+) BASE означает, что ион натрия является проводником в β″Al2O3.

При разомкнутом контуре ионы натрия благодаря термической кинетической энергии диффундируют по направлению к поверхности BASE, находящейся при низком давлении, принося туда положительный заряд. Достаточно сильное электрическое поле возникает на BASE и существует до тех пор, пока есть движение потока ионов натрия. Напряжение разомкнутой цепи дается уравнением Нернста для концентрационной ячейки:

V_эдс=RT₂F^-1ln(P₂/P₄),

где R - газовая константа, F - число Фарадея, Р₂ - давление пара натрия при температуре Т₂ и P₄ - давление пара натрия на пористом электроде BASE, примыкающей к низкой области давления пара натрия.

Когда плотность тока через BASE равна нулю, P₄ будет зависеть от давления пара натрия поверхности конденсатора P₁ выражением:

P₄(i=0)=P₁(T₂/T₁)^1/2

Когда внешняя цепь замкнута, электроны проходят через нагрузку и затем нейтрализуют ионы натрия на электроде низкого давления (обратное направление реакции 1). Далее уже нейтральные атомы натрия, обладая теплотой испарения, покидают пористый электрод, движутся через паровое пространство и выделяют теплоту конденсации на поверхности конденсатора при температуре Т₁.

Напряжение, которое возникает вдоль твердого электролита, является силой, которая двигает электроны через нагрузку, при которой совершается электрическая работа.

Недостатком термоэлектрического генератора со щелочным металлом (АМТЕС) является низкая стабильность тонкопленочных металлических электродов, связанная с коррозией материала из-за наличия в окружающей электроды атмосфере активных составляющих: кислорода, водорода, углеводородов и др.

Также недостатками является необходимость поддержания перепада давления пара натрия на твердом электролите, которое в горячей части связано с неконтролируемыми изменениями входной тепловой мощности, а в зоне конденсации необходимо поддерживать температуру не менее 420 K, т.е. выше точки плавления натрия (Тпл.=371 K).

К недостаткам надо отнести наличие электромагнитного насоса, используемого в АМТЕС для возврата жидкого натрия из зоны конденсации в высокотемпературную зону испарения.

Известны работы (3. Kalandarishviliy A.G.., 1996, "Working Medium Circuit for Alkali Metal Thermal-to-Electric Converters (AMTEC)", Proceedings, 31st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Washington, August 11-16, Vol.2, pp.885-889. 4. Arnold G. Kalandarishvili, 1997, "Working Medium Circuit for Alkali Metal Thermal-to-Electric Converters (AMTEC)", IEEE Systems Magazine, August 1997, pp.23-27), в которых с целью непрерывной очистки остаточных газов в горячей области, ТЭП содержит газорегулируемую тепловую трубу (ГРТТ) со щелочным металлом и неконденсирующимся инертным газом, откачка которого осуществляется в результате испарения - конденсации пара натрия в один из отсеков горячей области устройства, что дает возможность проводить непрерывную очистку окружающей атмосферы вокруг тонкопленочных электродов и тем самым повысить срок службы ТЭП.

Наиболее близким прототипом является многоэлементный (5…8 элементов) блок цилиндрических ТЭП АМТЕС со средствами подвода и отвода тепла, расположенных по окружности и содержащий в центральной части автономную тепловую трубу. Зона испарения тепловой трубы соединена через капиллярную структуру с элементами сборки устройства (см статью авторов: R.K.Sievers, J.R.Rusmussen, C.A.Borkowski, T.J.Hendricks, and J.E.Pantolin. «PX-5 AMTEC Cell Development». Proceedings of the 15th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion. Albuquerque, NM, January 25-29, 1998. American Institute of Physics, New York, AIP Conference Proceedings 420, Part 3, pp.1479-1485 (1998). Патент США тех же авторов №5928436, 1999).

Каждый ТЭП блока представляет собой замкнутый объем, разделенный на две области твердым электролитом, у которого с обеих сторон нанесены тонкопленочные металлические покрытия - электроды, которые с помощью электрических выводов через стенку устройства подсоединены к нагрузке.

Электроды выполнены пористыми и поэтому, адсорбируя пары натрия, они действуют одновременно как капиллярные структуры для возврата жидкого натрия в зону испарения. В этом техническом решении возврат натрия и его циркуляция осуществляются только с помощью капиллярных сил без применения электромагнитного насоса.

Недостатком этого устройства является то, что стабильная работа электрода как капилляра может быть нарушена в связи с коррозией в металлических покрытиях, вызванной остаточной активной атмосферой.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение срока службы термоэлектрического преобразователя со щелочным металлом и повышение стабильности при изменении и колебаниях входной тепловой мощности

Для этого предложен блок термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом, содержащий не менее двух соединенных между собой и центрально расположенной тепловой трубой термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом (АМТЕС), при этом тепловая труба выполнена газорегулируемой, зона испарения ГРТТ соединена с низкотемпературной областью каждого модуля АМТЕС, а адиабатическая зона ГРТТ соединена с низкотемпературной областью каждого модуля АМТЕС.

При этом число термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом (АМТЕС) составляет 5-8.

Кроме того, на внешней поверхности адиабатической зоны ГРТТ установлены термопары.

Также в резервуаре с неконденсирующимся газом ГРТТ могут быть установлены геттеры из титана или циркония, или ниобия.

Предлагаемый многоэлементный термоэлектрический генератор со щелочным металлом содержит следующие основные узлы: (фиг.1)

1. Контур потребителя;

2. Твердый электролит - β″Al2O3;

3. Резервуар с неконденсирующимся газом;

4. Геттеры (Титан, цирконий и ниобий);

5. Граница раздела пар-газ;

6. Зона конденсации;

7. Низкотемпературная область (Температура 400…800 K);

8. Газорегулируемая тепловая труба;

9. Капиллярная пористая структура, например нержавеющая сталь;

10. Патрубок с капиллярной структурой, например нержавеющая сталь, для возврата жидкого натрия из зоны конденсации в зону испарения;

11. Низкотемпературная область модуля АМТЕС;

12. Патрубок, соединяющий адиабатическую зону газорегулируемой трубы с каждым элементом АМТЕС;

13. Тонкопленочные пористые электроды АМТЕС;

14. Высокотемпературная область модуля АМТЕС;

15. Зона испарения натрия из капиллярной структуры;

16. Высокотемпературная область (Температура 900…1300 K);

17. Отдельный модуль АМТЕС;

18. Патрубок, соединяющий модули АМТЕС между собой.

Блок ТЭП со щелочным металлом состоит из отдельных (оптимально 5-8) модулей 17, соединенных между собой патрубками 18 и расположенных по окружности, в центре которой расположена ГРТТ 8 (фиг.2).

Каждый модуль 17 представляет собой замкнутый объем, разделенный на низкотемпературную 11 и высокотемпературную 14 области твердым электролитом 2 с нанесенными на обе поверхности тонкопленочными пористыми электродами 13, например, из вольфрама, титана и др. Электроды с помощью электрических выводов через стенку модуля подсоединены к нагрузке 1.

Адиабатическая средняя часть ГРТТ соединена патрубком 12 с высокотемпературной областью 14 каждого из модулей. ГРТТ 8 представляет собой полый цилиндр с пористой структурой 9, соединенный в верхней части с резервуаром с неконденсирующимся газом 3 (в качестве которых используются, например, инертные газы, например аргон, а также СО₂, азот и др.), в резервуаре 3 установлены геттеры 4 для сорбции примесей, например, из титана, циркония или ниобия. Зона испарения щелочного металла 15, например натрия, расположена в условно выделенной высокотемпературной области 16 с внешним подводом тепла.

Зона испарения 15 ГРТТ соединена патрубком 10 с низкотемпературной областью 11 каждого модуля АМТЕС для возврата жидкого натрия из зоны конденсации 6 в зону испарения. На внешней поверхности адиабатической зоны ГРТТ прикреплены хромель-алюмелевые и вольфрам-рениевые термопары (на фигуре не показаны), позволяющие по величине температуры контролировать величину давления пара натрия в элементах АМТЕС.

Технический результат достигается за счет того, что газорегулируемая тепловая труба определенным образом конструктивно соединена с отдельными термоэлектрическими преобразователями. При подаче тепловой мощности в высокотемпературную область 16 в результате нагрева происходит испарение пара натрия в сторону зоны конденсации 6, где пар конденсируется в капиллярной структуре в жидкость, затем за счет капиллярных сил возвращается в зону испарения. В результате непрерывной циркуляции весь неконденсирующийся инертный газ откачивается в резервуар неконденсирующегося газа и в зоне конденсации 6 устанавливается граница раздела пар-газ 5. При этом вдоль поверхности ГРТТ устанавливается характерный стабильный профиль температуры. При многократных изменениях входной тепловой мощности Q от внешнего источника тепла уровень температуры в адиабатической зоне (средняя область) ГРТТ сохраняется постоянным за счет автоматического перемещения границы раздела пар-газ 5, таким образом, при котором изменяется теплосброс с поверхности ГРТТ, расположенной в зоне конденсации 6. Это позволяет в процессе непрерывной работы осуществлять стабильную подачу пара натрия из адиабатической зоны ГРТТ через патрубок 12 в высокотемпературную область всех модулей многоэлементного АМТЕС, тем самым стабилизировать перепад давления пара натрия на электролите, что позволяет в процессе работы АМТЕС сохранять постоянными во времени выходные электрические параметры преобразователя.

Кроме того, происходит очистка объема от активных примесей, которые переносятся в зону конденсации и в резервуар с неконденсирующимся газом 3 и там сорбируются геттерами 4 из титана, циркония или ниобия. С помощью термопар, установленных в адиабатической зоне, можно определить величину давления пара натрия по формуле:

IgP=9.7354-5418.64/Т, где Р - давление пара натрия, Па; Т - температура, K.

Таким образом, предложенное устройство может одновременно выполнять следующие функции:

поддерживать стабильным перепад давления пара натрия на твердом электролите, что стабилизирует выходные электрические параметры,

производить непрерывную очистку рабочего объема от неконденсирующихся примесей и их утилизацию, что увеличивает срок службы устройства,

контролировать величину давления пара натрия в горячей области.

позволяет по температуре адиабатической зоны ГРТТ контролировать величину давления пара натрия в горячей области.

Изобретение предназначено для повышения эффективности работы термоэлектрического преобразователя со щелочным металлом (АМТЕС), преобразующим тепловую энергию непосредственно в электрическую энергию. Изобретение может быть использовано как в наземных, так и в космических условиях, как генератор, преобразующий различную тепловую энергию (солнечную, тепловых электростанций, ядерную и др.) с высоким КПД в электрическую энергию. Технический результат - повышение стабильности выходных электрических параметров и срока службы генератора за счет использования особенностей работы газорегулируемых тепловых труб, определенным образом вписанных в конструкцию преобразователя. Многоэлементный термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую со щелочным металлом содержит газорегулируемую тепловую трубу с натрием и инертным газом, адиабатическая зона которой соединена патрубками с горячей частью объемов всех элементов АМТЕС, а зона испарения ГРТТ через патрубок соединена с зоной конденсации холодной части объемов всех элементов АМТЕС. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блок термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом, содержащий не менее двух соединенных между собой и центрально расположенной тепловой трубой термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом (АМТЕС), отличающийся тем, что тепловая труба выполнена газорегулируемой (ГРТТ), зона испарения ГРТТ соединена с низкотемпературной областью каждого модуля АМТЕС, а адиабатическая зона ГРТТ соединена с высокотемпературной областью каждого модуля АМТЕС.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что число термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом (АМТЕС) составляет 5-8.

3. Блок по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности адиабатической зоны ГРТТ установлены термопары.

4. Блок по п.1, отличающийся тем, в резервуаре с неконденсирующимся газом ГРТТ установлены геттеры из титана, или циркония, или ниобия.