碱金属热电转换器.doc

碱金属热电转换器 （碱金属热电转换高效率垃圾发电器） 一、概述 碱金属热电转换是利用”- Al2O3固体电解质的离子导电性、用钠作工质，以热再生浓度差电池过程为工作原理的热电能量直接转换新技术。碱金属热电转换器 (Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC)则是一种面积型发电器件，它无运动部件、无噪声、无需维护，可以和温度在600 C至900 C范围任何形式的热源相 结合，构成模块组合式发电装置，满足不同容量负载的要求，热电转换效率可超过30%，而且具有排热温度较高(300C上下)的特点。 与垃圾气化熔融技术相结合，构成高效率垃圾发电系统，是碱金属热电转换技术的重要应用方向，碱金属热电转换高效率垃圾发电将在我国方兴未艾的垃圾发电技术发展中 占有重要的地位。 二、碱金属热电转换器的工作原理及发展概况 AMTEC的工作过程可以参照图1来说明。AMTEC是一个充有少量钠的密闭容器，由厚度约1毫米的 ”- Al2O3固体电解质和电磁泵将其分隔成压力不同的两部分。在高压侧，工 质钠被热源加热，在钠与固体电解质的交界面，由压力差决定的化学势梯度驱使钠离子透过 ”- Al2O3向低压侧的电解质- 多孔电极界面迁移，负载开路时，在b ”- Al2O3两侧 便形成电动势，这一过程和浓度差电池类似，因而，AMTEC的空载电压由能斯特方程决定。负载接通时，电子从高压侧经外电路到达多孔电极处，与离子复合成钠原子，然后 图1 。AMTEC的工作原理 钠以蒸气相穿过低压空间到达冷凝器，凝结的液钠则由电磁泵送回高压侧。实质上，”- Al2O3在能量转换过程中起着选择性渗透膜的作用，而AMTEC是工质钠通过固体电解 质等温膨胀做功的热机。 在热源温度1150K、冷源温度500K、”- Al2O3壁厚为1毫米、考虑器件的内部损失时，AMTEC的效率随电流的密度而变化。当不可逆过程造成的损失为0.2瓦 厘米 2时， 效率峰值为35%，对同样温度范围的卡诺循环效率的比值达62%。所谓不可逆过程,主要是多孔电极表面向冷凝器表面的热辐射以及通过构件的热传导。与同样是直接发电器件的热 电半导体发电器不同的是，对于后者，热传导是一种本征损失，而对AMTEC，可以靠精心设计把这类不可逆损失降低到最低限度，这是AMTEC具有高效率的重要原因。分析结果表 明，如果把损失抑制到0.02瓦 厘米 2 ，那么理论效率将达45%。 迄今用于AMTEC的”- Al2O3都是管材，外径从7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 毫米（考虑不可逆损失时的效率）。AMTEC是低电压器件，单管器件的空载电压约为 1.5伏，按电极表面积计算的功率密度达0.5 1.0瓦 厘米 2。在实际使用时，靠多管单元的适当组合来满足负载的要求。每个单元由多根”- Al2O3管构成，在电气上串联 连接。 碱金属热电转换器是1968年见于美国专利的新概念，美国福特汽车公司和美国宇航局喷气推进实验室是研究、开发AMTEC的先驱，先后取得了一系列重要进展：以单管实验器 件效率19%验证了理论的可靠性;36管实验装置发电1千瓦;用电磁泵加压的实验装置连续发电14000小时;用毛细吸液芯加压的模块式器件连续稳定发电11000小时。 九十年代起，美国先进模块电源系统( AMPS) 公司则以令人瞩目的研究成果大大推动了AMTEC商用化的进程。用5至7根直径7毫米”- Al2O3管构成的器件已经在AMPS公司进行 试生产，器件单元输出4瓦左右，其应用领域为空间电源、余热发电和热电联产等等。 AMPS公司制作的单管器件进行模拟试验：在多管单元运行特性研究和可靠性试验的基础上，AMPS设计了净输出500瓦的AMTEC装置作为住户微型热电联产系统的原型；与此同 时，他们正在为欧洲的公司制造容量为350瓦、利用供暖锅炉余热的发电装置原型，并进行了35千瓦系统的设计研究，初步结果表明，35千瓦系统的尺寸仅为0.7立方米。 中国科学院电工研究所从1994年起，先后在国家自然科学基金和国防科工委科技预研基金的支持下，并与中国科学院上海硅酸盐研究所的密切配合，在国内率先开展碱金属 热电能量直接转换技术的应用研究，建立了热电转换器件实验室和薄膜电极制备、器件封接用的工艺装备，开展了多孔薄膜电极制备、单体封接、集流栅设计和工质循环技术等 关键技术的研究和实用化多管器件的设计及工艺研究，取得了显著进展。单管实验器件达到了能够重复运行多次、累计发电2小时、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦 厘米 2的水平。为进一步进行碱金属热电转换垃圾发电的研究创造了良好的条件。 三、国外垃圾发电技术的发展动向和我们的战略 随着国民经济的发展和生活水平的提高，垃圾处理日益成为环保的重要课题，迄今，处理垃圾的方法不外乎深埋、焚化和回收利用，利用垃圾焚化炉所产生的热来发电，是 垃圾处理的重要方向，从发展看，垃圾发电将是形成分散型电源系统和电力生产一次能源多元化的重要内容。 国外垃圾发电发展得最快的是美国、德国和日本。据1995年的数据，美国垃圾发电厂有114座，总容量达2650兆瓦，居世界第一位。居第二位的是德国，1993年已有垃圾发电 厂50座，总容量1000兆瓦。日本的垃圾发电厂数量多达149座，但总容量仅有557兆瓦。美国垃圾发电的平均效率也居世界首位，达22%，德国的达17%，日本9%。除了垃圾的成分 、性质方面的原因，平均效率方面的差别也反映了建设垃圾发电厂的立足点的不同。 迄今为止，日本的垃圾焚化占垃圾处理总量的75%，但是，用于发电的焚化装置只占垃圾焚化装置总数的8%；日本从1965年起就有垃圾发电厂投入使用，主要着眼于环境保护 ，通产省、环境厅、自治省和厚生省设立有补助金。大部分垃圾发电厂锅炉出口蒸汽参数比较低，一般为250C、20大气压左右。 另一方面，美国和德国的垃圾处理以深埋为主(占60%)，焚化在美国垃圾处理总量中只占15%，德国稍高，占30%，但是，焚化装置几乎全部用于发电(美国的垃圾发电厂占焚 化装置总数的78%，若按垃圾处理量计算，占93%；德国则接近100%)。因为政府不予财政补贴，他们在兼顾环保效果的同时，比较注重经济效益，多采用高温高压蒸汽运行条件( 比如500 C、90大气压)，以期达到高效率。 近年来，特别是日本，一方面，从分散型电源在未来电力生产中的地位着眼，开始强调高效率垃圾发电的重要性，并且已经把垃圾发电纳入了1994年制订的新能源导入大纲 ，到2000年，垃圾发电总容量将达2000兆瓦，而到2010年将为4000兆瓦。另一方面，从抑制二恶英排放和重金属的排出水平、节省焚化后灰的处理场地考虑，从环保的角度对垃 圾发电系统提出了更高的要求。 提高垃圾发电效率的方法很多，例如，采用耐腐蚀新材料来提高余热锅炉的工作温度；采用二次燃烧来提高蒸汽的参数；用燃气轮机组成联合循环等等。从技术发展趋势看 ，垃圾的气化熔融技术受到极大的关注，因为它在实现高效率的同时，还能抑制二恶英排放，并达到灰的减容化和排气的无害化。 气化熔融系统把垃圾的焚化和余灰的熔融在一个流程中完成，它具有下列优点： (1)可以用垃圾的燃烧热来使余灰熔融，基本不需要外部热源。 (2)可以采用低空气比燃烧，排气量减少。 (3)燃烧温度高达1000 1300 C，可使二恶英分解，而且，因为前驱物质减少，再合成的量也少。 (4)可以在气化部分的出口分离金属以作再生利用。 德国是研究开发气化熔融技术的主要国家，西门子公司开发的日处理量480吨的系统，已于1997年春投入商用试运行。此外，据今年4月份OHM杂志报道，日本从事气化熔融技 术开发的厂家已经超过20家，例如，NKK公司就从1996年起开始了日处理量24吨装置的验证试验。 我国的垃圾发电技术的发展还刚刚起步，然而却有迫切的需求和广阔的市场。借鉴发达国家的经验，我们应该在起步阶段就考虑垃圾焚化和发电结合，并且十分注意经济效 益和社会效益并重，积极安排气化熔融处理技术和高效率发电新技术的研究与开发。 四、关于开展碱金属热电转换高效率垃圾发电技术研究的建议 实际上，在试图以提高燃烧温度来提高垃圾发电效率的场合，都可以考虑用碱金属热电转换器取代传统的动力设备，而达到所期望的性能指标。从发展着眼，将碱金属热电 转换技术与垃圾的气化熔融技术相结合，是构成高效率垃圾发电系统极有前景的方案。 碱金属热电转换器的受热面可以直接与高温烟气流接触，发电装置设在熔融炉排烟部分的炉壁上，直接把燃烧热转换成电能。这样，就省去了余热锅炉、汽轮发电机组以及 蒸汽循环所需的附属设备。参照AMPS的估计，0.75兆瓦的AMTEC发电装置，体积约为15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽轮发电机组的尺寸为24立方米，而与之匹配的余热锅炉(出 口蒸汽参数设为300 C、13大气压)的尺寸则超过300立方米。 因此，所建议的高效率垃圾发电系统在构成上的优点显而易见。在碱金属热电转换高效率垃圾发电系统中，垃圾的热解在流化床型气化炉中完成；AMTEC考虑用空气冷却，即 ，发电装置的排热可以用来预热气化炉的燃风或熔融炉的补燃风。当然，还可以有各种具体方案，包括余热利用，都需要进行详细的比较研究。建议国家科技部组织有关单位进 行方案论证，确定项目和选题。 建议我国在“十五”期间开展碱金属热电转换垃圾发电系统关键技术的研究开发，并建成日处理量10吨级的试验装置，进行电厂效率的验证，为在2010年建成中试系统积累 必要的数据，进行技术准备。主要研究内容如下。 (1)垃圾气化熔融机制和过程参数选择。 (2)气化炉和熔融炉装置的优化设计。 (3)余热利用、金属类物质的回收环节的设计。 (4)AMTEC发电装置的设计和可靠性试验。 (5)AMTEC发电装置的功率调节。 (6)AMTEC垃圾发电系统技术经济评价。 我国“九五”期间，垃圾焚化、发电研究已经有了良好的开端，碱金属热电转换器的研究已经有了较好的基础，相信经过“十五”的努力，我国将在高效率垃圾发电技术的 发展上走出自己的路一、概述 碱金属热电转换是利用”- Al2O3固体电解质的离子导电性、用钠作工质，以热再生浓度差电池过程为工作原理的热电能量直接转换新技术。碱金属热电转换器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC)则是一种面积型发电器件，它无运动部件、无噪声、无需维护，可以和温度在600 C至900 C范围任何形式的热源相结合，构成模块组合式发电装置，满足不同容量负载的要求，热电转换效率可超过30%，而且具有排热温度较高(300 C上下)的特点。 与垃圾气化熔融技术相结合，构成高效率垃圾发电系统，是碱金属热电转换技术的重要应用方向，碱金属热电转换高效率垃圾发电将在我国方兴未艾的垃圾发电技术发展中占有重要的地位。 本报告介绍碱金属热电转换器的基本原理及国内外发展概况；评述国外垃圾发电技术的发展动向，并探讨我国垃圾发电的发展战略；提出”十五”期间开发碱金属热电转换高效率垃圾发电系统的建议。 二、碱金属热电转换器的工作原理及发展概况 AMTEC的工作过程可以参照图1来说明。AMTEC是一个充有少量钠的密闭容器，由厚度约1毫米的 ”- Al2O3固体电解质和电磁泵将其分隔成压力不同的两部分。在高压侧，工质钠被热源加热，在钠与固体电解质的交界面，由压力差决定的化学势梯度驱使钠离子透过 ”- Al2O3向低压侧的电解质- 多孔电极界面迁移，负载开路时，在b ”- Al2O3两侧便形成电动势，这一过程和浓度差电池类似，因而，AMTEC的空载电压由能斯特方程决定。负载接通时，电子从高压侧经外电路到达多孔电极处，与离子复合成钠原子，然后 图1。AMTEC的工作原理 钠以蒸气相穿过低压空间到达冷凝器，凝结的液钠则由电磁泵送回高压侧。实质上，”- Al2O3在能量转换过程中起着选择性渗透膜的作用，而AMTEC是工质钠通过固体电解质等温膨胀做功的热机。 图2表示在热源温度1150K、冷源温度500K、”- Al2O3壁厚为1毫米、考虑器件的内部损失时，AMTEC的效率随电流密度的变化。当不可逆过程造成的损失为0.2瓦 厘米 2时，效率峰值为35%，对同样温度范围的卡诺循环效率的比值达62%。所谓不可逆过程,主要是多孔电极表面向冷凝器表面的热辐射以及通过构件的热传导。与同样是直接发电器件的热电半导体发电器不同的是，对于后者，热传导是一种本征损失，而对AMTEC，可以靠精心设计把这类不可逆损失降低到最低限度，这是AMTEC具有高效率的重要原因。图2所示的分析结果表明，如果把损失抑制到0.02瓦 厘米 2 ，那么理论效率将达45%。 迄今用于AMTEC的”- Al2O3都是管材，外径从7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 图2。考虑不可逆损失时的效率 毫米。AMTEC是低电压器件，单管器件的空载电压约为1.5伏，按电极表面积计算的功率密度达0.5 1.0瓦 厘米 2。在实际使用时，靠多管单元的适当组合来满足负载的要求。每个单元由多根”- Al2O3管构成，在电气上串联连接。 碱金属热电转换器是1968年见于美国专利的新概念，美国福特汽车公司和美国宇航局喷气推进实验室是研究、开发AMTEC的先驱，先后取得了一系列重要进展：以单管实验器件效率19%验证了理论的可靠性;36管实验装置发电1千瓦;用电磁泵加压的实验装置连续发电14000小时;用毛细吸液芯加压的模块式器件连续稳定发电11000小时。 九十年代起，美国先进模块电源系统( AMPS) 公司则以令人瞩目的研究成果大大推动了AMTEC商用化的进程。用5至7根直径7毫米”- Al2O3管构成的器件已经在AMPS公司进行试生产，器件单元输出4瓦左右，其应用领域为空间电源、余热发电和热电联产 图3。单管实验器件 等等。图3是AMPS公司制作的单管器件进行模拟试验的照片。在多管单元运行特性研究和可靠性试验的基础上，AMPS设计了净输出500瓦的AMTEC装置作为住户微型热电联产系统的原型；与此同时，他们正在为欧洲的公司制造容量为350瓦、利用供暖锅炉余热的发电装置原型，并进行了35千瓦系统的设计研究，初步结果表明，35千瓦系统的尺寸仅为0.7立方米。 图5 单管实验器件的伏安特性 图4 单管实验装置的外观中国科学院电工研究所从1994年起，先后在国家自然科学基金和国防科工委科技预研基金的支持下，并与中国科学院上海硅酸盐研究所的密切配合，在国内率先开展碱金属热电能量直接转换技术的应用研究，建立了热电转换器件实验室和薄膜电极制备、器件封接用的工艺装备，开展了多孔薄膜电极制备、单体封接、集流栅设计和工质循环技术等关键技术的研究和实用化多管器件的设计及工艺研究，取得了显著进展。单管实验器件达到了能够重复运行多次、累计发电2小时、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦 厘米 2的水平。为进一步进行碱金属热电转换垃圾发电的研究创造了良好的条件。图4、图5和图6分别为热电转换器件实验室、单管实验器件伏安特性和实用化多管单元的外观。 图6.多管实验器件实体 图7.系统流程图三、国外垃圾发电技术的发展动向和我们的战略 随着国民经济的发展和生活水平的提高，垃圾处理日益成为环保的重要课题，迄今，处理垃圾的方法不外乎深埋、焚化和回收利用，利用垃圾焚化炉所产生的热来发电，是垃圾处理的重要方向，从发展看，垃圾发电将是形成分散型电源系统和电力生产一次能源多元化的重要内容。国外垃圾发电发展得最快的是美国、德国和日本。据1995年的数据，美国垃圾发电厂有114座，总容量达2650兆瓦，居世界第一位。居第二位的是德国，1993年已有垃圾发电厂50座，总容量1000兆瓦。日本的垃圾发电厂数量多达149座，但总容量仅有557兆瓦。美国垃圾发电的平均效率也居世界首位，达22%，德国的达17%，日本9%。除了垃圾的成分、性质方面的原因，平均效率方面的差别也反映了建设垃圾发电厂的立足点的不同。迄今为止，日本的垃圾焚化占垃圾处理总量的75%，但是，用于发电的焚化装置只占垃圾焚化装置总数的8%；日本从1965年起就有垃圾发电厂投入使用，主要着眼于环境保护，通产省、环境厅、自治省和厚生省设立有补助金。大部分垃圾发电厂锅炉出口蒸汽参数比较低，一般为250 C、20大气压左右。另一方面，美国和德国的垃圾处理以深埋为主(占60%)，焚化在美国垃圾处理总量中只占15%，德国稍高，占30%，但是，焚化装置几乎全部用于发电(美国的垃圾发电厂占焚化装置总数的78%，若按垃圾处理量计算，占93%；德国则接近100%)。因为政府不予财政补贴，他们在兼顾环保效果的同时，比较注重经济效益，多采用高温高压蒸汽运行条件(比如500 C、90大气压)，以期达到高效率。 近年来，特别是日本，一方面，从分散型电源在未来电力生产中的地位着眼，开始强调高效率垃圾发电的重要性，并且已经把垃圾发电纳入了1994年制订的新能源导入大纲，到2000年，垃圾发电总容量将达2000兆瓦，而到2010年将为4000兆瓦。另一方面，从抑制二恶英排放和重金属的排出水平、节省焚化后灰的处理场地考虑，从环保的角度对垃圾发电系统提出了更高的要求。 提高垃圾发电效率的方法很多，例如，采用耐腐蚀新材料来提高余热锅炉的工作温度；采用二次燃烧来提高蒸汽的参数；用燃气轮机组成联合循环等等。从技术发展趋势看，垃圾的气化熔融技术受到极大的关注，因为它在实现高效率的同时，还能抑制二恶英排放，并达到灰的减容化和排气的无害化。 气化熔融系统把垃圾的焚化和余灰的熔融在一个流程中完成，它具有下列优点： (1)可以用垃圾的燃烧热来使余灰熔融，基本不需要外部热源。 (2)可以采用低空气比燃烧，排气量减少。 (3)燃烧温度高达1000 1300 C，可使二恶英分解，而且，因为前驱物质减少，再合成的量也少。 (4)可以在气化部分的出口分离金属以作再生利用。 德国是研究开发气化熔融技术的主要国家，西门子公司开发的日处理量480吨的系统，已于1997年春投入商用试运行。此外，据今年4月份OHM杂志报道，日本从事气化熔融技术开发的厂家已经超过20家，例如，NKK公司就从1996年起开始了日处理量24吨装置的验证试验。 我国的垃圾发电技术的发展还刚刚起步，然而却有迫切的需求和广阔的市场。借鉴发达国家的经验，我们应该在起步阶段就考虑垃圾焚化和发电结合，并且十分注意经济效益和社会效益并重，积极安排气化熔融处理技术和高效率发电新技术的研究与开发。 四、开展碱金属热电转换高效率垃圾发电技术研究的建议 实际上，在试图以提高燃烧温度来提高垃圾发电效率的场合，都可以考虑用碱金属热电转换器取代传统的动力设备，而达到所期望的性能指标。从发展着眼，将碱金属热电转换技术与垃圾的气化熔融技术相结合，是构成高效率垃圾发电系统极有前景的方案。碱金属热电转换器的受热面可以直接与高温烟气流接触，发电装置设在熔融炉排烟部分的炉壁上，直接把燃烧热转换成电能。这样，就省去了余热锅炉、汽轮发电机组以及蒸汽循环所需的附属设备。参照AMPS的估计，0.75兆瓦的AMTEC发电装置，体积约为15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽轮发电机组的尺寸为24立方米，而与之匹配的余热锅炉(出口蒸汽参数设为300 C、13大气压)的尺寸则超过300立方米。因此，所建议的高效率垃圾发电系统在构成上的优点显而易见。图7是碱金属热电转换高效率垃圾发电系统的构成，在此系统中，垃圾的热解在流化床型气化炉中完成；AMTEC考虑用空气冷却，即，发电装置的排热可以用来预热气化炉的燃风或熔融炉的补燃风。当然，还可以有各种具体方案，包括余热利用，都需要进行详细的比较研究。建议国家科技部组织有关单位进行方案论证，确定项目和选题。 建议我国在“十五”期间开展碱金属热电转换垃圾发电系统关键技术的研究开发，并建成日处理量10吨级的试验装置，进行电厂效率的验证，为在2010年建成中试系统积累必要的数据，进行技术准备。主要研究内容如下。 (1)垃圾气化熔融机制和过程参数选择。 (2)气化炉和熔融炉装置的优化设计。 (3)余热利用、金属类物质的回收环节的设计。 (4)AMTEC发电装置的设计和可靠性试验。 (5)AMTEC发电装置的功率调节。 (6)AMTEC垃圾发电系统技术经济评价。 我国“九五”期间，垃圾焚化、发电研究已经有了良好的开端，碱金属热电转换器的研究已经有了较好的基础，相信经过“十五”的努力，我国将在高效率垃圾发电技术的发展上走出自己的路。 参考文献 童建忠、倪秋芽，一种独特的热电能量直接转换器件 碱金属热电转换器(AMTEC)，电工电能新技术，1993年第1期 Rahul Mital, et al., Micro-Cogen AMTEC Systems for Residential and Transportation Opportunities, Proceedings of 33rd IECEC, Colorado Springs,CO, August 2-6, 1998 都市型分散电源系统，(日本)电气学会技术报告，第609号，1996年10月 废弃物发电的内外动向和气化熔融技术，OHM，1998年 No.1 许萃群，余热发电，上海科技出版社，1981年版高效率点聚焦太阳热直接发电 - 来源：中国洁净煤技术网 时间：2005年7月21日 浏览次数：28331、引言面对二十一世纪，发电系统的一次能源多元化和更为强调环境的洁净与安全的发展趋势为人阳能发电的发展提供了良好的机遇。二十世纪七十年代以来，太阳热发电和人伏发电的研究都有了显著的进展，虽然还没有达到商用，应该说部进入了成熟的阶段近年来，光伏电池制造技术日趋成熟、光伏电池生产能力增长、光伏模块价格不断下降,不论国内还是国外，都有格外看好光伏系统的倾向。然而，尽管据最近的报道，一九九八年全世界光伏电池的产量已达157，4兆瓦，而且在美国，过去三年间光伏模块的制造成本降低了31，据称，到1999年可做到一峰瓦1 79美元，但是，光伏系统的价格仍然相当昂责。另一方面，如所周知，迄今唯一达到商业运行水平的太阳能电站，恰恰是建立在美国南加州的槽式线聚焦热发电系统，该系统的建造历经十年，九个电站的总容量达354兆瓦，发电量已达60亿度，最后建成的电站容量80兆瓦、电价已降至每度电12美分。本报告概括太阳热发电技术的现状，探讨碱金属热电能量直接转换枝术与太阳能发电系统结合的可行性，叙述点聚焦太阳热直接发电的概念与特点，并提出”十五”期间开展此项研究的建议。2太阳热发电技术的现状太阳热发电枝木的现状可以美国的动向为代表。除了已经提到的槽式线聚焦系统，还有用定日镜聚光的塔式系统以及采用旋转抛物面聚光镜的点聚焦一斯特体系统。大家知道，线聚焦系统和点聚焦系统都取得过举世瞩目的成果，特别是麦道公司研制的点聚焦一斯特林系统曾经创下了转换效率接近30%的记录.最近十五所以来,对于线聚焦系统,在提高部件性能和可靠性、降低部件造价、降低运行维护费用等方面都取提了长足的进展。另一方面，塔式系统的实验装备经过重要的改造，已成为近年来发展的重点，因为，根据美国能源部的预测，塔式系统具有最吸引人的技术经济指标。图1（略）是三种系统电价的预测结果，由图可见，塔斯社式系统的电价可望在2010年降到5美分，与常规火电厂匹敌。以过去十五年的工作成果为基础，美国能源部制订了1996年至2015年太阳热发电技术的20年发展规划，其目标是，到2020年，世界上太阳热发电系统的总容量达20000兆瓦。图2（略）是三种不同类型热发电系统的容量份额，可以看到，随着年代的推移，塔式系统和气聚焦系统的容量增长得很快。图3则是太阳热发电总容量在美国国内和国外的分布，由图可知，差不多从2005年起，美国就把主要注意力放在占领国外市场上。美国能源部的规划旨在支持和吸引产业界的积极参与，以促进太阳热发电的商业化。与比相呼应，麦道公司和斯特林发动机系统公司联合推出了点聚焦一斯特林系统商业化的开发计划，以2001年建成示范电站为目标。图4和图5分别为这种电站的成本及电价的子测结果由图4可知，当年产一万套时， 25千瓦装置的成本在每千瓦1000美元到2000美元之间，而图5表明，如果容量因子大于50，那么， 25千瓦装置的电价在5美分上下。3、在太阳热发电系统中采用直接发电器件的可行性已有的三种太阳热发电系统都用热机和发电机来实现能量的转换，在线聚焦和塔式系统中用的是传统的蒸汽轮机作原动机，这样的系统只有在大容量发电的场合才能获得良好的技术经济指标；另一方面，点聚焦一斯持林系统的容量可以小到几个千瓦，而且可以达到高效率，但是需要用氢或氦作工质，工作压力高速150个大气压，增加了斯特林发动机的制造难度。不仅如此，所有这些带有运动部件的系统都包含了可观的维护工作量和必须的运行维护费用。于是，把无运动部件、无声而且不需维护的直接发电器件来替代上迷能量转换部件，显燃是一种可取的思路。所说的热电直接发电器件，有温差半导体、热电子发电器、光伏发电器和碱金属热电转换器,四种器件的工作原理各不相同，运用的热源温度亦有差异，如表1所示。碱金属热电转换器是四种直接发电器件中最年轻的分支，它的概念提出于1968年，大的经过十年的探索，完成了原理试验，建立了基本理论，并且以效率19，功率密度1.1瓦/厘米的实验成果验证了理论的可靠性。碱金属热电转换器用-Al2O3固体电解质作选择性渗透膜，以金属钠为工质，在液钠/A1203界面由化学势梯度驱动，使钠离子和电子分离，实现热电能量的直接转换，由于它在中等的热源温度范国就能达到30左右的效率，远高于热电半导体发电的效率（5左右），又不必使用像热光伏发电器那样的高温材料，器件结构也比热电子发电器简单，因而颇受人们的关注，以空间电源为目标的研制工作在美国宇航局所设计划的支持下正积极顺利的进行。除了无运动部件、无声、无需维护之外，碱金属热转换器是一种低电压面积型器件,功率密度可达0.5 10瓦（厘米）2，比普通先伏电池的高；可以靠模块组合构成不同规模的发电装置，而且能量转换效率与装置容量无关。因此，只要在效率和价格方面具有竞争力，用直接发电器件代替传统的能量转换部件是可行的。4、点聚焦太阳热直接发电的概念如果把点聚焦一斯特体系统中的斯特林发动机发电机组以碱金属热电转换发电器件取而代之，那么就构成了点聚焦太阳热直接发电系统，它的结构框图示于图6。由碟型集能器聚焦的太阳辐射被位于抛物面焦点处的热管传热单元所接收并输入碱金属热电转换器，后者使热能直接转换成直流电，经功单调节变换成用户所需要的交流电力。必要的支持系统有太阳辐射集能器跟踪子系统和贮能装置，还有和热电转换器件的冷却及余热利用有关的设备。采用点聚焦集能是非常合适的，首先因为它有很大的聚光比，容易达到高效率，就能量转换效率而言，碱金属转换器可以同斯特林机组匹敌，还可以考虑与其他器件串级组合，有效利用排热来增加系统的效率。此外，点聚焦系统容量范围宽，在我国发展，可以避开占地、选点的难题，降低建设费用。碱金属热电转换器只要求聚光镜焦斑处的温度不低干900就能实现高效发电，这一温度正好与斯特林发动机所要求的一致，于是点聚焦一斯特林系统研究的许多成果都可以借鉴到直接发电系统中来，特别是一体化的热管式吸热器。图7（略）和图8（略）分别为美国和日本提出的用碱金属热电转换器的大空太阳能电源的示意图在地面应用时，为了降低成本，将考虑廉价的贮热物质。顺便指出，与光伏系统相比，在夜间或雨天时对策多样化是太阳热发电的一大特长，除了热贮能，也可以考虑燃烧驱动的所谓混合方式，当然也可以考虑电力贮能方法、包括先进蓄电池和超级电客器。 图7和图8所示结构的差别在于，前者发电单元的轴线与吸热器的轴线垂直，后者则是平行配置的。5、点聚焦太阳热直接发电系统主要部件的发展状况1、碱金属热电转换器美国最早研究开发碱金属热电转换技术的机构有福特汽车公司和美国宇航局喷气推进实验室， 1990年以来，美国先进模块电源系统（AMPS）公司则对碱金属热电转换器的商用化起了重要的推动作用。美国在该领域所取得的成果有： 36管实验装置发电1千瓦；用电磁泵加压的实验装置连续发电14000小时；用毛细芯加压的模块式器件连续稳定发电11000小时；AMPS公司的功率4瓦的器件已进入试生产阶段。AMPS公司还对燃烧加热，电功率35千瓦的碱金属热电转换装置进行了设计研究，结果表明,35 千瓦系统的尺寸仅为07立方米，燃烧加热的装置每千瓦的价格约为650美元。中国科学院电工研究所和上海硅酸盐研究所是国内从事碱金属热电转换器研究的主要单位,上硅所主要从事A12O3，管材的研制，用于钠-硫电池的管材己达到国际先进水平。电工所则进行发电装置的关键技术研究和发电系统的设计研究，已经建立了热电直接发电器件实验室和必要的工艺设备，单管实验装置已经达到重复运行多次、累计发电2小时、峰值输出885瓦、功率密度0。9瓦（厘米）2的水平。2、点聚焦碟形集能器应用于斯特林循环的抛物面碟形集能器在美口已发展多年，在降低价格、改进镜面材料工艺等方面作了大量工作。聚焦碟的效率与聚焦比以及上限工作温度有关，对于碱金属热电转换器，其工作温度在700800，聚焦比可以在150D上下，效率可做到85 9.。聚焦碟支架的设计需要兼顾跟踪的要求，当地的风速和系统的振动。碱金属热电转换器无运动部件，振动的约束大为缓和。 八十年代，湘潭电机厂曾与美国合作建立了张口直径75米的聚焦碟，铝质结构，表面。镀铝反光膜，积累了宝贵的制作经验；近年来，国内随着卫星通讯及卫星电视产业的发展，抛物面天线的制作技术发展很快，比如深圳华达玻璃钢公司引进美国的技术，制造的碟型天线,形状精度完全能满足太阳能发电的要求。中科院电工所则利用玻璃钢质抛物面聚焦碟表面粘贴镀铝反光膜，当张口直径为18米、焦径比039时，焦斑直径约40毫米，斑点温度达1300，为进一步研制轻质、廉价的聚焦碟作了有效的探索。3钠热管吸热器钠热管吸热器很大程度上可以借鉴太阳能斯特林系统已有的研究成果，据1993年的报告，德国工程热力学研究所为V-160斯特林发动机研制的和直径75米碟型聚能器配合使用的钠热管吸热器，经历了两代的演进。第一代样机，在钠蒸汽温度为700t时，工作60个循环，累计190小时，当蒸汽温度达780时，热管传输的最大热功率为33千瓦。经改进后的第二代样机，吸收表面的最高温度达900C，在西班牙的PSA现场试验，已运行了730小时.在斯特林发动机系统中，钠蒸汽携带的热量必须传给高压的氦气，在碱金属热电转换器的场合，囚为钠蒸汽兼作热电转换的工质，钠热管吸热器的设计可以简化，国内工业用高钠热管的研制已有较多的成果积累，可作为借鉴。4贮能装置可以根据技术经济评价，把热贮能和电力贮能结合起来考虑。因为点聚焦直接发电是单元型的发电系统，因此热贮能可以是分单元配置也可以集中配置。特别要提到，像钠硫电池和超级电容器这类新型电力贮能器件在太阳能发电系统中的应用正受到极大的关注，将成为新的发展方向。另外，还可考虑用燃料油作为夜间或阴雨天无日照时的热源，用燃烧热维持发电系统工作，这将有利于降低系统的成本。 和光伏系统类似，太阳热发电系统的并网运行也是降低系统成本的可取途径。我们对电功率10千瓦的点聚焦太阳热直接发电装置技术经济指标所作的初步估计表明，系统净效率可达24，到2010年每千瓦的成本不超过人民币20000元，同光伏发电相比具有显然的竞争能力。6、“十五”立项的建议从以上叙述可知，点聚焦太阳热直接发电系统，能够高效率利用太阳辐射这一洁净能源,在技术经济指标上可以与光伏系统匹敌，适合我国太阳资源分布不平衡，迪远地区日照资源丰富、却缺乏其他能源的情况，建议在，“十五”，期间立项开展这种新发电系统的研究与开发，以在“十五”建成电功率2千瓦试验装置为目标，开展关键技术的研究，研究内容如下。（1）高效碟形集能器及其跟踪控制技术（2）高效钠热管吸热器（3）碱金属热电转换发电组件的优化设计及工作可靠性（4）新型热贮能和电力贮能技术及其组合方式的研究（5）点聚焦太阳热直接发电系统技术经济分析工业和人口的增长增加了对清洁的和可持续利用的能源的要求。据预测，如果温室效应不那么严重，今后50年人们仍将以使用矿物燃料（石油、天然气、水合物甲烷气体与水的混合物）为主。因此，矿物燃料及其产地（尤其是中东地区），不论从经济还是从地缘政治，即国家安全的角度来说都是十分重要的。在使用矿物燃料方面，当前的注意力更多地放在提高效率，降低燃料消耗方面。19711984年，国外以不变价格进行生产加工所消耗的能源降低了29，将来还可以降低50。人们正在追求每加仑汽油可以跑130，甚至190千米的汽车；家庭住房将来可以节省1030的能源。 今天军事系统多数使用石油作燃料（除了核航母和潜艇外），石油类燃料与空气燃烧每磅可产生近20000英国热量单位（BTU）。未来燃料产生的能量可以大大增强。 发现并利用新能源具有巨大的经济、政治、军事意义，许多科学家正在进行研究，以期取得突破。一方面，科学家企图更多地利用诸如太阳能、风能、水能、海洋波浪能量等可再生和重复使用的、对环境友好的、成本较低（如太阳能发电的成本仅仅是大型发电站的1/2-1/5）的能源。另一方面，科学家还在寻找新的替代能源，如核聚变、或以氢为基础的能源、从空间真空中挖掘零点能量、利用基因工程大大提高制造酒精的生物总量等。但是，据科学家预测，在今后25年内，受控核聚变发电技术仍无法取得突破。只有电解水释放的热能比它消耗的电力多，证明冷聚变是真实的这一事实，为开发新能源提供了一线希望。 高能量密度材料的另一个领域是长寿命微型探测装置使用的和其它小型应用要求的微动力源。包括微型燃产电池、纳米机器用的涡轮交流发电机组等技术。目的是研制像手表纽扣电池那么大的微动力源，储能能力至少是目前最好的锂蓄电池的5倍。 在军事领域，对能源和动力的需求不但越来越高，而且还提出许多特殊要求。武器系统为了提高射程（或航程）和机动能力，要求提供更多的能量；由于现代武器系统装备了大量信息系统，甚至电炮、激光、高能微波等新的高能武器，需要提供高功率电力；此外，在特殊环境中工作的空间系统、微型系统，需要特殊的能源。现代陆军的平台需要的电力是：人（103瓦）；地面车辆（5瓦）；坦克（操作106瓦；停驶观察103104瓦）；直升机（100瓦）；无线电通信（9瓦）；处理器（10瓦）；显示器（8瓦）。未来卫星系统需要的功率大于一千瓦、工作时间长于3年。行星际探测器要求能源系统工作时间更长、更可靠。未来安装高能武器的全电战车需要更多的电力：电炮7002400千焦；激光100千焦；高能微波武器40千焦耳；电装甲216千焦耳。舰载激光或高能微波武器需要100500千瓦的能量，即要求550千瓦的柴油发动机作为原始的能源。 目前正在发展的、为军事系统提供高能量密度的能源技术有：先进柴油发电机、太阳能电池、燃料电池、锂聚合物蓄电池、电解电容器、通过人行走的机械运动来发电的发电靴，以及利用深海洋流发电的材料，如静电聚合物、压电材料。 一、太阳能电池 今天的太阳能电池采用低成本的硅，能量转换效率为13；更耐辐射的砷化镓的能量转换效率为19。先进的太阳能电池包括薄膜、多晶（或非晶）硅多带隙（MBG），它们的成本更低，效率更高，更耐辐射。现在最好的太阳能电池转换效率达到27。 太阳能电池在空间用得比较多。通信卫星和侦察卫星一般多使用太阳能帆板提供电力。深空1探测器采用折射线形元件技术的太阳能搜集器阵列（SCARLET），它使用GaInP2/GaAs/Ge太阳能电池，电力达2521瓦，比预期值稍高，转换效率为22.5，采用SCARLET技术可以提供60瓦/千克的质量效率比。火星勘察者2001着陆器将使用两个超灵活太阳电池阵列，可以提供870瓦的能量，每个翼仅重4.2千克。为国际空间站建造的临时控制舱，用于将空间站推向较高的轨道。它将安装16个太阳能阵列。 轻型飞机的太阳能电池厚度为125微米，密封厚50100微米，覆盖层厚25微米，每千克太阳能电池可以产生200瓦电力。如果采用超薄（5微米）砷化钾做太阳能电池，输出会更高。使用复合材料制造的光学设备和结构的太阳电池阵列能够提供2570瓦电力，比功率为每千克质量60瓦。 二、核发电系统 核电力系统具有高功率密度，操作与轨道位置无关、使用寿命长等特点。一般多采用核裂变和放射性同位素两种系统。因为长时间无人维护使用，要求高度可靠和自动控制。因为需要温度控制，所以体积应该小，才好屏护和进行辐射加固。放射性同位素电源的功率可达几百瓦，每年每衙克可产生43800瓦小时的电力，而化学蓄电池每衙克只能产生200瓦小时的电力。放射性同位素电源的半衰期为88年，在十年内该电力系统的功率能够保持在最大功率的15的范围内，即在该期间能量功率比可保持为每衙克430000瓦小时。美国23个航天器采用过该种设备。前苏联的海洋监视卫星使用核放射性同位素电源为星载雷达供电。一些执行行星际探险任务的诸如伽利略、尤利塞斯、卡西尼号航天器上使用了同位素热电发电机，它们的性能稳定，工作可靠。在小行星带外探索太阳系的卡西尼使用放射性同位素加热热电转换器提供电力，燃料为钚238，但转换效率只有6.7，价格昂贵，发射前的安全也是问题。 三、燃料电池 燃料电池通过控制氢和氧的分学反应，产生电力。其优点是： 比柴油发电机和气轮机效率高（燃料电池能量转换效率达3575，新型固体氧化物燃料电池，效率可以提高到80，而涡轮发电机的效率只有30。）； 产生的二氧化碳少； 燃料多样灵活； 安静； 不用燃烧燃料，没有活动部件； 电能质量高 对环境友好。 燃料电池的缺点是：成本较高、燃料需改造、尺寸较大、使用时间短。 美国能源部推荐采用质子交换膜燃料电池技术，质子交换膜燃料电池在减轻重量和体积方面有了很大的进展。主要技术障碍是把含硫高的重燃料转变为燃料电池所用的纯净的氢。美国防高级研究计划局开创的燃料处理技术可以把含高硫（百万分之3000）的蒸馏液转变成氢，成功地用于燃料电池发电。 碱金属碳酸盐型燃料电池已经用于航宇局的航天器上。磷酸型燃料电池可用于像汽车那样的大型车辆。 美国陆军研究局和国防高级研究计划局正在研究几项有希望的加氢技术。 美国陆军选择燃料电池考虑的几个因素：体积、重量、成本、后勤支援、安全、特征信号低、放置时间长短、可靠性。美军还在研究野外使用甲醇和使用氢做燃料的、可产生50100瓦电力的小型燃料电池。美陆军与加拿大一公司签定设计制造自制再生燃料电池发电系统，为陆军车辆平台提供辅助动力。该系统将采用质子交换膜燃料电池系统，以取代现在使用蓄电池和柴油发电装置。再生式燃料电池在车辆发动机工作时，为发电系统再充氢气。它可以在野外工作十个小时，提供3千瓦平均功率，5千瓦峰值功率。该系统的优点是可长时间运作、零辐射、噪声低、降低畸变、提高在寒冷气候下的性能。 美海军计划在5年之后，潜艇和水面舰将采用燃料电池作动力。在此之前，首先需要建造一7.2米长，1.8米宽，3米高、625千瓦的演示装置，进行广泛的实验。因为海军需要2.5兆瓦的电力，所以需要4个这样的装置。现在已经建造的燃料电池堆的功率是250千瓦。最后将建造兆瓦级燃料电池电力设施，进行实验。 四、蓄电池 蓄电池可以将能量保存起来，供机动平台和人员使用。 储存电力的蓄电池占航天器重量的10。现在使用的蓄电池是镍镉（NiCd）和镍氢（NiH2或NiMH2），新发展的有硫化纳（Nas）和固体聚合物蓄电池（SSP）。 未来国际空间站将使用48个轨道机动装置（ORU），每个轨道机动装置由38个串接的镍氢电池供电，每两个轨道机动装置进行串连，组成蓄电池。国际空间站最终将使用1824个镍氢电池。由24颗Teledesic极轨道通信卫星组成的星座。每颗星装有三个锂离子蓄电池组，每组可以提供11.6千瓦峰值电能，平均2.2千瓦电能，三倍冗余。电池操作温度为20摄氏度40摄氏度。火星勘察者2001着陆器选用可充电的锂离子蓄电池，其比能量可达150We-h/KG。火星微型探测器以蓄电池为能源，可为微电子装置提供615伏电力。电力微电子装置的尺寸是