專利名稱：鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種新型能量利用裝置。具體地說是一種由鈉硫電池(集成) 和堿金屬熱電轉換器(AMTEC)(集成)的能量裝置。
(二)
背景技術：
鈉硫電池由熔融液態電極和固體電解質組成的。構成負極的活性物質是熔融 金屬鈉，構成正極的活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽。陶瓷材料0 "-A1A作為固 體電解質兼隔膜。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200-300mA mf2, 并瞬時間可放出其3倍的固有能量；充放電效率高。由于采用固體電解質，所以 沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎 100%。
在80年代末和90年代初開始，國外重點發展鈉硫電池作為固定場合下(如 電站儲能)應用，并越來越顯示其優越性，如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK 公司合作開發鈉硫電池作為儲能電池，其應用目標瞄準電站負荷調平(即起削峰 平谷作用，將夜晚多余的電存儲在電池里，到白天用電高峰時再從電池中釋放出 來)、UPS應急電源及瞬間補償電源等，并于2002年開始進入商品化實施階段， 已建成世界上最大規模(8MW)的儲能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統計， 年產鈉硫電池電池量已超過IOOMW，同時開始向海外輸出。
但是鈉硫電池也有不足之處，鈉硫電池工作時需要一定的溫度保證，其工作 溫度在580-630K。這樣需要穩定的熱源為其保證工作溫度。
堿金屬熱電直接轉換器(AMTEC )是一種將堿金屬(鉀、鈉)作為工作介質的 能量轉換技術。它以陶瓷材料e "-AlA為離子選擇性滲透膜。AMTEC可直接將 太陽能、外部燃燒、放射性同位素、反應器熱源和余熱產生的熱能轉換成電能。 堿金屬工質(液態或氣態)在封閉循環系統中運行，其轉換過程特點為等溫膨脹/ 壓縮，等壓加熱，因此可獲得高效率。另外AMTEC具有潔凈無噪聲、設備結構緊湊、維護量小、適合分散布置的特點。因此既可以在火電站的前置循環使用，也 可單獨作為熱電站的發電機組用于工業發電，而且也可用于水下潛器作為安靜型 高能量密度的發電設備，和民用運輸工具。堿金屬熱電直接轉換器在工作時，其高溫端工作溫度在800-1200K,低溫端 工作溫度在400K-600K之間。當熱源為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，就會一直發電，如何合理有效的分配這些電 能使用也是一個問題。
發明內容本發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換器 (集成)都可以在要求的工作條件工作，進行能量的轉換和輸出，使用靈活的鈉 硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝置。 本發明的目的是這樣實現的它包括堿金屬熱電直接轉換器和鈉硫電池，堿金屬熱電直接轉換器的熱端連 接蓄熱器，堿金屬熱電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間保持導熱連接，它還包 括電控裝置，堿金屬熱電直接轉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換器有兩個輸出端，兩個輸出端口與電 控裝置相連，輸出端口A在負載處于低負荷工作時對鈉硫電池充電，輸出端口B 通過電控裝置向負載輸出電流；鈉硫電池一側的端口 C與電控裝置相連、用于堿 金屬熱電直接轉換器向鈉硫電池的充電輸入，端口 D與電控裝置相連向負載輸出 電流。本發明還可以包括1、 堿金屬熱電直接轉換器和鈉硫電池集合于外壁中，外壁外面設置保溫層， 所述堿金屬熱電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間保持導熱連接是在堿金屬熱 電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間設置有導熱材料層。2、 在導熱材料層的兩側設置多孔材料層。3、鈉硫電池置于真空保溫箱內，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，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換器的熱端連接，所述堿金屬熱電直接轉換 器的冷端與鈉硫電池之間保持導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。
本發明將鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器(AMTEC)集成一個新的能量系
統。該系統利用蓄熱器將熱源能量儲存起來，并進行合理的分配，使鈉硫電池(集
成)和堿金屬熱電直接轉換器(集成)都可以在要求的工作條件工作，進行能量
的轉換和輸出。此外，堿金屬熱電直接轉換器是一種產生電能的裝置，而鈉硫電
池是一種可充電池，為了合理分配電能該系統通過電控裝置控制AMTEC (集成)
在工作負載處于低消耗工作狀態時，將產生過多的電能輸送給鈉硫電池(集成)
儲存起來當工作負載處于高消耗工作狀態時，鈉硫電池(集成)和AMTEC (集
成)一起為負載提供動力。同時該電控裝置控制可控制電流輸出方式是并聯、串
聯是交流還是直流。這增加了系統在使用上更加靈活性。為實現上述的想法，準
備了兩種技術方案。
本系統充分利用鈉硫電池(集成)和堿金屬熱電轉換器(AMTEC)(集成)
的特點，通過兩種不同的方案提高了能量的利用率。并通過電控裝置控制電力的
并聯或串聯，直流或交流輸出。本系統可應用于各種船舶作為動力來源；可用于
垃圾焚燒發電，提高工業廢熱的利用^;可用于電力聯網作為城市照明供電使用。
(四)


圖1是本發明的第一種實施方式的連接結構示意圖。
圖2是本發明的第一種實施方式的的堿金屬熱電直接轉換器與鈉硫電池的 鏈接結構示意圖。
圖3是本發明的電控裝置示意圖。
圖4是本發明的第二種實施方式的連接結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1和圖2，本發明的第一種實施方式是蓄熱器1從熱源直接獲取熱量，并儲存起來。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)通過一種熱傳導連接器連接起來，如圖2所示。通過該連接器，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是導熱材料，該材料要求較高的導熱系數。如銅、鋁合金等零件14是多孔填充材料。該材料在導熱材料的兩側，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， 有較高的導熱性。該部分的作用保證熱源的穩定性，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間內得到保正。AMTEC (集成)有兩個輸出端，這兩個輸出端口在低溫端一側。兩個輸出端 口通過防熱導線經過連接器上的電線孔與電控裝置相連。AMTEC (集成)通過輸 出端口 A在負載處于低負荷工作時，完成對鈉硫電池(集成)充電的電量輸出； 端口 B通過電控裝置向負載輸出電流。鈉硫電池(集成) 一側的端口C通過防熱導線與電控裝置相連，完成AMTEC (集成)向鈉硫電池(集成)充電的輸入；端口 D通過電控裝置向負載輸出電流。 端口E是備用充電口，當AMTEC (集成)出現故障時，在鈉硫電池(集成)工作 環境溫度得到保證情況下，可用其他電力來源為鈉硫電池(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，所以任何一個端 口上的導線均為防熱導線。例如外部帶有隔熱陶瓷的導線。每根防熱電線內都包 含請參閱圖3所示，是方案中的電控裝置，該裝置負責電力的整體控制。 當只閉合開關2或3時，AMTEC (集成)或鈉硫電池(集成)可單獨為負載供電； 當負載處于工作低消耗時，閉合開關l，則通過連接端口 A和C完成AMTEC (集 成)向鈉硫電池(集成)充電過程；當負載處于工作高消耗時，同時閉合開關2 和3，則AMTEC (集成)和鈉硫電池(集成)可同時對負載進行電力供應。而且 可根據負載實際情況通過開關4和5選擇AMTEC (集成)和鈉硫電池(集成)是 并聯輸出，還是串聯輸出；最終可通過開關6選擇輸出直流或交流電，在負載需 要直流電時，閉合開關6可輸出直流電，當負載需要交流電時，可通過IGBT將 直流電轉為交流電輸出。當AMTEC (集成)出現問題時，不能及時對鈉硫電池(集 成)進行充電，則可通過開關7連接備用充電電源器，如太陽能發電設備，以保 證鈉硫電池(集成)正常向負載輸出電力。
結合圖4所示，本發明的第一種實施方式是
熱源直接為蓄熱器1提供熱量。蓄熱器1將獲得的熱量儲存起來，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 儲存起來。這樣降低了整個系統對熱源的而要求。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，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)的結構與方案一中的一致。 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) 通過連接器連接起來，這樣AMTEC (集成)與蓄熱器A的連接會有困難。同時應 保證連接器內部的填充材料有較大的導熱系數，例如利用金屬銅，這樣會提高造 價。
方案二使用設備種類較多，體積大，難以調控好蓄熱器A和蓄熱器熱量比例。 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限
制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉
本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的范圍內，當可利用上述揭示的技
術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上的實施例所作的任何簡單修改、等同變 化與修飾,均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1、一種鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝置，它包括堿金屬熱電直接轉換器和鈉硫電池，其特征是堿金屬熱電直接轉換器的熱端連接蓄熱器，堿金屬熱電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間保持導熱連接，它還包括電控裝置，堿金屬熱電直接轉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換器有兩個輸出端，兩個輸出端口與電控裝置相連，輸出端口A在負載處于低負荷工作時對鈉硫電池充電，輸出端口B通過電控裝置向負載輸出電流；鈉硫電池一側的端口C與電控裝置相連、用于堿金屬熱電直接轉換器向鈉硫電池的充電輸入，端口D與電控裝置相連向負載輸出電流。
2、根據權利要求1所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝 置，其特征是堿金屬熱電直接轉換器和鈉硫電池集合于外壁中，外壁外面設 置保溫層，所述堿金屬熱電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間保持導熱連接是 在堿金屬熱電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間設置有導熱材料層。
3、 根據權利要求2所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝 置，其特征是在所述導熱材料層的兩側設置多孔材料層。
4、 根據權利要求1所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝 置，其特征是鈉硫電池置于真空保溫箱內，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換器的熱端連接，所述堿金屬熱 電直接轉換器的冷端與鈉硫電池之間保持導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、 根據權利要求1-4任何一項所述的鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集 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
本發明提供的是一種鈉硫電池與堿金屬熱電直接轉換器集成能量裝置。它包括堿金屬熱電直接轉換器和鈉硫電池，它還包括電控裝置，堿金屬熱電直接轉換器與鈉硫電池的輸出、輸入端口與電控裝置相連，堿金屬熱電直接轉換器的熱端連接蓄熱器；堿金屬熱電直接轉換器有兩個輸出端，兩個輸出端口與電控裝置相連，輸出端口A在負載處于低負荷工作時對鈉硫電池充電，輸出端口B通過電控裝置向負載輸出電流；鈉硫電池一側的端口C與電控裝置相連、用于堿金屬熱電直接轉換器向鈉硫電池的充電輸入，端口D與電控裝置相連向負載輸出電流。本發明可應用于各種船舶作為動力來源；可用于垃圾焚燒發電，提高工業廢熱的利用率；可用于電力聯網作為城市照明供電使用。
文檔編號H02J7/32GK101604864SQ20091007252
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月17日 優先權日2009年7月17日
發明者周春良, 張寶嶺, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學