專利名稱：鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種新型能量利用裝置。具體地說(shuō)是一種由鈉硫電池(集成) 和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(AMTEC)(集成)的能量裝置。
(二)
背景技術(shù)：
鈉硫電池由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的。構(gòu)成負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融 金屬鈉，構(gòu)成正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽。陶瓷材料0 "-A1A作為固 體電解質(zhì)兼隔膜。外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。鈉硫電池具有許多特色之處 比能量1高，其理論比能量為760W h Kg、實(shí)際已大于麵 h Kg-'，是鉛酸 電池的3-4倍；可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá)200-300mA mf2, 并瞬時(shí)間可放出其3倍的固有能量；充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以 沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎 100%。
在80年代末和90年代初開(kāi)始，國(guó)外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場(chǎng)合下(如 電站儲(chǔ)能)應(yīng)用，并越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK 公司合作開(kāi)發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池，其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平(即起削峰 平谷作用，將夜晚多余的電存儲(chǔ)在電池里，到白天用電高峰時(shí)再?gòu)碾姵刂嗅尫懦?來(lái))、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開(kāi)始進(jìn)入商品化實(shí)施階段， 已建成世界上最大規(guī)模(8MW)的儲(chǔ)能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統(tǒng)計(jì)， 年產(chǎn)鈉硫電池電池量已超過(guò)IOOMW，同時(shí)開(kāi)始向海外輸出。
但是鈉硫電池也有不足之處，鈉硫電池工作時(shí)需要一定的溫度保證，其工作 溫度在580-630K。這樣需要穩(wěn)定的熱源為其保證工作溫度。
堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器(AMTEC )是一種將堿金屬(鉀、鈉)作為工作介質(zhì)的 能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。它以陶瓷材料e "-AlA為離子選擇性滲透膜。AMTEC可直接將 太陽(yáng)能、外部燃燒、放射性同位素、反應(yīng)器熱源和余熱產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成電能。 堿金屬工質(zhì)(液態(tài)或氣態(tài))在封閉循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行，其轉(zhuǎn)換過(guò)程特點(diǎn)為等溫膨脹/ 壓縮，等壓加熱，因此可獲得高效率。另外AMTEC具有潔凈無(wú)噪聲、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)量小、適合分散布置的特點(diǎn)。因此既可以在火電站的前置循環(huán)使用，也 可單獨(dú)作為熱電站的發(fā)電機(jī)組用于工業(yè)發(fā)電，而且也可用于水下潛器作為安靜型 高能量密度的發(fā)電設(shè)備，和民用運(yùn)輸工具。堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器在工作時(shí)，其高溫端工作溫度在800-1200K,低溫端 工作溫度在400K-600K之間。當(dāng)熱源為AMTEC高溫端提供所需的熱量保證后，還 有一定的熱量剩余，通常這部分剩余熱量得不到有效地利用。另外AMTEC低溫端 也有較高的工作溫度，通常情況下，低溫端部分的熱量也直接排出沒(méi)有得到充分 的利用。如果將這兩部分熱量加以利用的話，就可以提高能量的利用率。而且 AMTEC只要保證熱源充足的情況下，就會(huì)一直發(fā)電，如何合理有效的分配這些電 能使用也是一個(gè)問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能使鈉硫電池(集成)和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器 (集成)都可以在要求的工作條件工作，進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和輸出，使用靈活的鈉 硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器和鈉硫電池，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連 接蓄熱器，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接，它還包 括電控裝置，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相 連，所述的堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相連 的具體連接方式包括堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸出端，兩個(gè)輸出端口與電 控裝置相連，輸出端口A在負(fù)載處于低負(fù)荷工作時(shí)對(duì)鈉硫電池充電，輸出端口B 通過(guò)電控裝置向負(fù)載輸出電流；鈉硫電池一側(cè)的端口 C與電控裝置相連、用于堿 金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器向鈉硫電池的充電輸入，端口 D與電控裝置相連向負(fù)載輸出 電流。本發(fā)明還可以包括1、 堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器和鈉硫電池集合于外壁中，外壁外面設(shè)置保溫層， 所述堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接是在堿金屬熱 電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間設(shè)置有導(dǎo)熱材料層。2、 在導(dǎo)熱材料層的兩側(cè)設(shè)置多孔材料層。3、鈉硫電池置于真空保溫箱內(nèi)，所述的蓄熱器包括第一蓄熱器和第二蓄熱 器，第一蓄熱器與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連接，第二蓄熱器吸收第一蓄熱 器余熱再與真空保溫箱相連。
3、 鈉硫電池置于真空保溫箱內(nèi)，所述的蓄熱器包括第一蓄熱器和第二蓄熱 器，第一蓄熱器與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連接，所述堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換 器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接是第二蓄熱器吸收第一蓄熱器余熱再與 真空保溫箱相連。
4、 鈉硫電池還包括備用充電端口 E。
本發(fā)明將鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器(AMTEC)集成一個(gè)新的能量系
統(tǒng)。該系統(tǒng)利用蓄熱器將熱源能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，并進(jìn)行合理的分配，使鈉硫電池(集
成)和堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器(集成)都可以在要求的工作條件工作，進(jìn)行能量
的轉(zhuǎn)換和輸出。此外，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器是一種產(chǎn)生電能的裝置，而鈉硫電
池是一種可充電池，為了合理分配電能該系統(tǒng)通過(guò)電控裝置控制AMTEC (集成)
在工作負(fù)載處于低消耗工作狀態(tài)時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)多的電能輸送給鈉硫電池(集成)
儲(chǔ)存起來(lái)當(dāng)工作負(fù)載處于高消耗工作狀態(tài)時(shí)，鈉硫電池(集成)和AMTEC (集
成)一起為負(fù)載提供動(dòng)力。同時(shí)該電控裝置控制可控制電流輸出方式是并聯(lián)、串
聯(lián)是交流還是直流。這增加了系統(tǒng)在使用上更加靈活性。為實(shí)現(xiàn)上述的想法，準(zhǔn)
備了兩種技術(shù)方案。
本系統(tǒng)充分利用鈉硫電池(集成)和堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(AMTEC)(集成)
的特點(diǎn)，通過(guò)兩種不同的方案提高了能量的利用率。并通過(guò)電控裝置控制電力的
并聯(lián)或串聯(lián)，直流或交流輸出。本系統(tǒng)可應(yīng)用于各種船舶作為動(dòng)力來(lái)源；可用于
垃圾焚燒發(fā)電，提高工業(yè)廢熱的利用^;可用于電力聯(lián)網(wǎng)作為城市照明供電使用。
(四)


圖1是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的的堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的 鏈接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的電控裝置示意圖。
圖4是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明的第一種實(shí)施方式是蓄熱器1從熱源直接獲取熱量，并儲(chǔ)存起來(lái)。以保證AMTEC (集成)高溫端的工作溫度Tl (800-1200K). AMTEC (集成)由于外壁的直接導(dǎo)熱，使其低溫端 溫度T3在400-600K。為了利用這些熱量，可以將AMTEC (集成)與鈉硫電池(集 成)通過(guò)一種熱傳導(dǎo)連接器連接起來(lái)，如圖2所示。通過(guò)該連接器，可以保證鈉 硫電池(集成)的正常工作溫度。這樣利用了AMTEC (集成)低溫端的熱量從而 提高能量的利用率。請(qǐng)參閱圖2所示，是連接器，該部分作用是確保鈉硫電池(集成)的工作溫度。零件ll是保溫層。其作用是減少熱量的損失。可選擇玻璃棉材料；零件12是連接器的外壁，使用普通的不銹鋼即可；零件13是導(dǎo)熱材料，該材料要求較高的導(dǎo)熱系數(shù)。如銅、鋁合金等零件14是多孔填充材料。該材料在導(dǎo)熱材料的兩側(cè)，分別和AMTEC (集成) 和鈉硫電池(集成)的兩端直接接觸。該部分的多孔填充材料要求空隙率適中， 有較高的導(dǎo)熱性。該部分的作用保證熱源的穩(wěn)定性，即使在熱源停止供熱后，由 于多孔材料的特性，也可使溫度在一定時(shí)間內(nèi)得到保正。AMTEC (集成)有兩個(gè)輸出端，這兩個(gè)輸出端口在低溫端一側(cè)。兩個(gè)輸出端 口通過(guò)防熱導(dǎo)線經(jīng)過(guò)連接器上的電線孔與電控裝置相連。AMTEC (集成)通過(guò)輸 出端口 A在負(fù)載處于低負(fù)荷工作時(shí)，完成對(duì)鈉硫電池(集成)充電的電量輸出； 端口 B通過(guò)電控裝置向負(fù)載輸出電流。鈉硫電池(集成) 一側(cè)的端口C通過(guò)防熱導(dǎo)線與電控裝置相連，完成AMTEC (集成)向鈉硫電池(集成)充電的輸入；端口 D通過(guò)電控裝置向負(fù)載輸出電流。 端口E是備用充電口，當(dāng)AMTEC (集成)出現(xiàn)故障時(shí)，在鈉硫電池(集成)工作 環(huán)境溫度得到保證情況下，可用其他電力來(lái)源為鈉硫電池(集成)充電，以保證 鈉硫電池(集成)正常的電力輸出。由于AMTEC (集成)和鈉硫電池(集成)均在高溫下工作，所以任何一個(gè)端 口上的導(dǎo)線均為防熱導(dǎo)線。例如外部帶有隔熱陶瓷的導(dǎo)線。每根防熱電線內(nèi)都包 含請(qǐng)參閱圖3所示，是方案中的電控裝置，該裝置負(fù)責(zé)電力的整體控制。 當(dāng)只閉合開(kāi)關(guān)2或3時(shí)，AMTEC (集成)或鈉硫電池(集成)可單獨(dú)為負(fù)載供電； 當(dāng)負(fù)載處于工作低消耗時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)l，則通過(guò)連接端口 A和C完成AMTEC (集 成)向鈉硫電池(集成)充電過(guò)程；當(dāng)負(fù)載處于工作高消耗時(shí)，同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)2 和3，則AMTEC (集成)和鈉硫電池(集成)可同時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行電力供應(yīng)。而且 可根據(jù)負(fù)載實(shí)際情況通過(guò)開(kāi)關(guān)4和5選擇AMTEC (集成)和鈉硫電池(集成)是 并聯(lián)輸出，還是串聯(lián)輸出；最終可通過(guò)開(kāi)關(guān)6選擇輸出直流或交流電，在負(fù)載需 要直流電時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)6可輸出直流電，當(dāng)負(fù)載需要交流電時(shí)，可通過(guò)IGBT將 直流電轉(zhuǎn)為交流電輸出。當(dāng)AMTEC (集成)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不能及時(shí)對(duì)鈉硫電池(集 成)進(jìn)行充電，則可通過(guò)開(kāi)關(guān)7連接備用充電電源器，如太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，以保 證鈉硫電池(集成)正常向負(fù)載輸出電力。
結(jié)合圖4所示，本發(fā)明的第一種實(shí)施方式是
熱源直接為蓄熱器1提供熱量。蓄熱器1將獲得的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，為AMTEC (集成)高溫端提供溫度T1保證，Tl范圍在800 K -1200K;由于鈉硫電池(集 成)工作溫度T2比堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器高溫端溫度Tl低，T2范圍在573 K -623 K，所以為保證其工作溫度，蓄熱器2可以從蓄熱器1剩余的熱源獲得熱量，并 儲(chǔ)存起來(lái)。這樣降低了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)熱源的而要求。提高了熱源的利用率。蓄熱器 2與真空保溫箱相連，鈉硫電池(集成)至于真空保溫箱內(nèi)，這樣更加確保了鈉 硫電池(集成)的工作溫度。
該方案中鈉硫電池(集成)和AMTEC (集成)的結(jié)構(gòu)與方案一中的一致。 該方案中的電控裝置與方案一中的一致。電控裝置電路請(qǐng)參閱圖4 這兩種方案比較一下就可以看出方案一AMTEC (集成)與鈉硫電池(集成) 通過(guò)連接器連接起來(lái)，這樣AMTEC (集成)與蓄熱器A的連接會(huì)有困難。同時(shí)應(yīng) 保證連接器內(nèi)部的填充材料有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，例如利用金屬銅，這樣會(huì)提高造 價(jià)。
方案二使用設(shè)備種類較多，體積大，難以調(diào)控好蓄熱器A和蓄熱器熱量比例。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限
制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉
本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技
術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上的實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變 化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝置，它包括堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器和鈉硫電池，其特征是堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連接蓄熱器，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接，它還包括電控裝置，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相連，所述的堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相連的具體連接方式包括堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸出端，兩個(gè)輸出端口與電控裝置相連，輸出端口A在負(fù)載處于低負(fù)荷工作時(shí)對(duì)鈉硫電池充電，輸出端口B通過(guò)電控裝置向負(fù)載輸出電流；鈉硫電池一側(cè)的端口C與電控裝置相連、用于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器向鈉硫電池的充電輸入，端口D與電控裝置相連向負(fù)載輸出電流。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝 置，其特征是堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器和鈉硫電池集合于外壁中，外壁外面設(shè) 置保溫層，所述堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接是 在堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間設(shè)置有導(dǎo)熱材料層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝 置，其特征是在所述導(dǎo)熱材料層的兩側(cè)設(shè)置多孔材料層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝 置，其特征是鈉硫電池置于真空保溫箱內(nèi)，所述的蓄熱器包括第一蓄熱器和 第二蓄熱器，第一蓄熱器與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連接，所述堿金屬熱 電直接轉(zhuǎn)換器的冷端與鈉硫電池之間保持導(dǎo)熱連接是第二蓄熱器吸收第一蓄熱 器余熱再與真空保溫箱相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4任何一項(xiàng)所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集 成能量裝置，其特征是鈉硫電池還包括備用充電端口 E。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器集成能量裝置。它包括堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器和鈉硫電池，它還包括電控裝置，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相連，堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器的熱端連接蓄熱器；堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸出端，兩個(gè)輸出端口與電控裝置相連，輸出端口A在負(fù)載處于低負(fù)荷工作時(shí)對(duì)鈉硫電池充電，輸出端口B通過(guò)電控裝置向負(fù)載輸出電流；鈉硫電池一側(cè)的端口C與電控裝置相連、用于堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器向鈉硫電池的充電輸入，端口D與電控裝置相連向負(fù)載輸出電流。本發(fā)明可應(yīng)用于各種船舶作為動(dòng)力來(lái)源；可用于垃圾焚燒發(fā)電，提高工業(yè)廢熱的利用率；可用于電力聯(lián)網(wǎng)作為城市照明供電使用。
文檔編號(hào)H02J7/32GK101604864SQ20091007252
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者周春良, 張寶嶺, 鄭洪濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)