CN101562412B - 一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，电力发生器的顶部为菲涅耳透镜7，在菲涅耳透镜7正下方放置石英长方体容器13；其中石英长方体容器13的上下两面为SiO2/Si过滤层10，其余四个侧面安置了反射镜3；分别在距石英长方体容器13的上下两面各5mm处平行放置热红外光电池9，热红外光电池9的外侧安置了冷却装置2；在石英长方体容器13上面的热红外光电池9和冷却装置2中央嵌入一个次透镜8；石英长方体容器13中央安置一个平行板式辐射器6，平行板式辐射器6的固定以及预混合燃气的导入和燃烧尾气的导出由隔热导管4完成；电控气阀与电子点火电极12安置于预混合燃气的导入端口11。本发明的电力发生器能全天候稳定、持续输出电能。

Description

一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器
技术领域
本发明属于新型能源利用领域，特别涉及一种基于热红外光电技术综合利用太阳能和燃料化学能的新能源系统。
背景技术
热红外光发电技术与太阳能光电池发电技术相似，所不同的是它进行光电转化所对应的波长是大于0.76μm的近红外辐射。太阳能热光电(STPV)系统是热红外光电技术应用的典范(见文献：V D Rumyantsev et al.Structural features of a solar TPV systems[C].6th CTGE，Freiburg，2004)。根据文献中的介绍，STPV系统中经高度聚集的太阳能加热辐射器后激发出大量光子，其中有效辐射能通过热红外光电池直接转换成电能，过滤后的无效辐射能则被返回再利用，整个系统工作效率达30％以上，这比一般的太阳能光电池发电系统21％的效率要高。
STPV系统作为一种能源装置，其最大的缺陷便是：因为能量来源完全依赖太阳光，所以受昼夜，季节或天气的影响而不能稳定、持续输出电能；其次，STPV系统为使辐射器达到必要工作温度，对聚光装置的要求相当高，必须引入的自动日光追踪转向设备和抛物线型凹面复合式集中器(CPC)等，这些都大大增加了装置复杂性、成本以及故障率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能同时利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，它可以同时利用太阳能和燃料化学能以近红外辐射形式经热红外光电转化而产生电能，克服了原有的太阳能热光电(STPV)系统存在的由于完全依赖太阳光，受昼夜，季节或天气的影响而不能稳定、持续输出电能的不足。
本发明一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器的能量转换原理如说明书附图1所示：经聚集的太阳能或燃料燃烧热能以近红外辐射形式经热红外光电转化而产生电能；其中的无效辐射则被过滤和反射回收且用于能量再利用。
本发明的一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器的各部分组成和连接关系如说明书附图2所示：发生器的顶部为菲涅耳透镜7，在菲涅耳透镜7正下方放置一个透明的带真空腔(或低压腔)的石英长方体容器13；其中石英长方体容器13的上下两面涂上SiO2/Si过滤层10，而其余四个侧面安置了反射镜3。分别在距石英长方体容器13的上下两面各5mm处平行放置背面带反射镜的热红外光电池9，热红外光电池9的外侧安置了冷却装置2。在石英长方体容器13上面的热红外光电池9和冷却装置2中央嵌入一个次透镜8。在石英长方体容器13中央安置一个平行板式辐射器(燃烧室)6，平行板式辐射器(燃烧室)6的固定以及预混合燃气的导入和燃烧尾气的导出由隔热导管4完成。位于石英长方体容器13内部的那部分导管4的外壁面上也涂有反射涂层，而且隔热导管4与石英长方体容器13的侧面、反射镜3的垂直结合处用隔热胶进行密封。电控气阀的工作端与电子点火电极12安置于燃气导入端口11，电控气阀的终端带有环境太阳光光强传感器。
各部件详细组成和材质为：由菲涅耳透镜7和普通的次透镜8组成了二阶日光集中器，这种组合的主要特色是价格便宜，简单实用。平行板式辐射器6用SiC加工而成，同时这也是燃料的燃烧室。SiC是一种耐高温性能良好且廉价的宽带宽黑体辐射材料，其主要参数见下表。
辐射器材料特征参数
  材料名称   碳化硅
  导热系数   92W/m·k
  密度   3.10g/cm3
  吸收比(红外辐射率)   0.77(法线方向)
也可选用金属钨等作为辐射器材料，这类选择性辐射材料还能进一步提升装置效率，但成本有所提高。平行板式的辐射器相对圆柱式的来说，加工和配合光电池的定位安装更简便，装置体积相应缩小进而提高体积能量密度，还易于实现模块化。为了避免昂贵的半导体层的外延生长技术，热红外光电池9采用在锑化镓的n基层进行Zn扩散的方法制造，目前该技术已经商业化了。SiO2/Si过滤层10的制作方法是用常规的电子束蒸发器把SiO2和Si交替镀在石英面上，如此九层的绝缘过滤层能良好地选择性透过有效红外辐射：平行板式辐射器6在1000-2000K的温度条件下工作时，辐射波谱中包含了很大一部分能量低而不足以使热红外光电池9产生自由电子的光子(hv＜Eg)，这部分能量会被热红外光电池9吸收并成为有害热载，进而使系统转换效率急剧下降；SiO2/Si过滤层10会将这些分布在1.8-3.5μm波段上的低能辐射反射回并且重新用于加热平行板式辐射器6，而完全透过可激发电子的高能辐射。对长方体容器13内除去平行板式辐射器6和隔热导管4的其余空间进行抽真空处理，尽可能地避免能量以导热或热对流的传导方式散失掉，特别地像金属钨辐射器，在高温时与空气中的氮气会发生化合反应，故而长方体容器13方腔内保证一定的真空度是有必要的。冷却装置2以液冷或强迫风冷方式处理热红外光电池9的冷却问题。系统产生的燃烧尾气5温度一般高达1000K，有很高的余热利用价值，其和冷却装置2都可以接入余热再利用系统以提高能源综合利用率，比如并入家用热电联合系统(Domestic-CHP)。燃料应该优先选择氢气，生成的尾气为无污染的高温水蒸气。人畜肥堆沤、材料加工工厂废料等产生的生物质沼气经过简单脱硫装置过滤后也可作为装置的燃料，燃烧产物为水蒸气和二氧化碳混合气，与直接排放沼气或燃烧传统化石燃料相比，很大程度地预防或减小了环境污染。回火防止器和燃料/空气预混合器也是必须的，这两项在燃烧系统中比较常见，故而未在专利附图中注明。若改用钨质辐射器时，助燃剂必须使用氧气而不是空气。
与现有STPV技术相比，本发明的能量来源为太阳光和燃料，因为不完全依赖太阳光，所以不受昼夜，季节或天气的影响，能全天候稳定、持续输出电能；其次，整个系统无运动部件，聚光装置也得到了简化，因此无噪音、操作简便、故障率极低；再次，热红外光电池的安置设计有所改进，增加了辐射吸收面积。此外，与传统能源系统相比，本发明还有微排放(若以氢气为燃料，则完全无污染)、可充分运用生物质沼气能等新型燃料的优点，特别适用于家庭用户或偏远地区，而且装置轻便，有一定的便携性优势。
附图说明
图1为能源转换原理图，
图2为装置结构图。在图2中，1-太阳光；2-冷却装置；3-反射镜；4-隔热导管；5-燃烧尾气导出端口；6-平行板式辐射器(燃烧室)；7-菲涅耳透镜；8-次透镜；9-背面带反射镜的热红外光电池；10-过滤层；11-预混合燃气导入端口；12-电控气阀与电子点火电极；13-带真空腔(或低压腔)的石英长方体容器
具体实施方式
如说明书附图2所示，经菲涅耳透镜7和次透镜8聚集的太阳能1或燃料燃烧的热能加热辐射器(燃烧室)6后激发辐射能，有效辐射能通过热红外光电池9直接转换成电能，由过滤层10过滤后的无效辐射能则被返回辐射器6再利用。
对应于不同的输出电压/电流需求，通过调节日光集中比、燃料流量、光电池的串联等方式来确定不同规模大小的太阳能/燃料-热红外光电系统。预混合燃气导入端口11流量的自动调节以及点火通过带环境光强自动感应的电控气阀与电子点火电极12来实现；当然也可切换为手动调节模式，以选择性升降输出功率，一般地，白天单独利用太阳能集热发电，晚上则启动燃料供给，由燃料燃烧集热发电，阴雨等日照不充分的天气或需要高功率电能输出时，太阳能/燃料联合供能。

Claims (5)

1.一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，由冷却装置(2)、反射镜(3)、隔热导管(4)、平行板式辐射器(6)、菲涅耳透镜(7)、次透镜(8)、背面带反射镜的热红外光电池(9)、SiO2/Si过滤层(10)、电控气阀与电子点火电极(12)和石英长方体容器(13)组成，其特征在于电力发生器的顶部为菲涅耳透镜(7)，在菲涅耳透镜(7)正下方放置一个石英长方体容器(13)；其中石英长方体容器(13)的上下两面为SiO2/Si过滤层(10)，而其余四个侧面安置了反射镜(3)；分别在距石英长方体容器(13)的上下两面各5mm处平行放置背面带反射镜的热红外光电池(9)，热红外光电池(9)的外侧安置了冷却装置(2)；在石英长方体容器(13)上面的热红外光电池(9)和冷却装置(2)中央嵌入一个次透镜(8)；石英长方体容器(13)中央安置一个平行板式辐射器(6)，平行板式辐射器(6)的固定以及预混合燃气的导入和燃烧尾气的导出由隔热导管(4)完成；电控气阀与电子点火电极(12)安置于预混合燃气的导入端口(11)。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，其特征在于位于长方体容器(13)内部的部分隔热导管(4)的外壁面上也涂有反射涂层，而且隔热导管(4)与长方体容器(13)的侧面、反射镜(3)的垂直结合处用隔热胶进行密封。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，其特征在于长方体容器(13)内除去平行板式辐射器(6)和隔热导管(4)的其余空间进行抽真空处理。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，其特征在于平行板式辐射器(6)用SiC材料加工而成。
5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能和燃料化学能的电力发生器，其特征在于冷却装置(2)以液冷或强迫风冷方式进行冷却。
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