Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом



Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом
Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом

 


Владельцы патента RU 2456698:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

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 срока службы термоэлектрического преобразователя, стабильности его выходных электрических параметров за счет материалов и конструкции электродов и твердого электролита. Термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую со щелочным металлом содержит в качестве твердого электролита ориентированный пиролитический графит интеркалированный щелочным металлом, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и служит одновременно одним из электродов, второй электрод выполнен ив металла с открытой пористостью и размещен вблизи от твердого электролита в холодной области, а рабочим телом служат щелочные металлы: цезий, рубидий и калий. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, точнее к системам, преобразующим тепловую энергию (солнечную, тепловых электростанций, ядерную и др.) непосредственно в электрическую энергию как в наземных, так и в космических условиях, 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).

Известны основополагающие работы (1. Патент США №3458356, 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 способ преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую.

Наиболее близким прототипом является термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом (см. Патент США №3458356, 1969, Thermo-Electric Generator, J.T.Kummer and N.Weber)

ТЭП со щелочным металлом представляет собой замкнутый вакуумный объем со средствами подачи и отвода тепла и разделенный твердым электролитом на две герметичные части - зоны испарения и конденсации рабочего тела. Зоны испарения и конденсации рабочего тела соединены патрубком с электромагнитным насосом. Твердый электролит с обеих сторон покрыт тонкопленочными пористыми металлическими электродами, которые с помощью электрических выводов через стенку устройства подсоединены к нагрузке. Твердый электролит представляет собой β″Al2O3,

(далее, BASE. - beta" - alumina solid electrolyte).

Рабочее тело - натрий заполняет область высокого давления ТЭП, которую поддерживают при температуре T2 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 производится давление пара натрия 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:

Vэдc=RT2F-lln(P2/P4),

где R - газовая константа, F - число Фарадея, Р2 - давление пара натрия при температуре Т2 и Р4 - давление пара натрия на пористом электроде, примыкающем к низкой области давления пара натрия.

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

P4(i=0)=P1(T2/T1)1/2

Когда внешняя цепь замкнута, электроны проходят через нагрузку и нейтрализуют ионы натрия на пористом 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 при температуре T1.

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

Основным 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.

Технический результат - повышение срока службы термоэлектрического преобразователя, стабильности его выходных электрических параметров.

Для этого предложен термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом. Состоящий из средств подвода и отвода тепла, вакуумированного объема, разделенного твердым электролитом на две герметичные области, двух электродов с герметичными электрическими выводами на нагрузку, патрубка возврата жидкого конденсата щелочного металла из зоны конденсации в зону испарения с установленным на нем электромагнитным насосом, при этом в качестве твердого электролита используют ориентированный пиролитический графит интеркалированный щелочным металлом, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям, являющийся одновременно одним из электродов, а второй электрод выполнен из металла с открытой пористостью, разделен с первым электродом межэлектродным промежутком и расположен со стороны зоны конденсации.

Кроме того, в качестве щелочного металла используют цезий или рубидий, или калий.

На фигурах 1 и 2 показан предлагаемый термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом, который содержит следующие основные узлы:

1. Электрическая нагрузка, контур потребителя;

2. Высокотемпературная область (Температура 800…1300 K);

3. Металлокерамические электрические выводы электрод-нагрузка;

4. Изолятор из окиси алюминия;

5. Зона испарения щелочного металла;

6. Пар щелочного металла (цезий, рубидий, калий);

7. Твердый электролит (электрод) - ориентированный пиролитический графит, интеркалированный щелочным металлом, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям;

8. Патрубок для возврата жидкого конденсата щелочного металла из зоны конденсации в зону испарения;

9. Металлический электрод с открытой пористостью;

10. Изолятор из окиси алюминия;

11. Электромагнитный насос;

12. Зона испарения натрия из капиллярной структуры;

13. Низкотемпературная область (Температура 400…800 K).

Предлагаемый термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом в качестве рабочего тела содержит в качестве твердого электролита 5 ориентированный пиролитический графит, интеркалированный щелочным металлом, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям. Твердый электролит служит одновременно одним из электродов, второй электрод 8 выполнен из металла с открытой пористостью и размещен вблизи от твердого электролита в низкотемпературной области. Рабочим телом служат щелочные металлы: цезий или рубидий, или калий.

Электроды разделены межэлектродным промежутком и изолированы от корпуса диэлектриком из окиси алюминия 4 и 10. Электрические контакты от обоих электродов выведены через металлокерамические выводы 3 через корпус изделия и подключены к внешней нагрузке 1.

Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом работает следующим образом. Рассмотрим работу устройства с рабочим телом, в качестве которого использован цезий. Использование рубидия и калия обусловлено их аналогичными цезию физико-химическими свойствами. Щелочные металлы цезий, рубидий и калий обладают низким потенциалом ионизации (3,89 eV - Cs, 4,34 eV - Rb, 5,14 eV - K в то время, как работа выхода электронов для графита равна 5,5 eV). Это позволяет нейтральным атомам щелочных металлов в нагретом состоянии, взаимодействуя с графитом, отдавать валентный электрон зоне проводимости графита, ионизироваться и затем внедряться между слоями графита (См. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., - Ж: Энергоатомиздат, 1993 г. - 304 с., с.183, а затем под действием перепада давления перемещаться из горячей в холодную зону, из которой они затем испаряются в виде ионов цезия. Далее они, перемещаясь, достигают металлического электрода с открытой пористостью, выполненный, например, из молибдена, вольфрама и др., где нейтрализуются и в дальнейшем в виде нейтральных атомов цезия достигают и адсорбируются в зоне конденсации. Содержание цезия в твердом электролите зависит от температуры графита и величины давления пара цезия над поверхностью графита и может управляться требуемым образом.

Разделение электродов и использование твердого электролита из графита, интеркалированного щелочным металлом, позволяет повысить стабильность и срок службы термоэлектрического преобразователя со щелочным металлом. Технический эффект достигается за счет исключения тонкопленочных пористых металлических электродов, подверженных постоянной коррозии, что приводит к нестабильности выходных электрических параметров преобразователя.

1. Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом, состоящий из средств подвода и отвода тепла, вакуумированного объема, разделенного твердым электролитом на две герметичные области, двух электродов с герметичными электрическими выводами на нагрузку, патрубка возврата жидкого конденсата щелочного металла из зоны конденсации в зону испарения с установленным на нем электромагнитным насосом, отличающийся тем, что в качестве твердого электролита используют ориентированный пиролитический графит, интеркалированный щелочным металлом, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям, являющийся одновременно одним из электродов, а второй электрод выполнен из металла с открытой пористостью, разделен с первым электродом межэлектродным промежутком и расположен со стороны зоны конденсации.

2. Термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочного металла используют цезий, или рубидий, или калий.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термоэмиссионным преобразователям тепловой энергии в электрическую, они широко применяются в ядерных энергетических установках. .

Изобретение относится к технологическим приемам решения задачи обеспечения электрической энергией потребностей собственных нужд (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.) автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для производства электрической энергии для малой энергетики и локальных электросетей с использованием как высокопотенциального, так и низкопотенциального тепла, в частности солнечного.

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии и может быть использовано в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионым способом. .

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии и может быть использовано в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионных преобразователей (ТЭП). .

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 относится к ядерной энергетике, в частности к космической, с использованием ядерных реакторов с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических установок прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в различных автономных устройствах, где требуется невысокая электрическая мощность с длительным сроком службы

Изобретение относится к радиационной защите в составе ядерной энергетической установки для космического аппарата. Защита в местах прохода трубопроводов снабжена вставками из теплозащитного материала, например, на основе кварцевых волокон, закрепленными на внешней поверхности защиты и отделяющими трубопроводы от герметизирующей оболочки контейнера с гидридом лития. Кроме этого, переднее и заднее днища защиты снабжены разделенными в окружном направлении на полости коллекторами, которые соединены между собой трубками, содержащими охлаждающий теплоноситель и закрепленными на размещенной в гидриде лития между коллекторами перфорированной обечайки защиты, переднее днище которой дополнительно снабжено эквидистантно расположенной сферической оболочкой с радиальными выштамповками, образующими совместно с передним днищем изолированные полости, соединяющиеся в центре и имеющие на периферии выход в полости коллектора на переднем днище, а полости заднего коллектора снабжены патрубками подвода и отвода теплоносителя. При этом узлы крепления защиты к агрегатам ядерной энергетической установки размещены на перегородках полостей коллекторов, выполненных на переднем и заднем днищах защиты. Технический результат: обеспечение приемлемого температурного режима гидрида лития, исключающего выход из него водорода и его диффузию через оболочку защиты в космическое пространство. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике. Крыло гиперзвукового летательного аппарата (ЛА) содержит внешнюю оболочку, на внутренней поверхности которой размещен эмиссионный слой-катод, который через бортовой потребитель электроэнергии, токоввод катода и токовывод анода соединен с электропроводящим элементом-анодом, в герметизированные полости, образованные внешней оболочкой нагреваемой части крыла ЛА с эмиссионным слоем и анодом, а также анодом с эмиссионным слоем и вспомогательным анодом введены химические элементы - цезий, барий в парообразной фазе. На внутренней поверхности анода расположен термоэмиссионный слой-вспомогательный катод, а эквидистантно эмиссионному слою основного анода размещен вспомогательный анод, который через дополнительный токовывод, бортовой потребитель электроэнергии и токоввод катода электрически соединен с катодом, образованным внешней оболочкой крыла и нанесенным на ее внутреннюю поверхность эмиссионным слоем. Изобретение направлено на снижение температурно-напряженного состояния крыла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Технический результат состоит в повышении выходной электроэнергии. Дисперсные структуры, использующие передачу заряда посредством газа и предназначенные для использования в электрических генераторах, содержат множество частиц, содержащих пустоты между первой и второй противоположными поверхностями упомянутых частиц. По меньшей мере, часть упомянутых противоположных поверхностей модифицируют таким образом, что способность передавать заряд упомянутых первых противоположных поверхностей отличается от способности передавать заряд упомянутых вторых противоположных поверхностей. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил., 11 табл.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии. В заявленном способе предусмотрено формирование высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным (3) электродом и катодным (4) электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вихревого потока инертного газа вдоль оси между электродами и инжекция в этот поток горячего водяного пара. Высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения. Между электродами устанавливают зонды-электроды (6) для снятия электрической энергии. Заявленное устройство содержит кварцевую трубу (1), электродный анод и катод, выполненный из гидридообразующего металла, формирователь вихревого потока инертного газа (2), а также, по крайней мере, одну пару зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии. Электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла (8) с отверстием для выпуска горячего пара. Генератор электрической энергии (5) выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Техническим результатом является повышение интенсивности процесса одновременной генерации тепловой и электрической энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх