碱金属热电转换器(AMTEC)的研究进展

简介AMTEC的工作原理和性能特点 ,重点综述了国内外AMTEC的研究状况 。

碱金属热电转换的多孔芯内热质传输特性

对基于AMTEC(Alkali Metal Thermal-to-Electric Converter,碱金属热电转换器)的毛细多孔吸液芯建立轴对称恒温相变模型,通过求解多孔芯区及液体通道区热质传输控制方程得到毛细多孔芯中的流动与传热特性,分析了工质流量、入口温度、多孔芯厚度、孔隙率和有效孔径等参数对压力、速度和温度分布的影响;同时通过分析最大毛细力与回路压降之间的关系,给出了多孔芯有效孔径的适用范围和提高多孔芯性能的改进措施。研究结果表明:与三维两相流蒸发模型比较,文中的模型具有较好的预测准确性;以碱金属为工质的毛细多孔吸液芯和液体通道内的流动与传热特性与传统工质存在不同。

钠钾工质碱金属热电转换器发电组件制备关键技术的研究

提出了钠钾工质碱金属热电转换器的概念,论证了开展钠钾工质碱金属热电转换器基础研究的意义,介绍了NaK-BASE管的制备方法,开展了NaK-BASE管—α-Al_2O_3绝缘过渡件—金属法兰之间的活性焊接和NaK-BASE管外表面电极多孔薄膜的制备等关键技术的探索性试验研究。试验结果表明,NaK-BASE管与α-Al_2O_3管以及α- Al_2O_3管与钛合金件之间的钎缝的漏率均达到10^(10)Pa·m^3/s级以上。采用反应性磁控溅射技术,在NaK-BASE管外表面制备了TiN电极多孔薄膜。

基于丝网印刷法的碱金属热电转换器氮化钛薄膜电极的制备技术

采用丝网印刷法在α-Al2O3基底表面分别以三种不同的氮化温度和时间制备了用于碱金属热电转换器AMTEC的氮化钛（TIN）多孔薄膜电极。通过x射线衍射仪对TiN薄膜进行相分析，同时利用扫描电子显微镜SEM观察薄膜表面孔径和孔隙度，采用表面轮廓仪测量了薄膜厚度并且利用电导率仪测量了薄膜方阻。实验结果表明：试样在900～1100℃下氮化2—4h，都可生成择优取向（200）为主的TiN薄膜；TiN薄膜平均孔径随氮化温度增加而减小，孔隙度随着氮化时间增加而增加；随着氮化温度的升高，电导率和氮化时间的关系由正相关向负相关转变；在1100℃下氮化2h可以得到电性能较好的TiN多孔薄膜电极，其电导率为1．43×105S·m-1。

碱金属热电转换器的循环工质和固体电解质的选择

对碱金属热电转换器所用的循环工质和 β″氧化铝固体电解质的选择进行了探讨 ,对Na AMTEC、K AMTEC、NaK AMTEC 3种形式的碱金属热电转换器的热电转换特性进行了比较 ,认为K AMTEC和NaK AMTEC将是两种很有发展前途的碱金属热电转换器形式。

碱金属热电转换器(AMTEC)的电极极化过程分析

从电化学动力学的角度,对碱金属热电转换器的电极极化过程及对其特性的影响进行了讨论。分析认为,阳极极化过电压对碱金属热电转换器输出电压的影响比阴极极化过电压要小得多。影响阴极过电压的因素很多,除电极电流密度的大小外,电极反应本身的性质、BASE本身的性质、电极反应所依附的电极多孔薄膜材料的性质、电极多孔薄膜的形貌等都会对其大小产生影响。选择合适的电极材料,优化电极多孔薄膜的制备工艺,对改善AMTEC的电特性将是十分重要的。

碱金属热电转换器(AMTEC)的新技术

介绍了采用熔融合金电极的碱金属热电转换器和采用钾循环工质、以钾—β″氧化铝材料作为固体电解质的碱金属热电转换器两种碱金属热电转换器新技术 ,并与钠工质碱金属热电转换器进行了比较。

碱金属热电转换器实用化的两个关键问题

文章提出了提高AMTEC热电转换效率的可能途径,分析了AMTEC的电输出特性在运行过程中发生退化的原因。认为AMTEC电特性随运行时间的退化现象主要是由于在运行过程中电极多孔薄膜和BASE材料特性的退化所引起的。

碱金属热电转换器(AMTEC)理论分析

从理论上分析了碱金属热电转换器的输出电压与电极电流密度之间的关系 ,最大电极功率密度与工作温度、电极电流密度和BASE面电阻之间的关系 ,电极效率与工作温度、电极电流密度和BASE面电阻之间的关系。

碱金属热电转换器功率调节系统研究

针对碱金属热电转换器(AMTEC)的伏安特性,设计了DC/DC和DC/AC两级变换的功率调节系统。功率调节系统采用高频变压器隔离,避免了工频变压器产生的一系列问题。DC/DC变换器采用移相ZVS(零电压开关)PWM全桥变换和电压闭环控制,把AMTEC在较宽范围变动的输出电压变成稳定的直流电压。逆变器控制采用优化的特定消谐PWM技术,以滤波后总谐波含量(THD)为目标函数,计算预定开关角度。整个系统具有电压输入范围宽、转换效率高、输出波形THD低等优点。

碱金属热电转换器性能四参数评价方法

为了解决太阳热能发电器件碱金属热电转换器的性能评价问题,从热化学角度定义碱金属钠蒸汽饱和状态和过热状态,提出4个通用的性能评价参数：循环热效率、热电转换效率、实际总效率和电功增加率,并对单管碱金属热电转换器装置的性能进行测试和分析,发现它的循环热效率可达到卡诺循环效率的99%,可与斯特林热机相匹敌,并且在923～1073K内热电转换效率都高于89%。

碱金属热电转换器的原理及其应用

碱金属热电转换器是以碱金属为工作介质,利用β"氧化铝固体电解质对碱金属离子独特的选择透过性,以热再生浓度差电池为工作原理的热电转换存储装置。碱金属热电转换器没有活动部件,具备高效率、高可靠性等特性,已经应用于航空、核电等军事领域。本文介绍了其工作原理,并且以"冥王星快车"项目热电转换器为例介绍结构组成,依次介绍研究机构、应用领域、瓶颈及前景。

空间堆碱金属热电转换系统性能分析与优化

随着深空探测的不断发展,作为最具发展潜力的动力能源之一,空间核动力系统的研究引起国内外学者广泛关注。空间核反应堆电源包含静态和动态转换两种方式,而在静态热电转换方式中,碱金属热电转换技术具有高效率、高功率密度和高比功率等优点,但其实际效率远低于理论水平,提高其效率等性能具有重要意义。本文采用碱金属热电转换系统的电特性模型和效率模型,探究BASE厚度、电流密度、高温区温度以及低温区温度对其效率和功率密度等性能的影响。在此基础上,以效率为优化目标,选取合适参数以获得较好的性能。

碱金属热电直接发电装置的热辐射损失

寄生热辐射损失,特别是BASE管外表面的热辐射是影响碱金属热电转换器(AMTEC)高效运行的主要因素之一。为了量化BASE管外表面的热辐射对碱金属热电转换器热电转换效率的影响程度,文章用一简化模型,计算了采用不同层数遮热屏的碱金属热电转换器中的BASE管外表面的净热辐射量。结果表明,恰当设计AMTEC装置的结构,并在BASE管外加数层遮热屏,可使BASE管外单位电极表面的净热辐射损失在其工作温度范围内控制在1W/cm2以下。

核能利用中的静态能量转换技术

静态能量转换是没有旋转部件的能量转换技术,因其所具有的运行维护少、振动噪声低、系统密封性能好等优点而在核能应用领域一直受到关注。已应用的是热电偶和热离子技术,但转换效率太低。目前出现了多种高效率的静态能量转换技术,包括热光伏、碱金属热电转换、热声转换和磁流体发电等,本文对这些未来的静态能量转换技术的原理和研究状况进行了介绍,并对未来实用化的可能进行了评估。

热管冷却空间反应堆系统启动特性研究

为研究热管冷却空间堆系统从冷态零功率到满功率的启动特性,以典型热管冷却空间反应堆电源系统SAIRS为对象,开发了热管冷却空间反应堆系统瞬态程序TAPIRS。该程序的模型主要包括中子动力学模型、堆芯传热模型、热管模型、碱金属热电转换装置(AMTEC)能量转换模型和散热板模型。将TAPIRS程序各模块和系统稳态计算结果与参考文献计算值比较分析,验证了本文模型和求解方法的合理性。启动特性研究表明,通过控制控制鼓的转动速率,可实现反应堆从次临界到满功率、热管和AMTEC从固态到正常运行状态的启动过程。热管冷却空间堆依靠核热启动具有可行性,热管最高温度不超过1 250K,满功率参数与相关文献的最大相对误差不超过6%。

插管对基于AMTEC太阳能热发电的毛细芯蒸发器性能的影响

以碱金属钠为工质,通过建立轴对称恒温相变模型,对基于碱金属热电转换器(AMTEC)太阳能热发电的带插管毛细芯蒸发器性能进行数值模拟,分析插管的长度、管径和热阻等参数对毛细多孔芯及液体通道内压力、速度和温度分布的影响。结果表明:将插管插入蒸发器液体通道中,可改善毛细芯蒸发器的工作性能,不仅可使多孔吸液芯内表面温度更加均匀,而且可降低多孔吸液芯内表面的最高温度;不同工况具有不同的最适宜插管结构。

基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统的可行性研究

提出一种基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统,该系统通过分离式热管把碟式太阳能集热系统和碱金属热电转换器(AMTEC)耦合起来。以碟式太阳能集热系统的热性能以及AMTEC的热电转换性能为基础,对提出的基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统的性能进行了初步分析。结果表明,在一定的参数条件下,该系统的总体热电转换效率达到20.6%,该系统在碟式太阳能热发电系统中具有一定的竞争力。最后指出了需进一步解决和研究的问题。

不同温度及曲率NaK-BASE管内Na^+和K^+迁移数值模拟

本文以NaK-AMTEC的BASE管内的Na^+和K^+迁移为研究对象,建立了NaK-BASE管显微结构的分形模型,采用微观Poisson-Nernst-Planck多离子运移模型模拟了Na^+和K^+在BASE管中的迁移,考察了不同温度下NaK-BASE管内离子的迁移过程。研究结果表明,NaK-BASE管内的阳离子迁移浓度和表面电荷密度与BASE管的温度直接相关;温度的升高会使BASE管内阳离子浓度峰值有所减小,可通过增加BASE管曲率来提高该峰值。BASE管内的表面电荷密度随着温度的升高逐渐增大,且不同温度表面电荷密度之差随着曲率的增加逐渐增大。