Abstract
The most efficient system for converting heat to electricity, AMTEC (Alkali Metal Thermal-to-Electric Convertor), is a device that directly converts heat energy to electricity using an alkali metal (sodium) as the working fluid. The AMTEC consists of a low pressure chamber, high pressure chamber, BASE (Beta-Alumina Solid Electrolyte), and artery wick. The main heat loss of the AMTEC system occurs in the low pressure chamber. A high power generation rate is thought to be obtainable by using a high temperature in the BASE. Therefore, to reduce the radiation heat loss, 6 types of radiation shields were examined to reduce the radiative heat loss in the low pressure chamber. The power generation rate of the AMTEC varied depending on the shape of the radiation shield. CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses were carried out to optimize the shape of the radiation shield. As a result, the optimum radiation shield was found to consist of a curvature formed at the vertical point, in which case the dimensionless temperature (condenser temperature/BASE temperature) is approximately 0.665 and the maximum power generated is calculated to be 17.69W. Increasing the distance beween the BASE and condenser leads to an increase in the power generated, and the power generated with the longest distance was 17.58 W. The shields with multiple holes and multiple horizontal layers showed power reduction rates of 0.91 W and 2.06 W, respectively.
열을 전기로 바꾸는 장치로 가장 효율이 우수한 장치인 AMTEC은 알칼리금속을 작동유체로 하여 열을 직접적으로 전기로 변환시키는 장치이다. AMTEC은 저압용기, 고압용기, 베타 알루미나 고체 전해질, 그리고 순환윅으로 이루어져있다. AMTEC에서의 열손실은 주요하게 저압용기에서의 BASE와 응축부 사이에서 발생하는 열복사손실이며, 암텍의 발전량은 BASE의 온도유지력에 영향을 받기에 BASE의 표면온도를 고온으로 유지시켜주어야 고효율 발전량은 일정하게 유지할 수 있다. 이를 위하여 저압챔버에서의 복사 열손실을 줄이고 BASE온도는 상승시키고, AMTEC 시스템의 발전량 향상을 위하여 저압용기 내부의 6가지 형태의 열복사차단막에 따른 출력을 전산유체해석을 통하여 분석하였다. 분석에서 최적의 열복사차단막 형상은 수직부에 곡률을 가질 때이며, 그 때의 온도에 대한 무차원수(응축부온도/BASE온도 비)는 0.665 정도이고 출력은 약 17.69 W 정도로 다른 형상에 대비하여 높은 발전량을 갖는 것으로 계산되었다. 높이에 따른 발전량의 차이에서는 수평차단막이 BASE 상부로부터 멀리 떨어진 경우 발전량이 가장 우수하며, 17.58W 정도로 나타났다. 여러 개의 작은 홀과 다중 수평차단막을 설계한 경우는 기준이 되는 형상보다 오히려 발전량이 감소하였으며, 각각 0.91W, 2.06W 정도 감소하였다.
