鹼金屬熱電轉換是利用”- Al2O3固體電解質的離子導電性、用鈉作工質，以熱再生濃度差電池過程為工作原理的熱電能量直接轉換新技術。鹼金屬熱電轉換器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC)則是一種面積型發電器件，它無運動部件、無噪聲、無需維護，可以和溫度在600° C至900° C範圍任何形式的熱源相結合，構成模組組合式發電裝置，滿足不同容量負載的要求，熱電轉換效率可超過30%，而且具有排熱溫度較高(300°C上下)的特點。與垃圾氣化熔融技術相結合，構成高效率垃圾發電系統，是鹼金屬熱電轉換技術的重要套用方向。
基本介紹
- 中文名：鹼金屬熱電轉換器
- 外文名：Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC
- 特點：熱電轉換效率可超過30%
- 實質：一種面積型發電器件
工作原理及發展概況,國外發展動向和戰略,相關建議,
工作原理及發展概況
鹼金屬熱電轉換器 （鹼金屬熱電轉換高效率垃圾發電器）
AMTEC的工作過程可以參照圖1來說明。AMTEC是一個充有少量鈉的密閉容器，由厚度約1毫米的 ”- Al2O3固體電解質和電磁泵將其分隔成壓力不同的兩部分。在高壓側，工 質鈉被熱源加熱，在鈉與固體電解質的交界面，由壓力差決定的化學勢梯度驅使鈉離子透過 ”- Al2O3向低壓側的電解質- 多孔電極界面遷移，負載開路時，在b ”- Al2O3兩側便形成電動勢，這一過程和濃度差電池類似，因而，AMTEC的空載電壓由能斯特方程決定。負載接通時，電子從高壓側經外電路到達多孔電極處，與離子複合成鈉原子，然後 圖1。AMTEC的工作原理
相關圖示
相關圖示鈉以蒸氣相穿過低壓空間到達冷凝器，凝結的液鈉則由電磁泵送回高壓側。實質上，”- Al2O3在能量轉換過程中起著選擇性滲透膜的作用，而AMTEC是工質鈉通過固體電解質等溫膨脹做功的熱機。
在熱源溫度1150K、冷源溫度500K、”- Al2O3壁厚為1毫米、考慮器件的內部損失時，AMTEC的效率隨電流的密度而變化。當不可逆過程造成的損失為0.2瓦¤ [ 厘米] 2時，效率峰值為35%，對同樣溫度範圍的卡諾循環效率的比值達62%。所謂不可逆過程，主要是多孔電極表面向冷凝器表面的熱輻射以及通過構件的熱傳導。與同樣是直接發電器件的熱
電半導體發電器不同的是，對於後者，熱傳導是一種本徵損失，而對AMTEC，可以靠精心設計把這類不可逆損失降低到最低限度，這是AMTEC具有高效率的重要原因。分析結果表明，如果把損失抑制到0.02瓦¤ [ 厘米] 2 ，那么理論效率將達45%。
迄今用於AMTEC的”- Al2O3都是管材，外徑從7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 毫米（考慮不可逆損失時的效率）。AMTEC是低電壓器件，單管器件的空載電壓約為1.5伏，按電極表面積計算的功率密度達0.5~ 1.0瓦¤ [ 厘米] 2。在實際使用時，靠多管單元的適當組合來滿足負載的要求。每個單元由多根”- Al2O3管構成，在電氣上串聯連線。
鹼金屬熱電轉換器是1968年見於美國專利的新概念，美國福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進實驗室是研究、開發AMTEC的先驅，先後取得了一系列重要進展：以單管實驗器件效率19%驗證了理論的可靠性；36管實驗裝置發電1千瓦；用電磁泵加壓的實驗裝置連續發電14000小時；用毛細吸液芯加壓的模組式器件連續穩定發電11000小時。
九十年代起，美國先進模組電源系統（AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動了AMTEC商用化的進程。用5至7根直徑7毫米”- Al2O3管構成的器件已經在AMPS公司進行試生產，器件單元輸出4瓦左右，其套用領域為空間電源、餘熱發電和熱電聯產等等。
AMPS公司製作的單管器件進行模擬試驗：在多管單元運行特性研究和可靠性試驗的基礎上，AMPS設計了淨輸出500瓦的AMTEC裝置作為住戶微型熱電聯產系統的原型；與此同時，他們正在為歐洲的公司製造容量為350瓦、利用供暖鍋爐餘熱的發電裝置原型，並進行了35千瓦系統的設計研究，初步結果表明，35千瓦系統的尺寸僅為0.7立方米。
中國科學院電工研究所從1994年起，先後在國家自然科學基金和國防科工委科技預研基金的支持下，並與中國科學院上海矽酸鹽研究所的密切配合，在國內率先開展鹼金屬熱電能量直接轉換技術的套用研究，建立了熱電轉換器件實驗室和薄膜電極製備、器件封接用的工藝裝備，開展了多孔薄膜電極製備、單體封接、集流柵設計和工質循環技術等關鍵技術的研究和實用化多管器件的設計及工藝研究，取得了顯著進展。單管實驗器件達到了能夠重複運行多次、累計發電2小時、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦¤ [ 厘米] 2的水平。為進一步進行鹼金屬熱電轉換垃圾發電的研究創造了良好的條件。
國外發展動向和戰略
國外垃圾發電技術的發展動向和我們的戰略
隨著國民經濟的發展和生活水平的提高，垃圾處理日益成為環保的重要課題，迄今，處理垃圾的方法不外乎深埋、焚化和回收利用，利用垃圾焚化爐所產生的熱來發電，是垃圾處理的重要方向，從發展看，垃圾發電將是形成分散型電源系統和電力生產一次能源多元化的重要內容。
國外垃圾發電發展得最快的是美國、德國和日本。據1995年的數據，美國垃圾發電廠有114座，總容量達2650兆瓦，居世界第一位。居第二位的是德國，1993年已有垃圾發電廠50座，總容量1000兆瓦。日本的垃圾發電廠數量多達149座，但總容量僅有557兆瓦。美國垃圾發電的平均效率也居世界首位，達22%，德國的達17%，日本9%。除了垃圾的成分、性質方面的原因，平均效率方面的差別也反映了建設垃圾發電廠的立足點的不同。
迄今為止，日本的垃圾焚化占垃圾處理總量的75%，但是，用於發電的焚化裝置只占垃圾焚化裝置總數的8%；日本從1965年起就有垃圾發電廠投入使用，主要著眼於環境保護 ，通產省、環境廳、自治省和厚生省設立有補助金。大部分垃圾發電廠鍋爐出口蒸汽參數比較低，一般為250℃、20大氣壓左右。
另一方面，美國和德國的垃圾處理以深埋為主（占60%)，焚化在美國垃圾處理總量中只占15%，德國稍高，占30%，但是，焚化裝置幾乎全部用於發電（美國的垃圾發電廠占焚化裝置總數的78%，若按垃圾處理量計算，占93%；德國則接近100%）。因為政府不予財政補貼，他們在兼顧環保效果的同時，比較注重經濟效益，多採用高溫高壓蒸汽運行條件（比如500° C、90大氣壓），以期達到高效率。
近年來，特別是日本，一方面，從分散型電源在未來電力生產中的地位著眼，開始強調高效率垃圾發電的重要性，並且已經把垃圾發電納入了1994年制訂的新能源導入大綱，到2000年，垃圾發電總容量將達2000兆瓦，而到2010年將為4000兆瓦。另一方面，從抑制二惡英排放和重金屬的排出水平、節省焚化後灰的處理場地考慮，從環保的角度對垃圾發電系統提出了更高的要求。
提高垃圾發電效率的方法很多，例如，採用耐腐蝕新材料來提高餘熱鍋爐的工作溫度；採用二次燃燒來提高蒸汽的參數；用燃氣輪機組成聯合循環等等。從技術發展趨勢看 ，垃圾的氣化熔融技術受到極大的關注，因為它在實現高效率的同時，還能抑制二惡英排放，並達到灰的減容化和排氣的無害化。氣化熔融系統把垃圾的焚化和余灰的熔融在一個流程中完成，它具有下列優點：
⑴可以用垃圾的燃燒熱來使余灰熔融，基本不需要外部熱源。
⑵可以採用低空氣比燃燒，排氣量減少。
⑶燃燒溫度高達1000~ 1300° C，可使二惡英分解，而且，因為前驅物質減少，再合成的量也少。
⑷可以在氣化部分的出口分離金屬以作再生利用。
德國是研究開發氣化熔融技術的主要國家，西門子公司開發的日處理量480噸的系統，已於1997年春投入商用試運行。此外，據今年4月份OHM雜誌報導，日本從事氣化熔融技術開發的廠家已經超過20家，例如，NKK公司就從1996年起開始了日處理量24噸裝置的驗證試驗。
中國的垃圾發電技術的發展還剛剛起步，然而卻有迫切的需求和廣闊的市場。借鑑已開發國家的經驗，我們應該在起步階段就考慮垃圾焚化和發電結合，並且十分注意經濟效益和社會效益並重，積極安排氣化熔融處理技術和高效率發電新技術的研究與開發。
相關建議
關於開展鹼金屬熱電轉換高效率垃圾發電技術研究的建議
實際上，在試圖以提高燃燒溫度來提高垃圾發電效率的場合，都可以考慮用鹼金屬熱電轉換器取代傳統的動力設備，而達到所期望的性能指標。從發展著眼，將鹼金屬熱電 轉換技術與垃圾的氣化熔融技術相結合，是構成高效率垃圾發電系統極有前景的方案。
鹼金屬熱電轉換器的受熱面可以直接與高溫煙氣流接觸，發電裝置設在熔融爐排煙部分的爐壁上，直接把燃燒熱轉換成電能。這樣，就省去了餘熱鍋爐、汽輪發電機組以及 蒸汽循環所需的附屬設備。參照AMPS的估計，0.75兆瓦的AMTEC發電裝置，體積約為15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽輪發電機組的尺寸為24立方米，而與之匹配的餘熱鍋爐（出口蒸汽參數設為300° C、13大氣壓）的尺寸則超過300立方米。
因此，所建議的高效率垃圾發電系統在構成上的優點顯而易見。在鹼金屬熱電轉換高效率垃圾發電系統中，垃圾的熱解在流化床型氣化爐中完成；AMTEC考慮用空氣冷卻，發電裝置的排熱可以用來預熱氣化爐的燃風或熔融爐的補燃風。當然，還可以有各種具體方案，包括餘熱利用，都需要進行詳細的比較研究。建議國家科技部組織有關單位進 行方案論證，確定項目和選題。
建議中國在“十五”期間開展鹼金屬熱電轉換垃圾發電系統關鍵技術的研究開發，並建成日處理量10噸級的試驗裝置，進行電廠效率的驗證，為在2010年建成中試系統積累必要的數據，進行技術準備。主要研究內容如下。
⑴垃圾氣化熔融機制和過程參數選擇。
⑵氣化爐和熔融爐裝置的最佳化設計。
⑶餘熱利用、金屬類物質的回收環節的設計。
⑷AMTEC發電裝置的設計和可靠性試驗。
⑸AMTEC發電裝置的功率調節。
⑹AMTEC－垃圾發電系統技術經濟評價。
中國“九五”期間，垃圾焚化、發電研究已經有了良好的開端，鹼金屬熱電轉換器的研究已經有了較好的基礎，相信經過“十五”的努力，中國將在高效率垃圾發電技術的發展上走出自己的路。
