（輪機(jī)工程專業(yè)論文）amtec性能的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)M.pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換裝置( t h ea l k a l i m e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i c c o n v e r t e r ) ，簡寫為a m t e c ，是一種正處于研究階段的新型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。 a m t e c 利用堿金屬( 鋰、鉀、鈉) 作為工作物質(zhì)，b a s e ( ”a l ，d ；s o l i d e l e c t r o l y t e ) 作為介質(zhì)，這種陶瓷材料對離子是良導(dǎo)體，對電子幾乎是絕緣 體，這一點(diǎn)也是這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)。 a m t e c 技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的重視，在美國、日本和前蘇聯(lián)國 家，這項(xiàng)技術(shù)研究已取得了一定的成績，美國這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)計(jì)劃 用在航天器上。我國在a m t e c 技術(shù)領(lǐng)域的研究工作基本處于起步階段，但國 內(nèi)的相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)，目前已有生產(chǎn)廠家和研究院所生 產(chǎn)固體電解質(zhì)等相關(guān)材料，與這些生產(chǎn)廠家和研究院所開展技術(shù)合作，我們 就可以進(jìn)行這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究和推廣工作。 由于此項(xiàng)技術(shù)還沒有成熟，沒有相關(guān)的系統(tǒng)理論和整體的效率公式，各 個(gè)國家所進(jìn)行的研究也都是很初步的，進(jìn)行的探索主要有a m t e c 裝置所涉及 到的各個(gè)部件的理論模型和實(shí)驗(yàn)研究，以及在此基礎(chǔ)上的簡單實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí) 驗(yàn)研究。 本論文是針對課題組在研項(xiàng)目“熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)”的，所采用的理論 方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是在課題組現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)之上的。由于此項(xiàng)研究在相關(guān)領(lǐng) 域內(nèi)尤其是在國內(nèi)，還是一項(xiàng)較新技術(shù)，沒有相關(guān)的資料可以借鑒和消化， 加之a(chǎn) m t e c 技術(shù)涉及的不確定性因素太多，國內(nèi)外對h m t e c 系統(tǒng)都沒有一個(gè) 整體的理論模型和基本理論，論文作者對收集到的國外資料加以分析，逐步 消化，加上實(shí)際簡單模型的實(shí)驗(yàn)，得出了一系列結(jié)論，本文也正是在這個(gè)基 礎(chǔ)之上形成的。 本論文包括的主要內(nèi)容有： ( 】) b a s e 性能對a m t e c 轉(zhuǎn)換器的影響； 啥搴滾工程大學(xué)矮士學(xué)搜論文 b a s e 是a m t e c 裝爨中最基本的部件，整個(gè)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行也j l 三是基于b a s e 的獨(dú)特傳導(dǎo)特陡靜。本諗文獻(xiàn)徽蕊角度分聿斤了b a s e 酶繡梅及它澎成茯褥子導(dǎo) 體的原因；實(shí)驗(yàn)研究了影響b a s e 傳導(dǎo)特性的因豢，詳細(xì)闡明了在裝置遴行時(shí) 在b a s e 內(nèi)部發(fā)生的變化和熱穩(wěn)定性。 ( 2 ) 電極性能對a m t e c 轉(zhuǎn)換器的影響； 電極性能怒除b a s e 以夕 影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器性能的最關(guān)鍵因素之一。本論文 從實(shí)驗(yàn)稠理論兩個(gè)方露分析了影響電極性能的圍素，綜合已有研究刨造性的 提出了鼴適合與a m t e c 轉(zhuǎn)換裝鬣的電極成型方法，并綜合已有公式，分析了 a m t e c 輸出功攀與效率隨時(shí)闖變化的規(guī)律。 ( 3 ) 毛細(xì)性能對a m t e c 轉(zhuǎn)換器的影響： 耱牲豹毛纓性2 是完戲裝爨內(nèi)部工終麴矮 霪強(qiáng)豹撩要條 譬，本論文麓單 分析了材料的跑細(xì)性能及毛細(xì)芯的成型方法，在以后的研究中還要從嫩高的 是度上磺究毛綏經(jīng)爨磚裝置戇怒魏影嚷及各癸毫甥接瓣。 ( 4 ) 各個(gè)部件理論模型、設(shè)計(jì)性能及實(shí)驗(yàn)性能； 本論文售漆國努已竅部籜疆論公式，挺爨了逶臺(tái)本瀑題綴磺究拔濺豹部 件理論公式并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在以后的研究中隳提出一套最適合裝置的理論 模型。 本論文中從概念上設(shè)計(jì)了裝置中的集流器，冷凝器和蒸發(fā)器，并分析了 各個(gè)霞毹。 關(guān)鍵 霉：a m t e c 技術(shù)；b a s e ；奄援；安狻淫能；設(shè)計(jì)魏麓 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ea l k a l im e t a lt h e r m a lt oe l e c t r i c i t yc o n v e r t e r ( a m t e c ) i sav e r yn e w t e c h n o l o g yw h i c hb e i n gr e s e a r c h e di n t h ew o r l d t h i st e c h n o l o g yu s e sa l k a l i m e t a l ( s u c h a s l i t h i u m ，p o t a s s i u m a n ds o d i u m ) a st h e w o r k i n gf l u i d ， b a s e ( f l ”一4 屯q s o l i de l e c t r o l y t e ) a st h em e d i u m t h i st e c h n o l o g yi sb a s e do n t h eu n i q u ep r o p e r t i e so fb a s et h a ti sa ne x c e l l e n ti o n i cc o n d u c t o rb u tap o o r e l e c t r o nc o n d u c t o r ， t h e r ei sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ea m t e c ，i na m e r i c a 、j a p a na n d s o v i e tu n i o nc o u n t r i e s ，t h i st e c h n o l o g yh a so b t a i n e ds o m ed e v e l o p m e n t a m e r i c a p l a n s t ou s et h i st e c h n o l o g yi ns p a c e f l i g h t a l t h o u g ho u rc o u n t r yi sp r e l i m i n a r yi n t h ea m t e c t e c h n o l o g y ，t h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sg o o df o u n d a t i o n i no u rc o u n t r y t h e r ea r em a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hs c h o o l sc a l lp r o d u c et h e s o l i de l e c t r o l y t ea n do t h e rm a t e r i a l w ec a nc a r r yt h r o u g ha n de x t e n dt h i s t e c h n o l o g y s ol o n ga sw ec a r lc o r p o r a t ew i t ht h e s em a n u f a c t u r e r sa n ds c h o o l s b e c a u s et h i st e c h n o l o g yi sn o tm a t u r e ，t h e r ei sn oc o r r e l a t i v es y s t e m i ct h e o r y a n du n i t a r ye f f i c i e n c ye x p r e s s i o n s ，t h er e s e a r c ho ft h ec o u n t r i e si sa l s op r i m a r y t h ea t t e m p t sa r e t or e s e a r c ht h e c o m p o n e n t s m o d e lo fa m t e ca n dt h e e x p e r i m e n t r e s e a r c h t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c t t h et h e r m a lt oe l e c t r i c i t yd i r e c t l y t e c h n o l o g y ”o fo u rw o r k g r o u p ，t h ea d o p t i v et h e o r e t i cm e t h o da n d t e s te q u i p m e n t a r eb a s e do nt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n b e c a u s et h i s r e s e a r c hw o r ki sa d v a n c e d r e l a t i v e l y ，e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y ，t h e r ei sn o c o r r e l a t i v eb a s et h e o r yd a t u mt o u s ef o rr e f e r e n c ea n da s s i m i l a t i o n ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ea r es om a n y u n c e r t a i n f a c t o ri n v o l v e di nt h i st e c h n o l o g y ，t h e r ei sn oi n t e g e rt h e o r e t i cm o d e la n db a s e t h e o r y t h ea u t h o ro f t h i sp a p e rc o l l e c t e da n da n a l y z e dt h ec o r r e l a t i v em a t e r i a l ， m a d et h ee x p e r i m e n to f t h ea c t u a lm o d e l ，d e d u c eas e r i e sc o n c l u s i o n ，t h ep a p e ri s b a s e do nt h i s t h i sp a p e ri n v o l v e dt h e s ec o n t e n t ： ( 1 ) t h e p e r f o r m a n c eo f b a s e a n dt h ee f f e c to f o nt h ea m t e c ； 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 b a s ei st h em o s te s s e n t i a lc o m p o n e n ti nt h ea m t e c ，t h ec i r c u l a t eo f t h e a m t e ci sa l s ob a s e do nt h ep a r t i c u l a rc o n d u c tc h a r a c t e r i s t i co f t h eb a s e t h i s w o r ka n a l y z e dt h em i c r o m a c h i n e r yo ft h eb a s e a n dh o wt om a k et h eb a s eb e g o o d i o n c o n d u c t o r ；i n v e s t i g a t e d t h ef a c t o r sw h i c h a f f e c tt h ec o n d u c t c h a r a c t e r i s t i co ft l l eb a s e e x p l a i n e dt 1 1 ec h a n g eo ft h eb a s e w h e nt h ea m t e c w o r k i n g ，e x p l a i n e dt h et h e r m a ls t a b i l i t yo f t h e b a s e ( 2 ) t h e p e r f o r m a n c eo f t h ee l e c t r o d ea n d t h ee f f e c to fi to nt h ea m t e c ； t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o d ei st h em o s te s s e n f i a lc o m p o n e n te x c e p tt h e b a s ew h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea m t e c 1 1 1 i sw o r ka n a l y z e dt h e f a c t o r sw h i c ha f f e c tm e p e r f o f i n a n c e o ft h ee l e c t r o d e t h e o r e t i c a l l y m a d e x p e r i m e n t a l l y ，s y n t h e s i z e d t h ee x i s tr e s e a r c h , p u tf o r w a r dh o w t om a k ee l e c t r o d e t of i tt h ea m t e c ，b a s e do nt h ee x i s tf o r m u l a ，a n a l y z e dt h ec h a n g er u l eo ft h e p o w e r a n d e 街c i e n c y o f t h ea m t e c ( 3 ) t h e c a p i l l a r yp e r f o r m a n c ea n d t h ee f f e c to fi to nt h ea m t e c ； t h ec a p i l l 撕t vo fm a t e d a ii so n eo ft h ee s s e n t i a lc o n d i t i o nw h i c hc o m p l e t e t h ec i r c u l a t i o no ft h e w o r k i n gl i q u i d t 1 1 i s w o r ka n a l y z e dt h e c a p i l l a r i t y o f m a t e r i a la n dh o wt om a k e c a p i l l a r y w i c k ( 4 ) 1 1 1 en u m e r i cm o d e l 、d e s i g na n d e x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e o ft h e a m t e c s c o m p o n e n t s ； 1 1 1 i sw o r ku s et h ee x i s tc o m p o n e n tt h e o r ym o d e lf o rr e f e r e n c e ，p u tf o r w a r d t h e c o m p o n e n tt h e o r y m o d e lt om e e tt h ea c t u a ld e m a n d ，a n dp r o v e dt h e c o r r e c t n e s so ft h em o d e l ，i nt h el a t t e r s t u d y ，w ew i l lb r i n gf o r w a r dt h e m o s t c o m p a t i b l et h e o r y m o d e l t h i sw o r k d e s i g n e d t h ec u r r e n tc o l l e c t o r 、o n d e n s e r 、e v a p o r a t o rc o n c e p t u a l l y i na d d i t i o n a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ec o m p o n e n t s k e y w o r d ：a m t e c ；b a s e ；e l e c t r o d e ；e x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e ： d e s i g np e r f o r m a n c e ；一一i ；墮璽鎏翟塾耋墜鯊塞；一一；。；一。 第1 章緒論 1 1 研究目的及意義 a m t e c ( 堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換) 技術(shù)是世界上科技發(fā)達(dá)國家開展研究 的一項(xiàng)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，a m t e c 裝置既可作為現(xiàn)有火電站的前置循環(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，它既可用于航天器、水下潛器 作為安靜型高能量密度的發(fā)電設(shè)備，也可作為蓄熱轉(zhuǎn)換器用于民用運(yùn)輸工 具。它的研究開發(fā)將帶動(dòng)一系列相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的研究與發(fā)展，它的應(yīng)用將 帶來電力工業(yè)與動(dòng)力工業(yè)的一場革命。因此，本項(xiàng)目的研究對電力工業(yè)、動(dòng) 力技術(shù)的發(fā)展和新能源利用具有重要的意義。 a m t e c 裝置可以與高溫蓄熱器相結(jié)合構(gòu)成蓄熱式熱電直接轉(zhuǎn)換裝置。 這種裝置能量密度高( o 2 o 5 k w h k g ) ，它既無體積重量變化，也無噪聲 和排放物，它既可用于水下作戰(zhàn)平臺(tái)作為不依賴于空氣的動(dòng)力源來使用，也 可用在航天器上作為太陽能轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)充能源來使用。因此，本項(xiàng)技術(shù)研究 對水下作戰(zhàn)平臺(tái)、水下安靜型潛器和航天飛行器的動(dòng)力技術(shù)發(fā)展具有重要的 意義。 對a m t e c 的開發(fā)和以后的應(yīng)用主要有： ( 1 ) 太陽能系統(tǒng)開發(fā)，其中包括利用太陽能作為a m t e c 的轉(zhuǎn)換器的 熱源，把a(bǔ) m t e c 轉(zhuǎn)換器用在航天器種，作為航天器的自維持能源。 ( 2 ) 小型的a m t e c 轉(zhuǎn)換器作為傳統(tǒng)原電池和蓄電池的替代品，可以 減少傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用時(shí)而帶來的環(huán)境污染，延長轉(zhuǎn)換器的使用壽命。 ( 3 ) 作為未來行星探索任務(wù)的航天器的能源系統(tǒng)，把放射性同位素衰 變產(chǎn)生的能量作為a m t e c 的熱源，設(shè)計(jì)更適合于航天器的a m t e c 能量系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用新材料，從而達(dá)到航天任務(wù)的要求。 ( 4 )以核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量作為a m t e c 能量系統(tǒng)的熱源，應(yīng)用于各 種系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)是以堿金屬鈉作為反應(yīng)堆的冷卻劑和傳熱介質(zhì)，網(wǎng)時(shí)鈉 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 又作為a m t e c 系統(tǒng)中的堿金屬； 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國內(nèi)方面 在國內(nèi)進(jìn)行a m t e c 技術(shù)研究的單位很少，可供查詢的資料也很少，這 也表明國內(nèi)研究落后于國外，因此我們有必要開展此項(xiàng)研究，爭取早日改變 這種現(xiàn)狀。 1 2 2 國外方面 1 9 6 2 年美國福特汽車公司在依賴b a s e 的獨(dú)特電性質(zhì)的鈉硫電池發(fā)展 過程中，首先采用了熱動(dòng)力的鈉濃縮電池，這種新的裝置叫做鈉熱機(jī)或堿金 屬熱電轉(zhuǎn)換裝置( a m t e c ) 。a m t e c 可與傳統(tǒng)熱機(jī)相媲美，這也是a m t e c 的雛形。 w e b e r 在1 9 7 4 年正式提出了堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換( a m t e c ) 的技術(shù)， a m t e c 利用堿金屬( 在此論文中我們以鈉作為研究的堿金屬，事實(shí)上由于 堿金屬鈉的最適合于此項(xiàng)技術(shù)，所進(jìn)行的研究多數(shù)針對鈉，論文中也以鈉作 為研究對象) 離子在壓力差的作用下沿b a s e 的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)熱電的轉(zhuǎn)換，是一 種熱重復(fù)性的電化學(xué)轉(zhuǎn)換器。a m t e c 技術(shù)正處于發(fā)展過程中，實(shí)驗(yàn)裝置得 到的轉(zhuǎn)換效率為1 9 ，對系統(tǒng)的分析證明效率在近期內(nèi)可達(dá)3 0 ，超過3 5 也是可能的。 隨著a m t e c 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，蒸氣陽極多管a m t e c 的制造、測試、 性能都有了進(jìn)步，以適合航天和陸地的應(yīng)用。美國計(jì)劃把這種能源系統(tǒng)用在 木z - - 探測及冥王星快速通道計(jì)劃( p l u t o e x p r e s s ，p x ) 中。本衛(wèi)二和p x 航 天器中的a m t e c 能源系統(tǒng)計(jì)劃壽命分別為7 年和1 0 1 5 年。 a m t e c 在地面應(yīng)用有：偏遠(yuǎn)地區(qū)的便攜式能量供應(yīng)系統(tǒng)、廢熱發(fā)電系 統(tǒng)、能量自補(bǔ)給型加熱爐、多次充電式轉(zhuǎn)換器、跨國運(yùn)輸?shù)?。綜合地說， 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a m t e c 可用以交通、運(yùn)輸工具、通訊中轉(zhuǎn)站、氣象設(shè)備、度假區(qū)、建筑工 地等多種場合。 1 9 8 3 年a m t e c 的工作原理得到進(jìn)一步完善，而a m t e c 的研究工作在 二十世紀(jì)九十年代開始在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，參與研究的主要國家有美國、 日本、前蘇聯(lián)國家。 美國的主要研究機(jī)構(gòu)有： ( 1 ) j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b ) ，主要研究工作有a m t e c 系統(tǒng)及其部件的性 能和制造； ( 2 ) a m p s ( a d v a n c e d m o d u l a rp o w e r s y s t e m s ) ，主要研究成果是制造并 測試了p x 系列a m t e c 轉(zhuǎn)換器單元； ( 3 ) a f e l ( a i r f o r c er e s e a r c hl a b ) ，主要進(jìn)行a m t e c 的各種性能。 1 3 本論文的主要研究內(nèi)容 本論文旨在建立a m t e c 轉(zhuǎn)換器各個(gè)部件的理論模型，并利用現(xiàn)有設(shè)備 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有a m t e c 轉(zhuǎn)換試驗(yàn)臺(tái)、磁控真空濺射 鍍膜設(shè)備、激光加工設(shè)備以及一些檢測手段。主要包括分析a m t e c 轉(zhuǎn)換器 的整體性能和各個(gè)部件特性分析，其中部件分析包括：b a s e ( 4 一爿f ，0 ； s o l i de l e c t r o l y t e ) 工作原理及影響因素；電極制作及性能影響因素；毛細(xì)芯 制作及性能；集流器的制作和性能；蒸發(fā)器的模型及性能分析；冷凝器的結(jié) 構(gòu)及性能分析；殼體性能對轉(zhuǎn)換器的影響；熱源的類型及性能分析；幾何形 狀對轉(zhuǎn)換器性能的影響。 對于上述各項(xiàng)工作，主要采用利用現(xiàn)有模型和實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，得 出一些重要結(jié)論并提出對以后科研有指導(dǎo)意義的建議。 ；一；絲鎏三壟絲至圭蘭l ! ：l ：圣；一；。； 第2 章a m t e c 基本理論 2 1a m t e c 工作原理 a m t e c 轉(zhuǎn)換器是熱可再生性的電化學(xué)熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，它利用堿金 屬( 實(shí)際的研究中多采用液態(tài)鈉作為工作物質(zhì)，也可以采用鋰和鉀作為工作 物質(zhì)，在本論文中以堿金屬鈉作為研究對象，在文章中沒有特別指出的情況 下，堿金屬特指鈉) 作為工作物質(zhì)，固體電解質(zhì)b a s e ( 盧”一a i 。0 ；s o l i d e l e c t r o l y t e ) 作為離子導(dǎo)體，這種裝置的工作基礎(chǔ)是b a s e 為堿金屬離子的良 導(dǎo)體，是電子的不良導(dǎo)體。 b a s e ( 本論文中所研究的b a s e 主要針對圓管狀的b a s e ，在本論文中， 除了特殊指出以外，b a s e 即為管狀) 兩表面分別鍍上多孔電極材料，陽極接 觸高壓區(qū)，陰極接觸低壓區(qū)，電極提供電子的傳輸通道，液態(tài)鈉進(jìn)入到轉(zhuǎn)換 器熱端區(qū)域，吸收外加能量溫度，由于沿b a s e 壁的熱動(dòng)力勢差和壓差，鈉原 子在陽極和b a s e 交界面處電離： n a _ n a + + e 一 ( 2 1 ) 鈉離子在沿b a s e 的壓差作用下從陽極( a n o d e ) 沿b a s e 絕熱擴(kuò)散到陰極 ( c a t h o d e ) ，電子通過外部負(fù)載產(chǎn)生電流做功，之后到達(dá)陰極與b a s e 交界面 處的鈉離子中和形成鈉原子： n a + + e 一_ n a 4 ( 2 2 ) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1a m t e c 工作原理圖 中性鈉原子離開多孔電極后，形成鈉蒸氣，在冷凝器處釋放凝固潛熱而凝固， 幾乎整個(gè)溫度降低都發(fā)生在低壓蒸氣區(qū)，冷卻的液態(tài)鈉由毛細(xì)芯的毛細(xì)作用 返回到高溫蒸發(fā)器區(qū)，b a s e 管的溫度比蒸發(fā)器溫度稍高，以防止鈉蒸氣在 b a s e 管內(nèi)凝固，造成短路等問題。a m t e c 工作原理如圖2 1 所示。 2 2a m t e c 的特點(diǎn)分析 a m t e c 屬于靜止能量轉(zhuǎn)換，它直接把熱能轉(zhuǎn)換成電能。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能 量轉(zhuǎn)換是依靠部件的運(yùn)動(dòng)來完成能量轉(zhuǎn)化，而靜態(tài)能量轉(zhuǎn)化則不涉及部件的 運(yùn)動(dòng)。 a m t e c 是一個(gè)有熱重復(fù)性的電化學(xué)裝置，熱重復(fù)性是指工作流體的熱 量在一個(gè)工作循環(huán)以后不離開系統(tǒng)，而不像內(nèi)燃機(jī)那樣在工作循環(huán)以后一些 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 熱量隨廢氣排出系統(tǒng)，工作流體的熱量在下一個(gè)循環(huán)中得以重復(fù)利用( 實(shí)際 是工作流體自我循環(huán)) ，從而提高了系統(tǒng)的總效率。這個(gè)系統(tǒng)利用堿金屬( 鋰， 鈉，鉀) 作為工作物質(zhì)，電化學(xué)過程包括堿金屬原子在電極和電解質(zhì)的表面 電離，產(chǎn)生的電子通過外部負(fù)載，作功并最終在另一個(gè)電極上與鈉離子中和， 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比有很多優(yōu)勢，這些優(yōu)勢中有一些 屬于靜止能量轉(zhuǎn)換所共有的，其它的則是a m t e c 技術(shù)所特有的： ( 1 ) 高效率：這是最重要的一個(gè)優(yōu)勢，a m t e c 有很高的效率，理論上 可以接近卡諾循環(huán)效率，在高溫端溫度1 0 0 0 1 3 0 0 k ，低溫端溫度4 0 0 7 0 0 k ， a m t e c 的最高理想效率可達(dá)4 0 。 ( 2 ) 高能量密度：a m t e c 有高的能量密度，計(jì)算能量密度1 9 8 w k g 已經(jīng)達(dá)到并且有望達(dá)到o 5 k w k g 。 ( 3 ) 由于沒有運(yùn)動(dòng)部件減少了摩擦、磨損、斷裂和噪聲問題，使得 a m t e c 成為免維護(hù)裝置，一旦系統(tǒng)運(yùn)行起來，很少甚至不需要外界的介入。 ( 4 ) 由于沒有化學(xué)反應(yīng)和運(yùn)動(dòng)部件，a m t e c 的可靠性很高。 ( 5 ) 雖然a m t e c 是高溫運(yùn)罩亍裝置，但其所應(yīng)用的材料都可以很容易的 得到，a m t e c 轉(zhuǎn)換器也可以在一個(gè)很經(jīng)濟(jì)的水平下制造得到。 ( 6 ) a m t e c 運(yùn)行的高溫度允許其可與其它的發(fā)電裝置相串聯(lián)，其它裝 置的排熱端與a m t e c 的熱端相連，效率比單個(gè)裝置高。 ( 7 ) a m t e c 通常輸出高電流強(qiáng)度，低電壓的電能，a m t e c 轉(zhuǎn)換器適 于模塊化設(shè)計(jì)，這就意味著由小的轉(zhuǎn)換器可以組成很大規(guī)模的能量系統(tǒng)。 2 3 a m t e c 現(xiàn)存局限 雖然m t e c 技術(shù)有前面所提到的很多優(yōu)勢，但存在一些問題，其中的 一個(gè)問題就是不能得到令人滿意的效率，這個(gè)問題是由設(shè)計(jì)原因引起的；另 一個(gè)問題就是轉(zhuǎn)換器輸出能量隨時(shí)間的減少，在國外a m t e c 模型中， a m t e c 轉(zhuǎn)換器輸出功率由1 7 2 h 的2 4 5 w 經(jīng)過1 8 0 0 0 h 降低到1 2 7 w ，輸出 功率的減少也意味著轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率的降低，這個(gè)問題妨礙了轉(zhuǎn)換器在對長 6 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 時(shí)間運(yùn)行有最低量要求的場合的應(yīng)用，包括遙遠(yuǎn)太空開發(fā)和偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用。 2 4a m t e c 的組成結(jié)構(gòu) a m t e c 的主要結(jié)構(gòu)有：b a s e ，電極，集流器，蒸發(fā)器，毛細(xì)芯( 液態(tài) 鈉回流通道) ，冷凝器，隔熱器，殼體，熱源。這些組成結(jié)構(gòu)中，b a s e 和 電極是影響a m t e c 性能的最主要的因素，對它們的研究和開發(fā)也一直是研 究者們的主要工作。 2 5a m t e c 的分類 a m t e c 的分類標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種，按照堿金屬元素在b a s e 內(nèi)部存在的 狀態(tài)，可以將a m t e c 分成液陽極a m t e c 和氣陽極a m t e c ；按照a m t e c 內(nèi)部b a s e 的數(shù)目不同可以將a m t e c 分成單管a m t e c 和多管a m t e c ， 按照熱源的類型，可以將a m t e c 分為常規(guī)熱源a m t e c 和非常規(guī)熱源 a m t e c 。 啥爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章a m t e c 整體性能分析 3 1 單管a m t e c 轉(zhuǎn)換器性能分析 3 ，1 1 單管液陽極a m t e c 轉(zhuǎn)換器性能分析 單管液陽極a m t e c 轉(zhuǎn)換器是世界上最早進(jìn)行研究的，液陽極主要是指 鈉在轉(zhuǎn)換器陽極處的狀態(tài)是液態(tài)，這種轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)就是： ( 1 ) 裝置結(jié)構(gòu)簡單( 省去了氣陽極通常都采用的集流器和一層電極) ； ( 2 ) 能量密度高( 由于鈉在液態(tài)時(shí)鈉離子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于它在氣態(tài)時(shí)的密 度) ； ( 3 ) 由液態(tài)鈉導(dǎo)致的短路問題難以較好的解決。 從以上的分析可以看出，只要我們較好地解決了轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的短路問題， 液陽極a _ m t e c 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢可以更好的體現(xiàn)出來。 圈3 1 液陽極a m t e c 工作原理圖 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 2 解決短路問題示意圖 如圖3 2 所示，在b a s e 管下部設(shè)置一個(gè)排出液態(tài)鈉的部件，當(dāng)液態(tài)鈉 沿b a s e 管向下流動(dòng)時(shí)，為了防止液態(tài)鈉造成轉(zhuǎn)換器陽極與轉(zhuǎn)換器壁之間的 短路問題( 接地) ，在b a s e 管下部設(shè)置一個(gè)排鈉部件，這個(gè)部件同b a s e 管支撐體和轉(zhuǎn)換器壁之間是絕緣的，從而避免了短路。這種設(shè)計(jì)方式只是解 決短路的一種設(shè)想，隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化，解決的方法也會(huì)隨之優(yōu)化。 31 2 單管氣陽極a m t e o 轉(zhuǎn)換器的性能分析 與單管液陽極a m t e c 轉(zhuǎn)換器相比較，液陽極a m t e c 沒有短路問題， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量密度低。與液陽極a m t e c 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行進(jìn)一步比較，國外 研究傾向于氣陽極，他們認(rèn)為只要把氣陽極a m t e c 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 就可以解決結(jié)構(gòu)問題，因?yàn)樵谝宏枠Oa m t e c 轉(zhuǎn)換器中鈉的狀態(tài)我們難以精 確控制，加之解決液陽極a m t e c 轉(zhuǎn)換器短路問題的裝置在真空條件下很難 保證與轉(zhuǎn)換器其它部件完全絕緣，又考慮到轉(zhuǎn)換器對輸入熱源的適應(yīng)性( 我 們在后面會(huì)加以分析) ，論文作者認(rèn)為氣陽極更具有優(yōu)勢。圖3 - 3 是氣陽極 a m t e c 轉(zhuǎn)換器的一個(gè)典型結(jié)構(gòu)。 9 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 3 氣陽極a m t e c 結(jié)構(gòu)簡圖 3 2 多管氣陽極a m t e c 整體性能分析 一般來說，多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器也可以有兩種形式，那就是液陽極和氣 陽極，但是由于多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解決液陽極所固有的短路 問題是極其困難的，所以多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器都設(shè)計(jì)成氣陽極形式。氣陽極 a m t e c 轉(zhuǎn)換器的主要結(jié)構(gòu)有：蒸發(fā)器、毛細(xì)芯、冷凝器和隔熱裝置其它的 結(jié)構(gòu)在前邊的論述中都已說明。我們在第四章就各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)分析。 多管蒸氣陽極a m t e c 所具有的特點(diǎn)是： ( 1 ) 輸出電流大，由于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部將各個(gè)b a s e 管串聯(lián)起來，所以多 管a m t e c 轉(zhuǎn)換器所輸出的電流較單管a m t e c 轉(zhuǎn)換器要高得多，不僅可直 接用在需要大電流電能的場合，還可以利用中間轉(zhuǎn)換裝置將此大電流電能轉(zhuǎn) 換成高電壓的電能，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸和更為廣泛的應(yīng)用； ( 2 ) 轉(zhuǎn)換效率高，由于轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)防止熱量損失的裝置， 使得更多的熱量可以轉(zhuǎn)換成電能，從而使得整個(gè)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率增大； ( 3 ) 能量密度低，由于同樣是氣陽極轉(zhuǎn)換器，所以轉(zhuǎn)換器的能量密度 比液陽極轉(zhuǎn)換器要低； ( 4 ) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，由于多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器內(nèi)需布置較 多的裝置用來解決短路和熱損失等問題，使得多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)比 單管a m t e c 轉(zhuǎn)換器要復(fù)雜得多，由此帶來的不確定性因素影響到了轉(zhuǎn)換器 的可靠性，這也是此項(xiàng)研究的困難所在。 但是隨著高性能材料和研究的進(jìn)一步深入，多管a m t e c 中所涉及到的 困難會(huì)得以解決，此類型轉(zhuǎn)換器也會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)計(jì) 1 0 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 劃將多管a m t e c 轉(zhuǎn)換器用到各種航天器上，傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換概念也經(jīng)歷著 前所未有的轉(zhuǎn)變。 ；鱉三堡奎蘭i 些耋! 塞i l 鎏；。； 第4 章部件模型分析 4 1b a s e 性能對轉(zhuǎn)換器效率的影響 4 1 1b a s e 的工作原理 b a s e 是一種致密的微晶粒燒結(jié)陶瓷，如圖4 1 所示。1 3 “一a 1 ：o ，是按比 例組成的化合物，它的結(jié)晶形狀為六方體，是尖晶石層與n a o 層相互交錯(cuò)疊 和而成的。其中- a i ：o ，又稱三基塊鄺一2 0 ，又稱二基塊。在導(dǎo)電層( n a 0 ) 中，由于離子( n a + 及0 2 一) 的松散分布而出現(xiàn)了許多間隙，成為米氏晶面，使 n a + 能沿( n a o ) 圖4 ib a s e 結(jié)構(gòu)圖 2 ；一；墮絲鱉鐾鱉堡圭箜窒蘭鎏；一；一； ； 圖4 2b a s e 位置及a m t e c 簡單原理圖 層移動(dòng)。而在由四層離子最密程度填充的尖晶石層( a b c a ) 中，其間隙有a l “ 進(jìn)入而不存在n a + 的通道，故d ”一a i ，o ，對n a + 的傳導(dǎo)有很強(qiáng)的各相異性。 b a s e 把a(bǔ) m t e c 分成兩個(gè)部分：高溫( 9 0 0 1 3 0 0 k ) 、高壓( 1 0 1 0 0 p a ) ， 低溫( 4 0 0 7 0 0 k ) 、低壓( 小于5 0 帕) ，b a s e 只允許鈉離子通過，而鈉原 子和電子不能通過。 b a s e 是a m t e c 轉(zhuǎn)換器中一個(gè)最重要的部件，如圖4 2 所示。a m t e c 轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行正是基于1 3 一a 1 ，o ，的獨(dú)特傳導(dǎo)特性的，b a s e 性能的任何改變 都可以顯著的影響能量輸出。事實(shí)上，在a m t e c 運(yùn)行過程中b a s e 的材料 和傳導(dǎo)特性正在發(fā)生變化，這些變化可以分為熱分解、化學(xué)污染。熱分解所 表現(xiàn)的形式有：材料中鈉的損失、材料中熔化的樹枝狀晶體的形成、裂紋的 產(chǎn)生和擴(kuò)散、顯微組織的變化。電解質(zhì)中鈉元素的損失可以導(dǎo)致b a s e 離子 阻抗的增加，熔化樹枝狀晶體在b a s e 厚度方向的形成導(dǎo)致陰陽極之間的電 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 流斷流從而減小外部負(fù)載中的電流，裂紋的產(chǎn)生可以使鈉蒸氣從高壓區(qū)不經(jīng) 過電離直接流到低壓區(qū)，這又使經(jīng)過外部負(fù)載的電子減少，像晶粒增長之類 的微觀組織變化可使b a s e 的離子阻抗增加?；瘜W(xué)污染是指鈉蒸氣在高溫高 壓條件下同轉(zhuǎn)換器中不銹鋼材料的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入到液態(tài)鈉中 或沉積在b a s e 的表面，阻塞b a s e 的毛細(xì)孔或進(jìn)入到其陶瓷結(jié)構(gòu)中，沉積 到b a s e 結(jié)構(gòu)的晶粒邊界或取代結(jié)構(gòu)中的離子，所有這些情況都可以導(dǎo)致 b a s e 離子阻抗的增加，因此b a s e 的變化減小了轉(zhuǎn)換器的輸出能量。 4 1 2b a s e 的熱穩(wěn)定性 在a m t e c 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行過程中，當(dāng)溫度高于9 7 3 k ，特別是在高于1 2 3 3 k 時(shí)，p a 1 ，o ，中n a o ，的含量會(huì)減少。實(shí)驗(yàn)證明，a m t e c 轉(zhuǎn)換器在真空環(huán) 境下運(yùn)行1 0 0 一5 0 0 小時(shí)，溫度到達(dá)1 2 7 3 k 時(shí)，p 。一a i ：o ，由于n a o ，的減少 會(huì)轉(zhuǎn)變成o r 一a 1 ，o3 。在溫度低于1 6 0 0 k 時(shí)，p a i ，o ，、p 一a i ，o ，和 0 【一a i ，o ，之間的轉(zhuǎn)變是非常緩慢的，在溫度低于1 2 0 0 k 時(shí)，這種轉(zhuǎn)變是可 以忽略的。當(dāng)b a s e 表層轉(zhuǎn)化成a a 1 ，o ，的厚度達(dá)到l n m 時(shí)，b a s e 對n a + 的阻抗會(huì)明顯增大，n a + 的傳輸速度的減慢會(huì)直接降低轉(zhuǎn)換器的輸出電流， 整個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出功率會(huì)明顯減小。 4 2a m t e c 電極分析 4 ，2 1 a m t e c 電極涂覆技術(shù) a m t e c 電極通常采用鍍膜的方法制造，常用的方法有：真空蒸發(fā)鍍膜 法、磁控濺射鍍膜方法、金屬粉末涂覆法。 真空蒸發(fā)鍍膜法是把b a s e 材料置于高溫金屬蒸氣環(huán)境下，將膜材置于 真空室中，通過蒸發(fā)源加熱使其蒸發(fā)?？臻g氣體分子的平均自由程大于真空 室的線性尺寸以后，蒸氣的原子或分子從蒸發(fā)源表面逸出，很少與其它分子 或原子碰撞，可直接到達(dá)被鍍的b a s e 基片表面上，凝結(jié)后形成薄膜。從而 形成兩電極。此種方法過程簡單，但涉及到的化學(xué)反應(yīng)容易污染b a s e ，產(chǎn) 1 4 跨爾濱工程大學(xué)矮學(xué)使論文 生前邊所述的種種缺陷。 磁控濺射鍍貘方法是把b a s e 栝瓣簧予一定靜真警環(huán)壤下，再商忿環(huán)境 中充入惰性氣體，裝鬣中的電子槍產(chǎn)生電子，電子在電場的作用下運(yùn)動(dòng)，在 運(yùn)動(dòng)的過程中充入的惰往氣律分子發(fā)生碰撞惰性氣體分子電離出正豹離予， 然后此離子又在電場的f 乍用下崗速轟擊靶材表面，使靶材發(fā)生濺射，濺射離 子在磁場和電場的雙熏作用下沉積到b a s e 襲箍，形成電極。此種鍍膜方法 具有離速、低激、低損傷等優(yōu)點(diǎn)，但容易形成鍍膜過于致密，使鈉離子通過 時(shí)的阻抗增加，從而影響a m t e c 的轉(zhuǎn)換效率。 金屬粉末涂疆法怒把金屬粉末用裊譬接裁刷譙b a s e 表面，然后在特定的 氣體環(huán)境中進(jìn)行加熱、保溫，使金屬粉米在b a s e 表面形成均勻的多孔電極。 這秘方法的特點(diǎn)是過穰麓單，彤成熬彀極孔綴率容易達(dá)到要求，缺點(diǎn)楚據(jù)熱 和保瀨過程主鼴在氫氣之類的環(huán)境下進(jìn)行，有爆炸的髖險(xiǎn)性。 濺魅鍍驥楚裂震濺射現(xiàn)象米達(dá)到鍘敬各秘薄貘的爨鶼，鄯在囊空黧中利 用荷能離子轟疆靶材襲面，使被轟擊出的粒子在基底上沉積的技術(shù)。它與真 空蒸鍍耀進(jìn)套戮下且令特熹： ( 1 ) 濺射鍍膜是依靠動(dòng)墩交換作用使固體材料的原子，分子進(jìn)入氣相， 濺射楚豹粒予平均髓爨縫為1 0 e v ，離予囊空蒸發(fā)粒子麴t 0 0 德左右，滋積在 基底表顧上之后，尚有足夠的勸能在熬底表面上遷移，因而膜層質(zhì)量較好， 與基殘結(jié)臺(tái)率戳。 ( 2 ) 任何材料都能濺射鍍膜，材料濺射特性差別不如其蒸發(fā)特性的差 羯大，幫使裔絡(luò)點(diǎn)材辯氌可醴避行濺射，對予食金，詫合耱繇辯易裁成與靶 材組分比例相同的薄膜，因此濺射鍍腆應(yīng)用非常廣泛。 ( 3 ) 濺射鍍膜中的入射鞭子一般希胡氣體放電法得妥，霞而萁工作壓 力在1 0 4 p a 一1 0 p a 范圍，所以濺射粒予在飛行剝基體前往往已與真空黛內(nèi)的 氣體分子發(fā)生碰撞，箕運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)偏離原來的方向，而且濺射一般楚從較 大靶襲面積中射出的，因麗比糞空蒸鍍蜜易彳導(dǎo)到均勻i 隧度的膜層，對于具有 溝槽、臺(tái)階等鍍件，能夠?qū)㈥帢O效應(yīng)遣成膜厚差勇4 減小到可忽略的程度。但 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 是，較高壓力下濺射會(huì)使薄膜中含有較多的氣體分子。 濺射鍍膜除磁控濺射外，一般沉積速率都比較低，設(shè)備比真空蒸鍍復(fù)雜， 價(jià)格較高，但是操作單純，工藝重復(fù)性好，易實(shí)現(xiàn)工藝控制自動(dòng)化。濺射鍍 膜比較適宜大規(guī)模集成電路、磁盤、光盤等高新技術(shù)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，也適 宜于大面積高質(zhì)量鍍膜玻璃等產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)。 在濺射鍍膜工藝方面需要指出的是： ( 1 ) 靶的選擇和鍍膜前處理十分重要，制備靶的方法有多種，不能有 氣泡，靶平面應(yīng)平整光潔。 ( 2 ) 靶的冷卻很重要，尤其是磁控濺射靶。 ( 3 ) 對于熱導(dǎo)率小、內(nèi)應(yīng)力大的靶，濺射功率不能太大，濺射時(shí)間不 能太長，以免局部區(qū)域的蒸發(fā)量多于濺射量，更好避免靶破裂。 ( 4 ) 在正式濺射前，常進(jìn)行預(yù)濺射( 此時(shí)減少冷卻水或通熱水，并適 當(dāng)提高濺射功率，以除去靶表面吸附其余雜質(zhì)。 ( 5 ) 為使基底表面潔凈以及有微觀的凹凸不平，增強(qiáng)膜層結(jié)合力，有 時(shí)可對基體進(jìn)行反復(fù)濺射( 即在基體上加相對等離子體為負(fù)的偏壓) 或離子 轟擊。 ( 6 ) 在預(yù)濺射或?yàn)R射前，必須對鍍膜室內(nèi)所有部件進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和 干燥。 本論文中所涉及到的電極制作方法是磁控濺射鍍膜方法，實(shí)驗(yàn)室中已有 成套設(shè)備，在經(jīng)過一定的實(shí)驗(yàn)摸索后。所制作的電極己基本達(dá)到了性能要求。 4 2 2 電極材料 a m t e c 的電極應(yīng)具備以下特點(diǎn)： ( 1 ) 良好的電導(dǎo)率； ( 2 ) 在a m t e c 高溫運(yùn)行時(shí)不與a m t e c 組件材料發(fā)生反應(yīng)，尤其使 用工作物質(zhì)鈉發(fā)生反應(yīng)，從而使電極材料特性發(fā)生衰變； ( 3 ) 具有皂好的可加工性，即可以通過上述電極制作方法在較經(jīng)濟(jì)的 1 6 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 水平下制得； ( 4 ) 與b a s e 表面具有較強(qiáng)的親和力，制成的電極牢固可靠； ( 5 ) 對堿金屬離子( 鈉離子) 具有很強(qiáng)的通透性。 電極尤其是陰極是a m t e c 轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵部件，電極氧化還原鈉并反 復(fù)從反應(yīng)區(qū)輸送電子和鈉離子的能力是a m t e c 系統(tǒng)獲得高效率的關(guān)鍵因 素。實(shí)際的a m t e c 轉(zhuǎn)換器常用的電極材料有w r 。、m o r e 、r e 、i r ，這 些材料在高溫環(huán)境下很難和鈉元素發(fā)生反應(yīng)，采用磁控濺射方法可以較容易 得在b a s e 表面形成電極層。 為了找到更為合適的電極材料，國外的研究人員進(jìn)行了一些過渡金屬氮 化物和碳化物與b a s e 和鈉在高溫運(yùn)行時(shí)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，表4 1 所示為幾種金屬 氮化物和碳化物的特性。 表4 1 一些過渡金屬氮化物和碳化物的特性 材料 熔點(diǎn)室溫時(shí)的電導(dǎo)率室溫時(shí)的熱膨脹系數(shù) o c1 0 5 s m 一11 0 一k 一1 m o 2 6 2 0 1 9 25 5 m 0 2 c 2 6 9 0 7 5 24 9 n b c 3 5 0 01 6