Термоэлектрические генераторы (AMTEC)

Щелочно-металлический термоэлектрический генератор представляет собой электрохимическое устройство для прямого преобразования тепла в электрическую энергию. Он использует циркуляцию рабочей жидкости из щелочного металла (калия или натрия) через твёрдый электролит в закрытом контуре для создания потока электронов во внешней цепи.

Щелочно-металлические термоэлектрические генераторы основаны на уникальных свойствах некоторых твёрдых керамических электролитов, таких как $\beta-$ или $P-$ оксид алюминия, из-за свойств кристаллической решётки, хорошо проводят ионы, но очень плохо проводят электроны.

Рабочая жидкость движется в закрытом термодинамическом цикле между источником нагрева и охлаждения, находясь между ними, находясь в состоянии пара в цикле, совершает работу в результате изотермического расширения рабочего пара, проходящего через электролит, преобразуемую в электрическую энергию.

Принцип работы щелочно-металлического термоэлектрического преобразователя

Диаграмма ниже показывает основные компоненты системы.

Термодинамический цикл работает следующим образом:

• Твёрдый электролит базы является проводником для ионов, но диэлектриком для электронов, расположенных в натриевой рабочей цепи, и на его обеих сторонах поддерживается разность температур

• Тепло поступает к анодной стороне, увеличивая температуру до 1000K, вызывая его испарение и увеличение давления до 20 кПа

• На холодной стороне устройства тепло отводится и температура падает до 700K и давление снижается до менее чем 100 Па. Несмотря на то, что эта сторона называется «холодной», температура остаётся относительно высокой для того, чтобы поддерживать натрий в жидком состоянии

• На анодной поверхности базы нейтральные атомы натрия в виде пара освобождают электроны (окисление - процесс потери атомом электронов). В результате натриевые ионы поглощают дополнительное тепло парообразования
• Из за наличия разности давлений с обеих сторон базы и различной проводимости электронов и ионов, положительные ионы натрия проходят через базу к катоду, в то время как электроды обеспечивают путь для свободных электронов для прохождения через внешнюю нагрузку, совершшая полезную работу на пути к катоду, где они рекомбинируются с ионами натрия для образования нейтрального пара металлического натрия (восстановление - процесс получения электронов ионом)
• На холодной стороне пар освобождает дополнительное тепло парообразования и конденсируется в жидкий натрий, который транспортируется к горячей стороне электромагнитным насосом, или, в малых системах, простым пассивным стоком

• На горячей стороне натрий испаряется снова и цикл повторяется

Выходное напряжение между электродами составляет 1,4-1,6 В постоянного тока.

Система не имеет движущихся частей и может генерировать электричество пока тепло поступает и сохраняется разность температур на сторонах базы.

Эффективность

Цикл, где натриевый пар нагревается и увеличивает давление, следующее расширение и падение давления через твёрдый электролит, и последующее охлаждение может быть рассмотрен как Карно тепловой двигатель. Максимальный теортеический КПД (КПД цикла Карно) определяется как

$\frac{1 - T_{c}}{T_{h}}$

где $T_{h}$ - температура горячей стороны устройства, а $T_{c}$ — температура холодной стороны устройства. В приведённом примере она составляет

$\frac{1 - 700}{1000} = 0,30,$

хотя возможны значения до 0,40 при больших рабочих температурах.

На практике наибольший достигнутый коэффициент полезного действия, достигнутый при использовании щелочно-металлических термоэлектрических преобразователей, составляет 0,20, но он является достаточно высоким в сравнении с другим способом прямого преобразования с помощью полупроводниковых термопреобразователей, имеющих КПД в диапазоне от 0,05 до 0,07. Этот факт является очень важным для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, которые используются в космических аппаратах, поскольку масса для такого термоэлектрического преобразователя для выработки аналогичного количества энергии должна быть в четыре раза меньше, чем аналогичного полупроводникового термоэлектрического преобразователя. Это приводит к уменьшению массы системы, экономии топлива и снижении цены.

В связи с тем, что щелочно-металлические термоэлектрические преобразователи не имеют движущихся частей и используют закрытый цикл преобразования, его общий коэффициент полезного действия лучше, чем у паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания, имеющих значительные потери преобразования, потери на трение и перекачку рабочих жидкостей. Эффективность всех этих систем снижается из-за наличия потерь, но паровые турбины и ДВС должны работать при более высокой разности температур для компенсации дополнительных потерь и достижения эффективности цикла Карно. Смотрите так же эффективность тепловых двигателей.

История