CN103560706A - 基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置，属太阳能热发电工程领域。本装置主要由点聚焦式菲涅尔透镜、透明玻璃盖板、圆柱形腔式吸热器内壁、圆柱形腔式吸热器外壁、环形温差发电模块、平板型温差发电模块、环形翅片和等截面直肋片组成。与其它太阳能热发电装置相比，本装置可实现温差发电模块热端的均匀壁温加热，具有结构紧凑、运动部件少、噪音低、运行可靠、维护成本低、调节方便、性能好的特点，可作为分布式能源使用。

Description

基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置

技术领域：

本发明的名称为一种基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置，属太阳能热发电工程领域。

背景技术：

太阳能作为一种清洁无污染，取之不尽用之不竭的能源，引起了各国学者的高度重视并进行了大量的研究。现阶段，太阳能发电技术主要包括太阳能热发电技术和太阳能光伏发电技术，其中前者先将太阳能转换为热能，然后由热能转换为机械能之后再转换为电能，除热能的来源不一样之外，其它与现有的常规热发电技术相比并无太大差别。但是一般来说，能量转换过程和阶段越多，转换过程中的损失就越大，这将增加整个系统的成本；而且效率一般与装机容量成正比，不适合作为分布式能源使用；同时，常规的热发电技术大多带有运动部件，这将导致设备磨损和噪音，运行维护费用高等问题。对于太阳能光伏发电技术，虽然通过光电效应，可直接把太阳能转换为电能，但是其转换效率相对较低，而且在制造太阳能电池板的过程中，会消耗大量的资源以及产生严重的污染，其应用前景也有一定的局限。

近年来，随着在温差电极材料上取得突破性进展，利用Seebeck效应的温差发电在余热回收利用、制冷、太阳能发电以及太空等领域得到了广泛的应用。太阳能温差发电技术，作为一项新技术，具有运动部件少、噪音小、寿命长、运行可靠、稳定性好、成本低以及热电转换效率基本与装机容量无关等特点，在近几十年受到广泛关注。其中由法国学者Fresnel发明的菲涅尔透镜，经过近200年的发展，由于具有重量轻、制造加工简单、成本低以及光学性质好等优点，使其在太阳能利用中的地位日益增长，有学者预测，菲涅尔透镜将成为太阳能热转换利用中聚热部件的最佳选择之一，即通过采用廉价的聚光系统将太阳光聚集到面积较小的部件表面上，可大幅度地降低系统的成本。目前，由菲涅尔透镜和光伏电池组成的光伏发电系统以及由菲涅尔透镜和温差发电模块组成的热发电系统已有学者提出并开展了相关性能研究。而对由菲涅尔透镜和腔式吸热器构成的聚光式太阳能热转换利用系统也已在太阳能利用中得到了快速发展。

然而值得指出的是，不管是现有的由菲涅尔透镜和温差发电模块组成的热发电系统还是由菲涅尔透镜和腔式吸热器构成的聚光式太阳能热转换利用系统，通过菲涅尔透镜聚焦后的太阳光直接照射到温差发电模块的热端或腔式吸热器的内壁面上时，由于点聚焦式菲涅尔透镜的聚焦特性会在聚焦表面形成非均匀温度场乃至热点，从而对整个装置性能产生不利影响，特别是对温差发电模块热电转换性能的影响更加不利；另外，在现有的装置中，大多没有采用有效的措施来减小其不必要的热损失，使得通过菲涅尔透镜聚焦的太阳辐射能量没有得到最大程度的利用，整个装置的效率较低。

基于以上现状和思想，提出一种能实现温差发电模块热端均匀壁温加热的基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置。

发明内容：

本发明提供一种基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置。本装置一方面把点聚焦式菲涅尔透镜和腔式吸热器结合在一起，另一方面通过引入热管原理，实现温差发电模块热端的均匀壁温加热，提高温差发电模块的热电转换性能，把太阳能聚焦集热技术、温差发电技术和热管技术有机结合起来，从而实现太阳能的高效热电转换和利用。

本发明通过以下技术方案实现：

主要由点聚焦式菲涅尔透镜1、透明玻璃盖板2、圆柱形腔式吸热器内壁3、圆柱形腔式吸热器外壁4、环形温差发电模块7、平板型温差发电模块8、环形翅片9和等截面直肋片10组成的基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置，其特征在于：圆柱形腔式吸热器内壁3围成圆柱形腔体，且腔体开口向上；腔体开口处设置有透明玻璃盖板2，以减少整个装置的热损失和防止圆柱形腔式吸热器内壁3被污染；经过点聚焦式菲涅尔透镜1的太阳辐射聚焦光线透过透明玻璃盖板2到达腔体内部，加热圆柱形腔式吸热器内壁3；环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的热端分别与圆柱形腔式吸热器外壁4的侧面和底面紧密相连，环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的冷端分别与环形翅片9和等截面直肋片10紧密相连。

本发明的圆柱形腔式吸热器内壁3与圆柱形腔式吸热器外壁4组成真空腔体，真空腔体内的工质可根据运行温度选择，真空腔体内均匀布置金属翅片6，在金属翅片6的中心线上均匀开有圆形小孔11，且在金属翅片6以及真空腔体表面均设有毛细吸液芯5，形成基于热管原理的结构，实现对环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8热端的均匀壁温加热。

本发明与现有太阳能热电转换装置相比具有以下特点：（1）采用质量轻且成本较低的点聚焦式菲涅尔透镜作为本装置的聚光系统，可通过调整点聚焦式菲涅尔透镜的聚焦比以及腔体开口与点聚焦式菲涅尔透镜的位置来改变温差发电模块热端和冷端的工作温度以及输出功率，从而可以适应和满足不同的负荷需求，调节方便。（2）在圆柱形腔体的开口平面上设置透明玻璃盖板，一方面可有效减小整个装置的热损失，另一方面可防止圆柱形腔式吸热器内壁免受污染，整个装置运行稳定、可靠。（3）采用基于热管原理的结构以及环形和平板型的温差发电模块，使得温差发电模块的热端变传统的非均匀壁温加热为均匀壁温加热，可有效提高整个装置的热电转换性能，同时可延长整个装置的寿命。（4）整个装置的能量转换环节少，把太阳能聚焦集热技术、温差发电技术和热管技术有机结合起来，有利于提高整个装置的效率；同时运动部件少，噪音低，运行维护费用低。（5）本装置的效率与装机容量关系不大，可作为地面的分布式能源，可以用来解决偏远地区或空间站等电力缺乏地区的电能供给问题。

附图说明：

图1为本发明实施示意图，图2为图1的A-A剖面视图；

其中：1-点聚焦式菲涅尔透镜；2-透明玻璃盖板；3-圆柱形腔式吸热器内壁；4-圆柱形腔式吸热器外壁；5-毛细吸液芯；6-金属翅片；7-环形温差发电模块；8-平板型温差发电模块；9-环形翅片；10-等截面直肋片；11-圆形小孔。

具体实施方式：

以下结合说明书附图中的图1和图2对本发明具体实施进行详细说明。

本发明主要由点聚焦式菲涅尔透镜1、透明玻璃盖板2、圆柱形腔式吸热器内壁3、圆柱形腔式吸热器外壁4、环形温差发电模块7、平板型温差发电模块8、环形翅片9和等截面直肋片10组成；圆柱形腔式吸热器内壁3围成圆柱形腔体，且腔体开口向上；腔体开口处设置有透明玻璃盖板2；经过点聚焦式菲涅尔透镜1的太阳辐射聚焦光线透过透明玻璃盖板2到达腔体内部，加热圆柱形腔式吸热器内壁3；环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的热端分别与圆柱形腔式吸热器外壁4的侧面和底面紧密相连，环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的冷端分别与环形翅片9和等截面直肋片10紧密相连；圆柱形腔式吸热器内壁3与圆柱形腔式吸热器外壁4组成真空腔体，真空腔体内的工质可根据运行温度选择，真空腔体内均匀布置金属翅片6，在金属翅片6的中心线上均匀开有圆形小孔11，且在金属翅片6以及真空腔体表面均设有毛细吸液芯5，形成基于热管原理的结构，实现对环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8热端的均匀壁温加热。

本发明的工作过程如下：

太阳光经过点聚焦式菲涅尔透镜1聚焦后透过圆柱形腔体开口处的透明玻璃盖板2进入圆柱形腔体内部并加热圆柱形腔式吸热器内壁3，然后热量以热传导的方式传递到由圆柱形腔式吸热器内壁3、圆柱形腔式吸热器外壁4和金属翅片6组成的各个小真空腔体内，各个小真空腔体通过圆形小孔11相通，在各个小真空腔体内的液态工质吸热汽化；汽化后的工质运动至圆柱形腔式吸热器外壁4的内侧并冷凝，通过冷凝，汽态工质把热量传递给与圆柱形腔式吸热器外壁4外侧紧密连接的环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的热端后凝结成液态工质；液态工质在各个小真空腔体内表面的毛细吸液芯5的作用下，回流至圆柱形腔式吸热器内壁3上，重新吸热汽化；布置在圆柱形腔式吸热器外壁4侧面与底面的环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的热端吸收的热量分别通过其中内置的温差电极对时，一部分热量通过热电效应转换成有用的电能输出；剩余的热量传递至环形温差发电模块7和平板型温差发电模块8的冷端，然后分别经环形翅片9和等截面直肋片10以对流和辐射换热的方式传递至周围环境。

Claims (2)

1.一种基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置，主要由点聚焦式菲涅尔透镜（1）、透明玻璃盖板（2）、圆柱形腔式吸热器内壁（3）、圆柱形腔式吸热器外壁（4）、环形温差发电模块（7）、平板型温差发电模块（8）、环形翅片（9）和等截面直肋片（10）组成；其特征在于：圆柱形腔式吸热器内壁（3）围成圆柱形腔体，且腔体开口向上；腔体开口处设置有透明玻璃盖板（2），以减少装置的热损失和防止圆柱形腔式吸热器内壁（3）被污染；经过点聚焦式菲涅尔透镜（1）的太阳辐射聚焦光线透过透明玻璃盖板（2）到达腔体内部，加热圆柱形腔式吸热器内壁（3）；环形温差发电模块（7）和平板型温差发电模块（8）的热端分别与圆柱形腔式吸热器外壁（4）的侧面和底面紧密相连，环形温差发电模块（7）和平板型温差发电模块（8）的冷端分别与环形翅片（9）和等截面直肋片（10）紧密相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜和热管原理的太阳能温差发电装置，其特征在于：圆柱形腔式吸热器内壁（3）与圆柱形腔式吸热器外壁（4）组成真空腔体，真空腔体内的工质可根据运行温度选择，真空腔体内均匀布置金属翅片（6），在金属翅片（6）的中心线上均匀开有圆形小孔（11），且在金属翅片（6）以及真空腔体表面均设有毛细吸液芯（5），形成基于热管原理的结构，实现对环形温差发电模块（7）和平板型温差发电模块（8）热端的均匀壁温加热。

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