CN103997281B - 一种二次发电的热光伏热电联产装置 - Google Patents

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、废热回收换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组。所述电池冷却通道设置在光伏电池板的背面，通过冷却水的流动换热降低光伏电池发电过程的温度，同时产生的热水可供家庭使用。所述燃烧器的排烟出口设有废热回收换热器和压缩机，换热器的冷媒也为冷却水，通过热量交换产生高温热水并最大限度地降低高温烟气的温度，使其满足压缩机的工作温度。所述压缩机形成的高压烟气，进入燃气轮机膨胀做功，促使发电机二次发电。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

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

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。

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℃、光电池温度为25℃情况下，GaSb光电池转换效率为25％，而当电池温度为130℃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。

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。

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

1、发明要解决的技术问题

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。

2、技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

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；

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。

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Al₂O₃。

更进一步地，所述光伏电池选禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μm的GaSb电池。

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。

更进一步地，所述选择性过滤器为一维周期性Si/SiO₂光子晶体薄膜型过滤器。

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。

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。

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。

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。

3、有益效果

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：

(1)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。

(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

图1是改进后的二次发电的热电联产装置图；

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.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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

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；

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。

常温下，燃料和氧化剂混合物1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℃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Al₂O₃。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1.78μm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/SiO₂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℃，以供家庭的正常使用。

从燃烧器2出来的高温烟气11，温度通常为1000℃左右，压力约为0.12MPa，经过陶瓷换热器12(回收余热可达450～750℃，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℃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℃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℃。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 (4)

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；所述的装置，同时利用热光伏技术和燃气轮机发电技术，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；所述燃烧器为平行板结构，其内部填充多孔介质，其材料为Al₂O₃；所述光伏电池为禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μm的GaSb电池；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。

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：所述选择性过滤器为一维周期性Si/SiO₂光子晶体薄膜型过滤器。

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：所述选择性过滤器采用真空溅射的方式直接镀在光伏电池的接受表面。

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。