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【摘要】本文提出一种串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统，以串联的多组碱金属热电转换器为集热芯，周围以多块直板式的反射板围成反射区。圆形反射区将热量反射到集热芯上以提供AMTEC的工作温度，串联的AMTEC就进行工作发电。与传统太阳能发电模式相比，本系统具有污染小、无需维护、规模可调节等优点，因此可以成为一种值得研究的新型太阳能发电系统。最后本文指出了该系统需要进一步研究的问题。
【关键词】太阳能热发电系统新能源碱金属热电转换器AMTEC
一、引言
随着世界的发展，能源需求量的日益增加带来以下问题：一方面，现有的不可再生能源（如化石能源）的可利用年限不足200年，有专家调研报告指出，化石能源直到枯竭为止的剩余利用年限如下[1]：煤—164年，石油—41年，天然气—67年；另一方面，常规能源所产生的温室气体及其它有害气体加剧了世界环境的恶化，导致了温室效应、酸雨等诸多环节问题。放眼现有的可利用的能源，太阳能是解决包括以上问题在内的能源问题的不二之选，原因有以下几点：
1、能量巨大：太阳注入地球表面的能量密度，在转换为电功率后约为1kW/m2，总功
率可达1.25×108GW。
2、资源无限：太阳能能长期供给，理论计算太阳尚可维持数十亿年之久，可谓一种取之不尽用之不竭的能源。
3、污染小：与传统能源相比，利用太阳能发电理论上可以做到零污染。
4、普遍性：基本上不受地域限制，太陽能随处都有，不需开采和运输，可以在偏僻的地方（如荒漠）建。
5、机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便。
6、所需人力小：不需要填料换料，一旦建成，所需人力与其它能源相比较小。
虽然目前太阳能发电成本较高，但考虑到未来化石能源等不可再生能源的枯竭，太阳能可能是未来能源结构中的主要组成部分，所以对于多种太阳能发电方式的研究是十分必要的。各国也就此提出多种新型太阳能发电系统，如太阳能高塔发电系统、卫星电站，甚至是月球电站。本文则提出一种基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统。
二、碱金属热电转换器（AMTEC）原理简介[2]
以使用钠作为工质的碱金属热电转换器为例，如图1所示，一个密闭容器被β″氧化铝固体电解质和电磁泵分隔成压力不同的两部分：高温区（温度为T1）和低温区（温度为T2）。高温区内充有适量工质钠，工质钠被热源加热，温度保持在T1=900～1300K，此时钠蒸压力为一个大气压左右。而低温区主要是钠蒸气和少量凝结成的液态钠，与冷凝器相连。循环时，温度为T2的钠从冷凝器进入热区，从热源吸收热能，温度升高到T1。在液态钠与固体电解质的界面处钠发生电离：Na→e- Na 。β″氧化铝固体电解质是一种离子电导率很高的固体电解质，相当于离子选择性渗透膜，因此，压力差和化学势梯度驱使Na 穿过β″氧化铝固体电解质，向低压侧的多孔电极界面迁移，当外电路接通时，电子经负载到达多孔电极，在多孔电极界面与钠离子复合成中性钠原子。钠原子吸收气化热而蒸发，以气相到达冷凝器表面，释放出凝结热，凝结的钠由电磁泵送回高压侧以循环使用。
图1碱金属热电转换器（AMTEC）原理图
三、基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统
如图2所示，该太阳能热发电系统中心是几何形状为柱状的集热柱，上部为以多组碱金属热电转换器串联而成的集热芯。集热柱其周围为多块直板式的反射板围成的两圈反射区，两圈圆形反射区可以反射任意方向的太阳能，而圆柱形表面的集热芯可以保证反射过来的热量被全部接收。圆形反射区相当于一个大型的凹面镜，而柱形集热芯则设置于这个大型凹面镜的焦点上，这样所产生的热量能提供1000～2900K的高温，完全可以将碱金属热电转换器中的工质钠加热到高温区所要求的900K以上的工作温度，也就是说碱金属热电转换器可以正常工作发电。
图2基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统原理图
与常规太阳能发电相比，本系统有以下优点：
1、几乎无需维修：碱金属热电转换器无运动部件、无噪声、无需维护，而所采用的直板式反射板几乎不会出现问题。
2、几乎无污染：太阳能中一种重要的发电方式光伏发电具有较高的污染性，其晶硅材料在生产过程中会释放出许多有毒有害的气体，影响环境。而本系统采用的碱金属热电转换器和反射板在加工和使用过程中几乎都没有污染。
3、工艺成熟，易于实现：本系统采用碱金属热电转换器和直板式反射板都是已有已验证的技术，实现起来较方便。
4、规模可调节：建厂时可根据实际需求发电量来设定碱金属热电转换器的规模来建造不同发电量的电厂；在运行时，也可控制不同组碱金属热电转换器与电网的连接来调节发电量。
当然本系统也是有缺点的，虽然本系统夜间无法工作发电起到了削峰填谷的作用，但是仍需进一步研究出能使本系统昼夜发电的方法。目前初步的想法是采用储热装置[3]，但是碱金属热电转换器的工作温度要高于900K，目前的储热材料中可能只有化学反应储热方式能满足这个要求，所以仍需继续研究是否有其它易于实现的方法。
四、结论和需进一步研究的问题
本文提出了串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统并从理论上论证了该系统的可行性，同时也列举了该系统的优点。从理论上来讲，该系统是值得作为一种新型太阳能发电系统进行研究的。不过本文只给出了初步设计和理论分析，还需进一步进行数值计算和成本分析来确定系统的几何尺寸等参数，这也是日后研究的方向。
参考文献
[1]赵平平.电工文摘.
[2]张来福，李然，童建忠，倪秋芽.碱金属热电转换器（AMTEC）的新技术[J].能源技术，2001
[3]朱教群，李圆圆等.太阳能热发电储热材料研究进展.技术与产品太能
【关键词】太阳能热发电系统新能源碱金属热电转换器AMTEC
一、引言
随着世界的发展，能源需求量的日益增加带来以下问题：一方面，现有的不可再生能源（如化石能源）的可利用年限不足200年，有专家调研报告指出，化石能源直到枯竭为止的剩余利用年限如下[1]：煤—164年，石油—41年，天然气—67年；另一方面，常规能源所产生的温室气体及其它有害气体加剧了世界环境的恶化，导致了温室效应、酸雨等诸多环节问题。放眼现有的可利用的能源，太阳能是解决包括以上问题在内的能源问题的不二之选，原因有以下几点：
1、能量巨大：太阳注入地球表面的能量密度，在转换为电功率后约为1kW/m2，总功
率可达1.25×108GW。
2、资源无限：太阳能能长期供给，理论计算太阳尚可维持数十亿年之久，可谓一种取之不尽用之不竭的能源。
3、污染小：与传统能源相比，利用太阳能发电理论上可以做到零污染。
4、普遍性：基本上不受地域限制，太陽能随处都有，不需开采和运输，可以在偏僻的地方（如荒漠）建。
5、机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便。
6、所需人力小：不需要填料换料，一旦建成，所需人力与其它能源相比较小。
虽然目前太阳能发电成本较高，但考虑到未来化石能源等不可再生能源的枯竭，太阳能可能是未来能源结构中的主要组成部分，所以对于多种太阳能发电方式的研究是十分必要的。各国也就此提出多种新型太阳能发电系统，如太阳能高塔发电系统、卫星电站，甚至是月球电站。本文则提出一种基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统。
二、碱金属热电转换器（AMTEC）原理简介[2]
以使用钠作为工质的碱金属热电转换器为例，如图1所示，一个密闭容器被β″氧化铝固体电解质和电磁泵分隔成压力不同的两部分：高温区（温度为T1）和低温区（温度为T2）。高温区内充有适量工质钠，工质钠被热源加热，温度保持在T1=900～1300K，此时钠蒸压力为一个大气压左右。而低温区主要是钠蒸气和少量凝结成的液态钠，与冷凝器相连。循环时，温度为T2的钠从冷凝器进入热区，从热源吸收热能，温度升高到T1。在液态钠与固体电解质的界面处钠发生电离：Na→e- Na 。β″氧化铝固体电解质是一种离子电导率很高的固体电解质，相当于离子选择性渗透膜，因此，压力差和化学势梯度驱使Na 穿过β″氧化铝固体电解质，向低压侧的多孔电极界面迁移，当外电路接通时，电子经负载到达多孔电极，在多孔电极界面与钠离子复合成中性钠原子。钠原子吸收气化热而蒸发，以气相到达冷凝器表面，释放出凝结热，凝结的钠由电磁泵送回高压侧以循环使用。
图1碱金属热电转换器（AMTEC）原理图
三、基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统
如图2所示，该太阳能热发电系统中心是几何形状为柱状的集热柱，上部为以多组碱金属热电转换器串联而成的集热芯。集热柱其周围为多块直板式的反射板围成的两圈反射区，两圈圆形反射区可以反射任意方向的太阳能，而圆柱形表面的集热芯可以保证反射过来的热量被全部接收。圆形反射区相当于一个大型的凹面镜，而柱形集热芯则设置于这个大型凹面镜的焦点上，这样所产生的热量能提供1000～2900K的高温，完全可以将碱金属热电转换器中的工质钠加热到高温区所要求的900K以上的工作温度，也就是说碱金属热电转换器可以正常工作发电。
图2基于串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统原理图
与常规太阳能发电相比，本系统有以下优点：
1、几乎无需维修：碱金属热电转换器无运动部件、无噪声、无需维护，而所采用的直板式反射板几乎不会出现问题。
2、几乎无污染：太阳能中一种重要的发电方式光伏发电具有较高的污染性，其晶硅材料在生产过程中会释放出许多有毒有害的气体，影响环境。而本系统采用的碱金属热电转换器和反射板在加工和使用过程中几乎都没有污染。
3、工艺成熟，易于实现：本系统采用碱金属热电转换器和直板式反射板都是已有已验证的技术，实现起来较方便。
4、规模可调节：建厂时可根据实际需求发电量来设定碱金属热电转换器的规模来建造不同发电量的电厂；在运行时，也可控制不同组碱金属热电转换器与电网的连接来调节发电量。
当然本系统也是有缺点的，虽然本系统夜间无法工作发电起到了削峰填谷的作用，但是仍需进一步研究出能使本系统昼夜发电的方法。目前初步的想法是采用储热装置[3]，但是碱金属热电转换器的工作温度要高于900K，目前的储热材料中可能只有化学反应储热方式能满足这个要求，所以仍需继续研究是否有其它易于实现的方法。
四、结论和需进一步研究的问题
本文提出了串联式碱金属热电转换器（AMTEC）的反射式太阳能热发电系统并从理论上论证了该系统的可行性，同时也列举了该系统的优点。从理论上来讲，该系统是值得作为一种新型太阳能发电系统进行研究的。不过本文只给出了初步设计和理论分析，还需进一步进行数值计算和成本分析来确定系统的几何尺寸等参数，这也是日后研究的方向。
参考文献
[1]赵平平.电工文摘.
[2]张来福，李然，童建忠，倪秋芽.碱金属热电转换器（AMTEC）的新技术[J].能源技术，2001
[3]朱教群，李圆圆等.太阳能热发电储热材料研究进展.技术与产品太能