CN101630926B

CN101630926B - 热光伏直接转换发电装置

Info

Publication number: CN101630926B
Application number: CN2008101244027A
Authority: CN
Inventors: 韩玉阁; 谭洪; 宣益民
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: CN101630926A

Abstract

本发明公开了一种热光伏直接转换发电装置。该装置的上中下底座固定在外壳上；所述的燃料管一端从中轴线上垂直穿过上底座和中底座与下底座垂直连接，并与该下底座设置的外接燃料入口相通，燃料管另一端连接风帽和空气扰流器；在燃料管的外围设置肋片管；烟气管设置在肋片管的外围，碳化硅管直接作为热辐射面，其下端设置在肋片管上端，石英玻璃管上端封闭，罩在碳化硅管上，下端设置在上底座上，电池片设置在石英玻璃管的外围，电池片反面设置电池散热肋片，该电池散热肋片设置在上端盖和上底座之间。本发明将燃料燃烧所释放的热能能够转变为辐射能，进而通过光伏电池转换为电能；有效改善火焰燃烧的稳定性，保证火焰的完全燃烧。

Description

热光伏直接转换发电装置

技术领域

本发明属于发电技术，特别是一种热光伏直接转换发电装置。

背景技术

热光伏发电装置是将各种诸如燃料的燃烧热、废热、太阳能、放射性同位素热源等产生的热量，通过热辐射发射面转变为红外波段的辐射能，该辐射能投射到热光伏电池上转变为电能的装置。热光伏发电装置在理论上可以获得较高的转换效率，并且具有对各种燃料的适应性、无运动部件、易于维护、高功率密度、无噪声运行与低辐射等优点，但是目前热光伏发电系统还没有得到实际的应用，其问题主要在于其热电转换效率较低，主要问题在于以下几个方面：一是燃料燃烧所释放的热能如何高效的转换为辐射能；二是如何将热辐射的波长控制在光伏电池高转换效率所对应的波长范围，减少辐射热量散失；三是如何提高光伏电池的光电转换效率；四是如何降低结构的其它散热损失。

Ed Horne在美国加州能源委员会的资助下，对可使用燃气与太阳能两种不同能源方式的热光伏系统进行了研究，针对上述问题采用了如下的技术措施：一是采用具有回热的燃烧装置，提高燃料燃烧所释放的热能转换为辐射能的比例；二是采用微格栅滤光器，在光伏电池高转换效率所对应的波长范围的热辐射透过滤光器到达光伏电池，而其它波长的热辐射被滤光器反射到热辐射面而被重新利用，但其滤光器的透过率较低，影响了系统的能量密度；三是使用GaSb低禁带光伏电池，并结合电池冷却系统提高光伏电池的光电转化效率；四是采用双层石英玻璃，并在石英玻璃中间抽真空进行隔热的方式降低结构散热(Ed Horne，Hybrid Thermophotovoltaic Power System.California Energy Commission Consultant Report，P500-02-048F)。

Edward Doyle等人研制了25W的热光伏装置(NASA/CR-2001-211071)，采用耐高温金属肋片套管式回热系统，辐射面尝试了采用碳化硅表面镀钨、Kanthal合金以及铂金等多种方式来控制热辐射的波长，电池采用集成了多层介质滤光器的GaSb光伏电池，其它表面采用镀金方式减少辐射散热(Edward Doyle，Kailash Shukla，ChristopherMetcalfe.Development and Demonstration of a 25Watt Thermophotovoltaic Power Sourcefor a Hybrid Power System.NASA/CR-2001-211071)。

他们虽然采用多种措施提高热光伏发电系统的转换效率，结果仍然不是非常理想，主要存在的问题是虽然采用了回热系统，但燃烧方式均是普通的扩散式燃烧，热能转变为有效辐射能比例较小，并且都是将燃烧器的外壁面作为热辐射面，由于热辐射面只有一面加热而另一面辐射散热，要使热辐射面达到热光伏所要求的温度，则燃烧室内部的温度要远远高于外表面温度，尾气温度也随之升高，会造成较高的余热损失；同时由于较高的内部温度也会增加结构保温的困难，造成结构散热的增加。另外，燃烧器内部促使烟气回流的装置则需承受更高的温度，对材料的耐温要求较高。Ed Horne虽然采用双层石英玻璃，并在石英玻璃中间抽真空进行隔热的方式降低结构散热，但滤光器安装在外层石英玻璃上，由于滤光器与石英玻璃是粘结的，容易造成真空泄漏，并且粘结处的胶对热辐射具有较高的吸收率，易造成粘结处温度过高，影响真空度以及滤光器的效率，从而影响了转换效率，而Edward Doyle等没有采用真空隔热措施，此部分的热损失较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可将燃料燃烧所释放的热能转变为辐射能，进而通过光伏电池转换为电能，对燃料的适应性好、功率密度及热电转换效率高、运行噪声低的热光伏直接转换发电装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热光伏直接转换发电装置，包括外壳、碳化硅管、风帽、空气扰流器、燃料管、肋片管、烟气管、中底座、设置有空气进口的下底座、上底座、多孔介质、电池片、电池散热肋片、石英玻璃管、滤光器和上端盖，该上底座、中底座和下底座固定在外壳上；所述的燃料管一端从中轴线上垂直穿过上底座和中底座与下底座垂直连接，并与该下底座设置的外接燃料入口相通，燃料管另一端连接风帽和空气扰流器；在燃料管的外围设置肋片管，该肋片管内外设置直形肋片，肋片管一端与中底座相连，另一端穿过上底座支撑碳化硅管，在下底座下方的送风扇送出的空气通过进口在燃料管和肋片管之间的通道间向上流动；所述的烟气管设置在肋片管的外围，上下端分别连接在上底座和中底座上；所述的碳化硅管直接作为热辐射面，其下端设置在肋片管上端，所述的多孔介质设置在碳化硅管内部，在多孔介质和风帽之间设置点火装置；所述的石英玻璃管上端封闭，罩在碳化硅管上，下端设置在上底座上；所述的电池片设置在石英玻璃管的外围，该电池片上下端固定在上端盖和上底座，滤光器固定在电池片朝向石英玻璃管的正面，电池片反面设置电池散热肋片，该电池散热肋片设置在上端盖和上底座之间，通过上端盖和上底座中的凹槽固定，该上端盖设置在石英玻璃管上部，固定在外壳上；所述的上底座设置在上端盖和中底座之间，该中底座上开有烟气出口的通道。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)将燃料燃烧所释放的热能能够转变为辐射能，进而通过光伏电池转换为电能。由于整个系统中没有转动部件，从而系统具有低噪声的特点；在多孔介质燃烧器、滤光器和电池片的有效配合下，系统的效率可达25％以上。(2)通过采用多孔介质燃烧器，有效改善火焰燃烧的稳定性，保证火焰的完全燃烧，并且显著改善火焰对热辐射面的加热，提高热辐射面从火焰获得能量，降低无效热损失。(3)采用石英玻璃作为燃烧器外壳，而使燃烧内管作为热辐射面，使得热辐射面较易达到所需的热源温度，并且可有效降低内部燃烧温度，降低对材料耐热性能的要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图是本发明热光伏直接转换发电装置的结构示意图。

具体实施方式

结合附图，本发明热光伏直接转换发电装置，包括外壳1、碳化硅管2、风帽3、空气扰流器4、燃料管5、肋片管6、烟气管7、中底座8、设置有空气进口12的下底座10、上底座14、多孔介质16、电池片组17、电池散热肋片18、石英玻璃管19、滤光器20和上端盖22，该上底座14、中底座8和下底座10固定在外壳1上。所述的燃料管5一端从中轴线上垂直穿过上底座14和中底座8与下底座10垂直连接，并与该下底座10设置的外接燃料入口9相通，可以在下底座10中设置一段水平通道连接外接燃料入口9，燃料管5与该水平通道垂直相通；燃料管5另一端连接风帽3和空气扰流器4。在燃料管5的外围设置肋片管6，该肋片管6内外设置直形肋片，肋片管6一端与中底座8相连，另一端穿过上底座14支撑碳化硅管2，在下底座10下方的送风扇11送出的空气通过进口12在燃料管5和肋片管6之间的通道间向上流动；所述的烟气管7设置在肋片管6的外围，上下端分别连接在上底座14和中底座8上；烟气管7外包裹有保温棉13。所述的碳化硅管2直接作为热辐射面，其下端设置在肋片管6上端，所述的多孔介质16设置在碳化硅管2内部，在多孔介质16和风帽3之间设置点火装置15。多孔介质16为耐高温的泡沫陶瓷，如为碳化硅泡沫陶瓷、氧化铝泡沫陶瓷或氧化锆泡沫陶瓷等。所述的石英玻璃管19上端封闭，罩在碳化硅管2上，下端设置在上底座14上；所述的电池片17设置在石英玻璃管19的外围，电池片17上下端固定在上端盖22和上底座14，滤光器20固定在电池片17朝向石英玻璃管19的正面，电池片17反面设置电池散热肋片18，该电池片17可以粘附在电池散热肋片18上，该电池散热肋片18设置在上端盖22和上底座14之间，通过上端盖22和上底座14中的凹槽固定。上端盖22内可以设置硅酸铝石棉21。电池散热肋片18可以为直肋或环肋形式，纯铜质地。该上端盖22设置在石英玻璃管19上部，固定在外壳1上；所述的上底座14设置在上端盖22和中底座8之间，该中底座8上开有烟气出口的通道。可以在上端盖22上方设置电池冷风扇23，该电池冷风扇23产生的风能够顺利通过上端盖22边缘的开槽到达电池散热肋片18。

实施例：本发明的燃料通过下底座10的燃料进口9进入到燃料管5。下底座10主要提供燃料和空气入口，并为燃料管5提供支撑，下底座10利用螺栓固定在外壳1上。燃料管5利用其下端部的螺纹与下底座10相连。燃料经由燃料管5、风帽3，进入多孔介质燃烧器，风帽3的作用为分散燃料气流以加强燃料和空气的混合，从而保证燃料燃烧完全，风帽3通过螺纹与燃料管5相连。

燃料燃烧所需的空气由送风扇11提供，通过下底座10的空气进口12进入风室，风室为下底座10、中底座8和外壳1所形成的空间，然后经由燃料管5与肋片管6所形成的通道，肋片管6是一个具有内外直肋片的直管，空气流经肋片管6内侧与肋片管外部的烟气进行换热而被预热，空气预热有利于提高燃料的燃烧效率。肋片管6以螺纹形式连接在中底座8上。中底座8提供肋片管6、烟气管7的支撑，并且在中底座8的中间段沿着半径方向上开有圆形烟气通道提供烟气的出口，中底座8通过螺栓固定在外壳1上。被烟气预热后的空气经过扰流器4进入多孔介质燃烧器。空气扰流器4安装在燃料管5和肋片管6形成的空气通道的末端，空气扰流器4用来增加空气的扰动从而加强空气与燃料的混合以加强燃烧效果。

多孔介质燃烧器由多孔介质16(本实施例采用碳化硅泡沫陶瓷)、碳化硅管2、石英玻璃管19构成，碳化硅管2固定在肋片管6上，碳化硅泡沫陶瓷嵌在碳化硅管2内，石英玻璃19通过上端盖22和上底座14固定，同时在上端盖22中附有硅酸铝石棉21，防治热量从顶端散失。在燃烧器的入口处，采用电火花点火装置15进行点火。多孔介质燃烧器的燃烧过程为：火焰通过对流换热和辐射换热加热多孔介质16，由于多孔介质16存在固体骨架，具有较高的发射率以及导热性能，高温的多孔介质16通过导热和热辐射对来流的空气和燃气进行预热，并且多孔介质16的固体骨架对空气和燃气的流动具有扰动作用，可促进空气和燃气的均匀混合，有利于燃料的完全和稳定燃烧。另外，多孔介质16通过导热和热辐射对碳化硅管2径进行加热，与单纯的火焰气体加热相比，碳化硅管2更易被加热，也就是说加强了碳化硅管2与火焰之间的换热，减少了烟气带走的热量，降低了无效热损失。

高温烟气从石英玻璃管19和碳化硅管2之间的通道进入烟气管7。碳化硅管2内表面被内部的高温火焰以及泡沫陶瓷发出的热辐射加热，其外表面被高温烟气加热，其温度可以较易达到热光伏电池所对应的温度。燃烧产生的高温烟气在烟气管7与肋片管6构成的通道中向下流动，烟气和来流的空气进行换热从而预热空气，最后烟气从中底座8排入大气，烟气管通过中底座8和上底座14固定。在烟气管7的外部赋有保温石棉13，以降低烟气向外部的散热。

被加热到高温的碳化硅管2发出的热辐射照射到石英玻璃管19，由于石英玻璃是透明的，热辐射透过石英玻璃到达滤光器20，石英玻璃管19的主要作用是作为燃烧器的外壳，隔绝燃烧产生的高温烟气对滤光器20和电池片17的污染，并透过热辐射。滤光器20是一种光谱选择性透过器件，本实施例是采用多层介质干涉式滤光器，通过石英玻璃到达滤光器20的热辐射中与电池片17所对应波长范围内的热辐射透过滤光器20到达电池片17的表面，而其它波长范围的热辐射被反射回出，被碳化硅管2表面吸收而被重复利用，提高能量的利用率。

电池片17为光伏电池，本实施例中的光伏电池采用锑化镓光伏电池，电池接受通过滤光器20的辐射能而产生电能。电池片17可以通过导热绝缘胶粘结在电池散热片18上，电池散热片18的作用是降低电池片的运行温度。电池片正面为滤光片20，散热片采用铜质直肋片，散热的风量由冷风扇23供给，滤光器20和散热片18通过上端盖22凹槽与下连接件的凹槽固定，下连接件利用螺纹连接在上底座14上。

Claims

1.一种热光伏直接转换发电装置，其特征在于：包括外壳[1]、碳化硅管[2]、风帽[3]、空气扰流器[4]、燃料管[5]、肋片管[6]、烟气管[7]、中底座[8]、设置有空气进口[12]的下底座[10]、上底座[14]、多孔介质[16]、电池片[17]、电池散热肋片[18]、石英玻璃管[19]、滤光器[20]和上端盖[22]，该上底座[14]、中底座[8]和下底座[10]固定在外壳[1]上；所述的燃料管[5]一端从中轴线上垂直穿过上底座[14]和中底座[8]与下底座[10]垂直连接，并与该下底座[10]设置的外接燃料入口[9]相通，燃料管[5]另一端连接风帽[3]和空气扰流器[4]；在燃料管[5]的外围设置肋片管[6]，该肋片管[6]内外设置直形肋片，肋片管[6]一端与中底座[8]相连，另一端穿过上底座[14]支撑碳化硅管[2]，在下底座[10]下方的送风扇[11]送出的空气通过进口[12]在燃料管[5]和肋片管[6]之间的通道间向上流动；所述的烟气管[7]设置在肋片管[6]的外围，上下端分别连接在上底座[14]和中底座[8]上；所述的碳化硅管[2]直接作为热辐射面，其下端设置在肋片管[6]上端，所述的多孔介质[16]设置在碳化硅管[2]内部，在多孔介质[16]和风帽[3]之间设置点火装置[15]；所述的石英玻璃管[19]上端封闭，罩在碳化硅管[2]上，下端设置在上底座[14]上；所述的电池片[17]设置在石英玻璃管[19]的外围，电池片[17]上下端固定在上端盖[22]和上底座[14]，滤光器[20]固定在电池片[17]朝向石英玻璃管[19]的正面，电池片[17]反面设置电池散热肋片[18]，该电池散热肋片[18]设置在上端盖[22]和上底座[14]之间，通过上端盖[22]和上底座[14]中的凹槽固定，该上端盖[22]设置在石英玻璃管[19]上部，固定在外壳[1]上；所述的上底座[14]设置在上端盖[22]和中底座[8]之间，该中底座[8]上开有烟气出口的通道。

2.根据权利要求1所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：多孔介质[16]为耐高温的泡沫陶瓷。

3.根据权利要求2所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：泡沫陶瓷为碳化硅泡沫陶瓷、氧化铝泡沫陶瓷或氧化锆泡沫陶瓷。

4.根据权利要求1所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：烟气管[7]外包裹有保温棉[13]，上端盖[22]内设置硅酸铝石棉[21]。

5.根据权利要求1所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：电池片[17]粘附在电池散热肋片[18]上。

6.根据权利要求1或5所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：电池散热肋片[18]为直肋或环肋形式。

7.根据权利要求1所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：在上端盖[22]上方设置电池冷风扇[23]，该电池冷风扇[23]产生的风能够顺利通过上端盖[22]边缘的开槽到达电池散热肋片[18]。

8.根据权利要求1所述的热光伏直接转换发电装置，其特征在于：在下底座[10]中设置一段水平通道连接外接燃料入口[9]，燃料管[5]与该水平通道垂直相通。