Кіріспе
Жылылықты электрге айналдыратын электрохимиялық құрылғы (ЭХҚ) - жылуды электр энергиясына тікелей айналдыратын жылуды қайта жаңғыртылатын электрохимиялық құрылғы. Ол жоғары потенциалдық тиімділікпен және жұмыс сұйықтығынан басқа қозғалмалы бөліктері жоқ, бұл оны ғарыш қуаттылығы үшін үміткер етеді. Бұл құрылғы 9001300 K диапазонындағы жылуды қабылдайды және құрылғы тиімділігі 1540% болжанған бірқалыпты ток шығарады. АМТЭК-те натрий жоғары температуралы жылу резервуары мен суық резервуар арасындағы жабық термодинамикалық цикл бойынша жылуды лақтыру температурасында қозғалады. AMTEC циклының ерекшелігі - жоғары ионды өткізбейтін қатты электролиттің екі жағындағы жоғары қысымды немесе белсенді аймақ пен төмен қысымды немесе белсенді аймақтың арасындағы натрий иондарының өткізгіштігі термодинамикалық жағынан бірдей жоғары және төмен қысымдар арасындағы натрий буының изотермиялық кеңеюіне тең. Анодтағы нейтралды натрийдің электрохимиялық тотығуы қатты электролитті өтетін натрий иондарына және анодтан сыртқы контур арқылы электр жұмысын орындайтын электрондарға төмен қысымдағы катодқа дейін апарады, онда олар иондармен рекомбинацияланып, төмен қысымдағы натрий газын шығарады. Содан кейін катодта пайда болған натрий газы 400-700 К жылуды қабылдамау температурасында конденсаторға өтеді, онда сұйық натрий қайта құрылады. AMTEC электрохимиялық концентрациялық элемент болып табылады, ол натрий буының кеңеюімен пайда болған жұмысты тікелей электр қуатына айналдырады. Конвертер натрий-көкөрт батареясында қолданылатын электролитке негізделген, натрий бета-алюмина, бета-кристалл құрылымын тұрақтандыратын алюминий оксиді, Al2O3 және натрий оксиді, Na2O, номиналды қатынасы 5: 1 және аз мөлшерде кішкентай катион металл оксиді, әдетте литий немесе магний. Натрий бета "алюминийлі қатты электролитті (BASE) керамика электрондарды тасымалдауға қатысты өте оқшаулағыш және төмен қысымда сұйық натриймен және натриймен байланыста термодинамикалық тұрақты фаза болып табылады.
An alkali metal thermal to electric converter (AMTEC, originally called the sodium heat engine or SHE) is a thermally regenerative electrochemical device for the direct conversion of heat to electrical energy. It is characterized by high potential efficiencies and no moving parts except for the working fluid, which make it a candidate for space power applications. This device accepts a heat input in a range 900–1300 K and produces direct current with predicted device efficiencies of 15–40%. In the AMTEC, sodium is driven around a closed thermodynamic cycle between a high temperature heat reservoir and a cooler reservoir at the heat rejection temperature. The unique feature of the AMTEC cycle is that sodium ion conduction between a high pressure or activity region and a low pressure or activity region on either side of a highly ionically conducting refractory solid electrolyte is thermodynamically nearly equivalent to an isothermal expansion of sodium vapor between the same high and low pressures. Electrochemical oxidation of neutral sodium at the anode leads to sodium ions, which traverse the solid electrolyte, and electrons, which travel from the anode through an external circuit, where they perform electrical work, to the low pressure cathode, where they recombine with the ions to produce low pressure sodium gas. The sodium gas generated at the cathode then travels to a condenser at the heat rejection temperature of perhaps 400–700 K, where liquid sodium reforms. The AMTEC thus is an electrochemical concentration cell, which converts the work generated by expansion of sodium vapor directly into electric power. The converter is based on the electrolyte used in the sodium–sulfur battery, sodium beta″ alumina, a crystalline phase of somewhat variable composition containing aluminum oxide, Al2O3, and sodium oxide, Na2O, in a nominal ratio of 5:1, and a small amount of the oxide of a small cation metal, usually lithium or magnesium, which stabilizes the beta″ crystal structure. The sodium beta″ alumina solid electrolyte (BASE) ceramic is nearly insulating with respect to transport of electrons and is a thermodynamically stable phase in contact with both liquid sodium and sodium at low pressure.
Даму
Бір жасушалы АМТЭК-тер 1,55 В-ға дейінгі ашық кернеулікпен және қатты электролит ауданының 0,50 Вт/см2 -ге дейінгі ең жоғары қуат тығыздығымен 1173 К (900 °C) температурада ұзақ уақыт тұрақты отқа төзімді металл электродымен алынған. Зертханада AMTEC жасушаларының тиімділігі 16% - ға жетті. Жоғары кернеудегі көп құбырлы модульдердің тиімділігі 20-25 пайызды құрайды, ал жақын болашақта 0,2 кВт/л-ге дейінгі қуат тығыздығына қол жеткізуге болады. Есептеулер натрийді калийді жұмыс сұйықтығымен ауыстыру 1100 К-те 1 мм қалыңдықтағы BASE түтігімен ең жоғары тиімділікті 28% -дан 31% -ға дейін арттыратынын көрсетеді. АМТЭК-тердегі жұмыс көбінесе натрийлік жұмыс сұйықтығы құрылғыларына қатысты. Калий AMTECs калий бета "алюминийлі қатты электролитті керамикамен жұмыс істеді және натрий AMTEC-ке қарағанда төменгі жұмыс температурасында күшейтілген қуаттылық көрсетеді. АМТЭК электродаларының массалық тасымалдау және интерфазиялық кинетика мінез-құлқының егжей-тегжейлі сандық моделі әзірленді және әр түрлі электродалардың жұмысын сәйкестендіру және талдау үшін және оңтайландырылған электродалардың жұмысын болжау үшін пайдаланылды. Интерфейстік электрохимиялық кинетиканы туннельдеу, диффузия және десорбция моделі арқылы сандық тұрғыдан әрі қарай сипаттауға болады. AMTEC үшін кері термодинамикалық цикл, ең жақсы жағдайда, Карно циклінен сәл тиімдірек екенін көрсетеді. Осыған байланысты технология, Джонсонның термоэлектрлік энергия конвертері, ионды іріктеп алу мембранасы арқылы оң иондарды сорғылаудың ұқсас концепциясын қолданады, жұмыс сұйықтығы ретінде сілтілі металл емес, сутекті қолданады.
Қолданбалар
AMTEC энергияны орташа жоғары температурада қажет етеді, сондықтан кез-келген жылу көзіне, соның ішінде радиоизотопқа оңай бейімделеді, бірақ технология келесі буын жүйелеріне таңдалмаған. Ғарыш энергия жүйелері өз мәнін қойса да, жер бетіндегі қолданбалар AMTEC жүйелеріне кең ауқымды қолданбалар ұсына алады. Құрылғы үшін болжамды тиімділігі 25% және болжамды шығындары 350 USD/kW, AMTEC әртүрлі үлестірілген өндіріс үшін пайдалы болуы мүмкін, соның ішінде жоғары тиімді пештер мен су жылытқыштар мен демалыс көліктерінің қуат көздері үшін өздігінен жұмыс істейтін желдеткіштер.