专利名称：钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种新型能量利用装置。具体地说是一种由钠硫电池(集成) 和碱金属热电转换器(AMTEC)(集成)的能量装置。
(二)
背景技术：
钠硫电池由熔融液态电极和固体电解质组成的。构成负极的活性物质是熔融 金属钠，构成正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐。陶瓷材料0 "-A1A作为固 体电解质兼隔膜。外壳则一般用不锈钢等金属材料。钠硫电池具有许多特色之处 比能量1高，其理论比能量为760W h Kg、实际已大于麵 h Kg-'，是铅酸 电池的3-4倍；可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA mf2, 并瞬时间可放出其3倍的固有能量；充放电效率高。由于采用固体电解质，所以 没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎 100%。
在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如 电站储能)应用，并越来越显示其优越性，如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK 公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰 平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出 来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段， 已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计， 年产钠硫电池电池量已超过IOOMW，同时开始向海外输出。
但是钠硫电池也有不足之处，钠硫电池工作时需要一定的温度保证，其工作 温度在580-630K。这样需要稳定的热源为其保证工作温度。
碱金属热电直接转换器(AMTEC )是一种将碱金属(钾、钠)作为工作介质的 能量转换技术。它以陶瓷材料e "-AlA为离子选择性渗透膜。AMTEC可直接将 太阳能、外部燃烧、放射性同位素、反应器热源和余热产生的热能转换成电能。 碱金属工质(液态或气态)在封闭循环系统中运行，其转换过程特点为等温膨胀/ 压縮，等压加热，因此可获得高效率。另外AMTEC具有洁净无噪声、设备结构紧凑、维护量小、适合分散布置的特点。因此既可以在火电站的前置循环使用，也 可单独作为热电站的发电机组用于工业发电，而且也可用于水下潜器作为安静型 高能量密度的发电设备，和民用运输工具。碱金属热电直接转换器在工作时，其高温端工作温度在800-1200K,低温端 工作温度在400K-600K之间。当热源为AMTEC高温端提供所需的热量保证后，还 有一定的热量剩余，通常这部分剩余热量得不到有效地利用。另外AMTEC低温端 也有较高的工作温度，通常情况下，低温端部分的热量也直接排出没有得到充分 的利用。如果将这两部分热量加以利用的话，就可以提高能量的利用率。而且 AMTEC只要保证热源充足的情况下，就会一直发电，如何合理有效的分配这些电 能使用也是一个问题。
发明内容本发明的目的在于提供一种能使钠硫电池(集成)和碱金属热电直接转换器 (集成)都可以在要求的工作条件工作，进行能量的转换和输出，使用灵活的钠 硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装置。 本发明的目的是这样实现的它包括碱金属热电直接转换器和钠硫电池，碱金属热电直接转换器的热端连 接蓄热器，碱金属热电直接转换器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接，它还包 括电控装置，碱金属热电直接转换器与钠硫电池的输出、输入端口与电控装置相 连，所述的碱金属热电直接转换器与钠硫电池的输出、输入端口与电控装置相连 的具体连接方式包括碱金属热电直接转换器有两个输出端，两个输出端口与电 控装置相连，输出端口A在负载处于低负荷工作时对钠硫电池充电，输出端口B 通过电控装置向负载输出电流；钠硫电池一侧的端口 C与电控装置相连、用于碱 金属热电直接转换器向钠硫电池的充电输入，端口 D与电控装置相连向负载输出 电流。本发明还可以包括1、 碱金属热电直接转换器和钠硫电池集合于外壁中，外壁外面设置保温层， 所述碱金属热电直接转换器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接是在碱金属热 电直接转换器的冷端与钠硫电池之间设置有导热材料层。2、 在导热材料层的两侧设置多孔材料层。3、钠硫电池置于真空保温箱内，所述的蓄热器包括第一蓄热器和第二蓄热 器，第一蓄热器与碱金属热电直接转换器的热端连接，第二蓄热器吸收第一蓄热 器余热再与真空保温箱相连。
3、 钠硫电池置于真空保温箱内，所述的蓄热器包括第一蓄热器和第二蓄热 器，第一蓄热器与碱金属热电直接转换器的热端连接，所述碱金属热电直接转换 器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接是第二蓄热器吸收第一蓄热器余热再与 真空保温箱相连。
4、 钠硫电池还包括备用充电端口 E。
本发明将钠硫电池与碱金属热电直接转换器(AMTEC)集成一个新的能量系
统。该系统利用蓄热器将热源能量储存起来，并进行合理的分配，使钠硫电池(集
成)和碱金属热电直接转换器(集成)都可以在要求的工作条件工作，进行能量
的转换和输出。此外，碱金属热电直接转换器是一种产生电能的装置，而钠硫电
池是一种可充电池，为了合理分配电能该系统通过电控装置控制AMTEC (集成)
在工作负载处于低消耗工作状态时，将产生过多的电能输送给钠硫电池(集成)
储存起来当工作负载处于高消耗工作状态时，钠硫电池(集成)和AMTEC (集
成)一起为负载提供动力。同时该电控装置控制可控制电流输出方式是并联、串
联是交流还是直流。这增加了系统在使用上更加灵活性。为实现上述的想法，准
备了两种技术方案。
本系统充分利用钠硫电池(集成)和碱金属热电转换器(AMTEC)(集成)
的特点，通过两种不同的方案提高了能量的利用率。并通过电控装置控制电力的
并联或串联，直流或交流输出。本系统可应用于各种船舶作为动力来源；可用于
垃圾焚烧发电，提高工业废热的利用^;可用于电力联网作为城市照明供电使用。
(四)
图1是本发明的第一种实施方式的连接结构示意图。
图2是本发明的第一种实施方式的的碱金属热电直接转换器与钠硫电池的 链接结构示意图。
图3是本发明的电控装置示意图。
图4是本发明的第二种实施方式的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1和图2，本发明的第一种实施方式是蓄热器1从热源直接获取热量，并储存起来。以保证AMTEC (集成)高温端的工作温度Tl (800-1200K). AMTEC (集成)由于外壁的直接导热，使其低温端 温度T3在400-600K。为了利用这些热量，可以将AMTEC (集成)与钠硫电池(集 成)通过一种热传导连接器连接起来，如图2所示。通过该连接器，可以保证钠 硫电池(集成)的正常工作温度。这样利用了AMTEC (集成)低温端的热量从而 提高能量的利用率。请参阅图2所示，是连接器，该部分作用是确保钠硫电池(集成)的工作温度。零件ll是保温层。其作用是减少热量的损失。可选择玻璃棉材料；零件12是连接器的外壁，使用普通的不锈钢即可；零件13是导热材料，该材料要求较高的导热系数。如铜、铝合金等零件14是多孔填充材料。该材料在导热材料的两侧，分别和AMTEC (集成) 和钠硫电池(集成)的两端直接接触。该部分的多孔填充材料要求空隙率适中， 有较高的导热性。该部分的作用保证热源的稳定性，即使在热源停止供热后，由 于多孔材料的特性，也可使温度在一定时间内得到保正。AMTEC (集成)有两个输出端，这两个输出端口在低温端一侧。两个输出端 口通过防热导线经过连接器上的电线孔与电控装置相连。AMTEC (集成)通过输 出端口 A在负载处于低负荷工作时，完成对钠硫电池(集成)充电的电量输出； 端口 B通过电控装置向负载输出电流。钠硫电池(集成) 一侧的端口C通过防热导线与电控装置相连，完成AMTEC (集成)向钠硫电池(集成)充电的输入；端口 D通过电控装置向负载输出电流。 端口E是备用充电口，当AMTEC (集成)出现故障时，在钠硫电池(集成)工作 环境温度得到保证情况下，可用其他电力来源为钠硫电池(集成)充电，以保证 钠硫电池(集成)正常的电力输出。由于AMTEC (集成)和钠硫电池(集成)均在高温下工作，所以任何一个端 口上的导线均为防热导线。例如外部带有隔热陶瓷的导线。每根防热电线内都包 含请参阅图3所示，是方案中的电控装置，该装置负责电力的整体控制。 当只闭合开关2或3时，AMTEC (集成)或钠硫电池(集成)可单独为负载供电； 当负载处于工作低消耗时，闭合开关l，则通过连接端口 A和C完成AMTEC (集 成)向钠硫电池(集成)充电过程；当负载处于工作高消耗时，同时闭合开关2 和3，则AMTEC (集成)和钠硫电池(集成)可同时对负载进行电力供应。而且 可根据负载实际情况通过开关4和5选择AMTEC (集成)和钠硫电池(集成)是 并联输出，还是串联输出；最终可通过开关6选择输出直流或交流电，在负载需 要直流电时，闭合开关6可输出直流电，当负载需要交流电时，可通过IGBT将 直流电转为交流电输出。当AMTEC (集成)出现问题时，不能及时对钠硫电池(集 成)进行充电，则可通过开关7连接备用充电电源器，如太阳能发电设备，以保 证钠硫电池(集成)正常向负载输出电力。
结合图4所示，本发明的第一种实施方式是
热源直接为蓄热器1提供热量。蓄热器1将获得的热量储存起来，为AMTEC (集成)高温端提供温度T1保证，Tl范围在800 K -1200K;由于钠硫电池(集 成)工作温度T2比碱金属热电直接转换器高温端温度Tl低，T2范围在573 K -623 K，所以为保证其工作温度，蓄热器2可以从蓄热器1剩余的热源获得热量，并 储存起来。这样降低了整个系统对热源的而要求。提高了热源的利用率。蓄热器 2与真空保温箱相连，钠硫电池(集成)至于真空保温箱内，这样更加确保了钠 硫电池(集成)的工作温度。
该方案中钠硫电池(集成)和AMTEC (集成)的结构与方案一中的一致。 该方案中的电控装置与方案一中的一致。电控装置电路请参阅图4 这两种方案比较一下就可以看出方案一AMTEC (集成)与钠硫电池(集成) 通过连接器连接起来，这样AMTEC (集成)与蓄热器A的连接会有困难。同时应 保证连接器内部的填充材料有较大的导热系数，例如利用金属铜，这样会提高造 价。
方案二使用设备种类较多，体积大，难以调控好蓄热器A和蓄热器热量比例。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限
制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉
本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技
术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何简单修改、等同变 化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1、一种钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装置，它包括碱金属热电直接转换器和钠硫电池，其特征是碱金属热电直接转换器的热端连接蓄热器，碱金属热电直接转换器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接，它还包括电控装置，碱金属热电直接转换器与钠硫电池的输出、输入端口与电控装置相连，所述的碱金属热电直接转换器与钠硫电池的输出、输入端口与电控装置相连的具体连接方式包括碱金属热电直接转换器有两个输出端，两个输出端口与电控装置相连，输出端口A在负载处于低负荷工作时对钠硫电池充电，输出端口B通过电控装置向负载输出电流；钠硫电池一侧的端口C与电控装置相连、用于碱金属热电直接转换器向钠硫电池的充电输入，端口D与电控装置相连向负载输出电流。
2、根据权利要求1所述的钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装 置，其特征是碱金属热电直接转换器和钠硫电池集合于外壁中，外壁外面设 置保温层，所述碱金属热电直接转换器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接是 在碱金属热电直接转换器的冷端与钠硫电池之间设置有导热材料层。
3、 根据权利要求2所述的钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装 置，其特征是在所述导热材料层的两侧设置多孔材料层。
4、 根据权利要求1所述的钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装 置，其特征是钠硫电池置于真空保温箱内，所述的蓄热器包括第一蓄热器和 第二蓄热器，第一蓄热器与碱金属热电直接转换器的热端连接，所述碱金属热 电直接转换器的冷端与钠硫电池之间保持导热连接是第二蓄热器吸收第一蓄热 器余热再与真空保温箱相连。
5、 根据权利要求1-4任何一项所述的钠硫电池与碱金属热电直接转换器集 成能量装置，其特征是钠硫电池还包括备用充电端口 E。
全文摘要
本发明提供的是一种钠硫电池与碱金属热电直接转换器集成能量装置。它包括碱金属热电直接转换器和钠硫电池，它还包括电控装置，碱金属热电直接转换器与钠硫电池的输出、输入端口与电控装置相连，碱金属热电直接转换器的热端连接蓄热器；碱金属热电直接转换器有两个输出端，两个输出端口与电控装置相连，输出端口A在负载处于低负荷工作时对钠硫电池充电，输出端口B通过电控装置向负载输出电流；钠硫电池一侧的端口C与电控装置相连、用于碱金属热电直接转换器向钠硫电池的充电输入，端口D与电控装置相连向负载输出电流。本发明可应用于各种船舶作为动力来源；可用于垃圾焚烧发电，提高工业废热的利用率；可用于电力联网作为城市照明供电使用。
文档编号H02J7/32GK101604864SQ20091007252
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者周春良, 张宝岭, 郑洪涛 申请人:哈尔滨工程大学