CN103062883A - 一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热光伏技术领域，具体涉及热光伏整体系统装置，该系统包括热源、热辐射器、光子过滤器、热光伏电池，在热光伏电池板的背面设有光电池冷却设备；在热辐射器的烟气排放出口设置一个烟气余热换热设备。本发明用水冷却热光伏电池，有效的降低了热光伏电池因接收辐射能而造成的自身温度升高。而且冷却水经过换热后，还能回收这部分能量，提高系统的热效率。

Description

一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统
技术领域
本发明属于热光伏技术领域，具体涉及热光伏整体系统装置，是基于提高热光伏系统的整体效率而进行的改进型设计，以提升热光伏系统的总体性能。燃烧室发出的辐射能是用热光伏电池收集来产生电能的,热光伏电池因接收辐射能而温度升高，用冷水对其进行冷却，以维持恒定低温下的高效运行，并且回收冷却水的热量；冷却后的水再与高温烟气换热，进一步加热后供使用。组成热电联产装置，提高热光伏系统的效率。
背景技术
热光伏技术(TPV)利用各种能量加热辐射体并达到较高温度，高温辐射体辐射出的光子打到热光伏电池表面，通过半导体p-n结直接转换成电能。传统的热光伏(TPV)系统包括以下几个部分：热源、热辐射器、光子过滤器、热光伏电池。通过热源燃烧加热辐射器到高温(通常在1200K以上)，辐射器发出的红外辐射一部分经过滤波器到达热光伏电池，另一部分返回到辐射器继续加热辐射器，照射到热光伏电池的辐射能一部分被转化为电能，剩下的辐射能作为废热排放掉。因此，有很多能量没有得到有效的利用，目前TPV系统的整体效率普遍不高，在实验条件下得到的电效率都在10%以下，主要是由于热光伏电池效率的限制和余热资源的浪费而降低了系统的效率。因此，本发明在传统的光伏系统上做出了两点改进，以达到热电联产的目的：
(1)由于不断接受辐射能，电池表面温度不断升高，其效率会下降。据研究显示，在辐射源温度为1227℃时，电池温度为25℃情况下电池转换效率为25%，而当电池温度为130℃时，电池的转换效率则降低为17%。因此可以用水来冷却电池表面，以维持在恒定低温下工作，避免因温度升高带来的工作效率下降。
(2)在没有任何热回收措施的情况下，大量的能量就浪费掉了。如果高温燃烧产物直接排放，不仅浪费能源，还对环境造成危害。因此在排烟出口加一个换热装置，降温排放温度、回收热能；达到热电联产，提高整个系统的效率。
发明内容
本发明目的是为了提高TPV系统的整体性能，用冷却水来冷却光电池，以维持在恒定低温下高效运行。在烟气排放出口设置一个换热设备，回收高温烟气的余热，减少污染，节约能源。
本发明通过以下技术方案得以实现：一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统，包括热源、热辐射器、光子过滤器、热光伏电池，在热光伏电池板的背面设有光电池冷却设备；在热辐射器的烟气排放出口设置一个烟气余热换热设备，所述冷却设备由水泵和冷却水管构成，所述烟气余热换热设备包括烟气管道和水通道，所述水通道是冷却水管的延伸。
上述方案中所述冷却水管在热光伏电池板的背面蛇形布置。烟气余热换热设备为套管式换热器，烟气管道套在水通道外。
进一步地，辐射器外壁面采用SiC材质，以便与GaSb电池匹配；辐射器内的燃烧室采用多孔介质填充，得到的辐射器外表面温度更均匀，产生的辐射效果更好。在辐射器与热光伏电池之间布置光子过滤器，将大于禁带波长的光子反射回辐射器。热光伏电池采用GaSb，布置在外围，接收来自辐射器发出的辐射能。在电池板的背面布置水管，用以冷却电池表面，由水泵驱动，流量由燃料燃烧产生的化学能、光电池的效率以及需要加热的温升来确定。经过初步加热的低温热水再与高温烟气进行换热，采用套管式换热器，烟气与热水隔开并逆流换热，以增强换热效果。
本发明与现有的热光伏系统相比，有如下创新：
1、用水冷却热光伏电池，有效的降低了热光伏电池因接收辐射能而造成的自身温度升高。电池表面温度升高后，设备的效率会随之下降，而且设备运行的寿命也会受到影响。而采用冷却水系统后，不仅能提高热光伏电池的电效率，还能提高设备的运行寿命，而且冷却水经过换热后，还能回收这部分能量，提高系统的热效率。
2、在烟气排放出口设置换热器，有效的降低了排烟温度，减少了污染物的生成与排放，而且还将烟气的余热有效的利用起来，提高了系统的热效率。
本发明之所以能从电、热两方面提高系统的总效率，其主要原因是：
1、最大限度地利用了投射到光电池的那部分能量，将原来对光电池效率有负面作用的能量转化成热能，并同时降低了光电池的工作温度，提高了光电池的效率。
2、回收了高温烟气的余热，并将这部分余热有效的利用起来，用来产生热水。
附图说明
图1是改进后的热光伏热电联产系统原理图。
图2是热光伏电池的换热原理图；
图中：1.水泵；2.阀门；3.热光伏电池面板；4.蛇形布置的水管。
图3是套管式换热器原理图
图中：1.低温热水入口；2.高温热水出口；3.高温烟气入口；4.排烟出口；
5.冷却水通道；6.烟气通道。
具体实施方式
参见图1，在传统的热光伏系统基础上，加入光电池冷却设备(如图2)和烟气余热换热设备(如图3)，成为改进后的一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统。燃料进入燃烧－辐射器后，燃烧产生高温加热辐射器的外壁面，由辐射器发出的光子经过过滤器后打到热光伏电池上产生电能。
在热光伏电池接收辐射能的同时，电池表面的温度会升高。为了降低电池表面温度，在热光伏电池的背面加入换热系统（如图2）。冷却水由水泵1驱动，经过背面布置的蛇形水管4与热光伏电池进行换热，阀门2控制水的流量进而控制电池的表面温度，以维持热光伏电池在恒定低温下的高效运行。
经过初步加热的低温热水经过换热器与高温烟气换热，进一步加热成高温热水。从图2所示的蛇形水管中出来的低温热水进入低温热水入口1，而高温烟气从入口3进入，水与烟气逆流换热，以增强换热效果。经过再次换热后，从出口2得到高温热水，烟气则从出口4排出。
经过上述的热量回收，带余热回收的热光伏热电联产装置相比于传统的热光伏系统，在效率上有较大的提升。

Claims (3)

1.一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统，包括热源、热辐射器、光子过滤器、热光伏电池，其特征在于，在热光伏电池板的背面设有光电池冷却设备；在热辐射器的烟气排放出口设置一个烟气余热换热设备，所述冷却设备由水泵和冷却水管构成，所述烟气余热换热设备包括烟气管道和水通道，所述水通道是冷却水管的延伸。
2.根据权利要求1所述的一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统，其特征在于，所述冷却水管在热光伏电池板的背面蛇形布置。
3.根据权利要求1所述的一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统，其特征在于，烟气余热换热设备为套管式换热器，烟气管道套在水通道外。
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