CN103997281A - 一种二次发电的热光伏热电联产装置 - Google Patents

一种二次发电的热光伏热电联产装置 Download PDF

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潘剑锋
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Abstract

本发明公开了一种能够二次发电的热光伏热电联产装置,该装置包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组。所述燃烧器与光伏电池对中平行放置,所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面,电池冷却通道设置在光伏电池板的背面,燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机,所述燃气轮机的一端与压缩机连接,其另一端与发电机组连接;所述陶瓷换热器为管翅式结构,水在光滑的管内流动,烟气在管外的翅片上流动。本发明最大限度地利用了燃料燃烧释放出的能量,使装置的能量转换效率得到进一步提升。

Description

一种二次发电的热光伏热电联产装置
技术领域
[0001] 本发明属于热光伏技术领域,具体涉及一种新型利用热光伏原理的热电联产技术,特指一种能够二次发电的热光伏热电联产装置。
背景技术
[0002] 近年来,对热光伏(TPV)系统的开发已成为世界范围内的一个研究热点。传统的热光伏系统包括以下几个部分:热源、热辐射器、光子过滤器、光电池,它利用某种能量加热辐射体使其达到较高温度,高温辐射器释放的光子碰撞光电池表面,通过内部的半导体p-n结转化为电能。TPV系统所需的热源来源丰富,其中燃烧产生化学能是最为常见的热源形式,受光伏电池光电转换效率、过滤器滤波效果的限制、以及高温废气的能量浪费,该种TPV系统的整体效率普遍不高,在实验条件下得到的装置整体转换效率都在10%以下。
[0003] 对于热光伏系统的核心部件——光伏电池,由于吸收了很多不能进行光电转换的辐射能,其表面温度会不断升高,导致工作效率下降。据研究显示,在辐射源温度为1227°C、光电池温度为25°C情况下,GaSb光电池转换效率为25%,而当电池温度为130°C时,光电池的转换效率则降低为17%。因此,为使光伏电池保持最佳工作状态,光伏电池的冷却效果必须得到保障。此外,燃烧过程必然会产生一定的废弃物,通常这些高温产物都是直接排放的,这不仅浪费能源,还对环境造成危害。
[0004] 关于降低光伏电池温度的结构设计,现有技术中已有相关的技术方案公开,如中国专利号:201210543617.9,发明名称为:一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统,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,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。该申请案虽然实现了光伏电池的降温,通过烟气余热换热设备把高温烟气的余热回收变为热水,但是该申请案没有利用高温烟气产生电能,实现高温烟气的更充分的利用,提高TPV系统的转换效率。
[0005] 基于以上分析,为进一步提高TPV系统的转换效率,如何合理利用发电过程各个环节的余热废热,实现热电联产就显得非常有必要。
发明内容
[0006] 1、发明要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的是根据热光电系统的工作特点,提供一种一种二次发电的热光伏热电联产装置,从而实现系统能量转换效率较大程度的提高。
[0008] 2、技术方案
[0009] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0010] 一种二次发电的热光伏热电联产装置,包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组;[0011] 所述燃烧器与光伏电池对中平行放置,所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面,电池冷却通道设置在光伏电池板的背面,燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机,所述燃气轮机的一端与压缩机连接,其另一端与发电机组连接;所述陶瓷换热器为管翅式结构,水在光滑的管内流动,烟气在管外的翅片上流动。
[0012] 更进一步地,所述燃烧器为平行板结构,其内部填充多孔介质,其材料为Al2O315
[0013] 更进一步地,所述光伏电池选禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μπι的GaSb电池。
[0014] 更进一步地,所述光伏电池的冷却通道为平行板结构,通道内部设置扰流翅片。
[0015] 更进一步地,所述选择性过滤器为一维周期性Si/Si02光子晶体薄膜型过滤器。
[0016] 更进一步地,所述选择性过滤器采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。
[0017] 热光伏热电联产装置同时利用热光伏技术和燃气轮机发电技术,产生电能。
[0018] 热光伏热电联产装置在完成二次发电工作的同时,产生不同温度的热水,实现了余热和废热利用。
[0019] 燃料和氧化剂经充分混合后进入燃烧器后进行燃烧,燃烧器外表面即为辐射表面,高温状态时释放出的辐射能经选择性过滤器后,一部分有效的辐射能穿过过滤器,照射到光伏电池表面,由光伏电池转换成电能,而另一部分则会由过滤器返回至辐射器以进行热量回收。为避免电池因温度升高带来的工作效率下降,采用冷水降温的方式以维持其在恒定低温下工作,而冷却水在吸收电池的热量后变成低温热水,可以直接供给家庭使用。另一方面,在燃烧器排烟出口安装了一个陶瓷换热器和压缩机,陶瓷换热器的冷媒也为冷却水,通过热量交换在产生大量高温热水的同时,最大限度地降低了高温烟气的温度,使其满足压缩机的工作温度范围。经过压缩机后,烟气达到一定压力,成为高压气体,最终进入燃气轮机膨胀做功,促使发电机发电,从而实现机械能转换成电能,达到二次产电的效果。
[0020] 3、有益效果
[0021] 采用本发明提供的技术方案,与已有的公知技术相比,具有如下显著效果:
[0022] (I)本发明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。
[0023] (2)本发明有效地实现了高温烟气能量的综合利用,在实现二次产电的同时,还能产生大量热水,系统的能量转换效率可得到进一步提升。
附图说明
[0024] 图1是改进后的二次发电的热电联产装置图;
[0025] 图中:1.燃料和氧化剂混合物;2.燃烧器;3.总辐射能;4.反射辐射能;5.[0026] 选择性过滤器;6.透射辐射能;7.光伏电池;8.电池冷却水;9.电池冷却通道;
10.低温热水;11.高温烟气;12.陶瓷换热器;13.烟气冷却水;14.高温热水;15.低温烟气;16.压缩机;17.高压烟气;18.燃气轮机;19.乏汽;20.发电机组。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。 [0028] 实施例1
[0029] 如图1所示,一种二次发电的热光伏热电联产装置,包括燃烧器2、选择性过滤器5、光伏电池7、电池冷却通道9、陶瓷换热器12、压缩机16、燃气轮机18和发电机组20 ;
[0030] 所述燃烧器2与光伏电池7对中平行放置,所述选择性过滤器5设于光伏电池7的接受面,所述电池冷却通道9设于光伏电池7的的背面,燃烧器2的排烟出口设有陶瓷换热器12和压缩机16,所述燃气轮机18的一端与压缩机16连接,其另一端与发电机组20连接,所述陶瓷换热器12为管翅式结构,水在光滑的管内流动,烟气在管外的翅片上流动。
[0031] 常温下,燃料和氧化剂混合物I以0.5〜3m/s的流速进入燃烧器2进行燃烧,并将燃烧器外表面加热至1000°c以上,燃烧器2采用耐高温的316不锈钢制作,高温氧化后外表面的发射率能达到0.85,燃烧器2为平行板结构,内部填充有多孔介质以提高燃烧过程的强度和效果,其材料为Al2O315燃烧器2与光伏电池6对中平行放置,光伏电池7选用禁带宽度0.72ev、截止波长1.78 μ m的GaSb电池,选择性过滤器5则采用结构较为简单的一维周期性Si/Si02光子晶体薄膜型过滤器,并可采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。电池冷却通道为平行板结构,为提高换热效果,可在通道内部设置扰流翅片,电池冷却水8经换热后成低温热水10,水温可达到30〜40°C,以供家庭的正常使用。
[0032] 从燃烧器2出来的高温烟气11,温度通常为1000°C左右,压力约为0.12MPa,经过陶瓷换热器12 (回收余热可达450〜750°C,是目前回收高温烟气余热的最佳装置),通过与烟气冷却水13进行换热后,成为低温烟气15(温度400°C左右,压力0.1MPa),从而达到压缩机16的工作温度范围(常温至500°C左右)。压缩机16的压缩比选为14,烟气经压缩后形成高压烟气17,压力要求不低于0.3MPa,温度不低于450°C。高压烟气17最终进入燃气轮机膨胀做功,促使发电机发电,从而实现机械能转换成电能,达到二次产电的效果。燃气轮机18热效率可达30%〜34%,燃气轮机18和发电机20独立组成装机快、起停灵活的循环系统,乏汽19也可冷凝回收为热水加以利用。

Claims (9)

1.一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组; 所述燃烧器与光伏电池对中平行放置,所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面,电池冷却通道设置在光伏电池板的背面,燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机,所述燃气轮机的一端与压缩机连接,其另一端与发电机组连接。
2.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述的装置,同时利用热光伏技术和燃气轮机发电技术,产生电能。
3.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述的装置,在完成二次发电工作的同时,产生不同温度的热水,实现了余热和废热利用。
4.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述燃烧器为平行板结构,其内部填充多孔介质,其材料为ai2o3。
5.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述光伏电池为禁带宽度0.72ev、截止波长1.78 μ m的GaSb电池。
6.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述光伏电池冷却通道为平行板结构,通道内部设置扰流翅片。
7.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述选择性过滤器为一维周期性Si/Si02光子晶体薄膜型过滤器。
8.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述选择性过滤器采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。
9.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置,其特征在于:所述陶瓷换热器为管翅式结构,水在光滑的管内流动,烟气在管外的翅片上流动。
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