CN105024625A - 一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统 - Google Patents

一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统 Download PDF

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陆玉正
朱斌
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Abstract

本发明公开一种新型的能源转换材料，由该材料制得的半导体离子器件可同时实现太阳能、燃料转换为电能，即同一器件可实现两种或多种能源同时转换为电能，获得连续、稳定、可靠的供电系统，称之为燃料增强型聚光太阳能电池发电系统。当太阳能满足负载用电要求时，由太阳能发电给负载供电，当在阴雨天气或者夜间，太阳能无法满足供电需求时，补充燃料，系统将燃料转化为电能，可实现连续、稳定、可靠的供电。

Description

一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统
技术领域
本发明涉及一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，具体说是同一种器件可实现太阳能与燃料转换为电能，属于新能源利用技术领域。
背景技术
太阳能利用技术主要包括光热和光伏两大类，光伏发电技术是基于“光生伏特效应”将太阳能直接转化为电能，由于其无运转部件、维护简单、装机容量可随意设计、可分布式或集中式设计等优点，在全世界得到了广泛的发展。太阳能电池发展，由于受到硅材料的限制，由传统的硅电池向高转换率的多结Ⅷ族化合物太阳能电池发展。目前建立的光伏电站90％以上都是基于单晶硅或者多晶硅太阳能电池，其转换效率低，在实际运行的系统，其转换效率一般仅为12％左右，其余的能量均被浪费。光伏光热一体化的研究提高了系统的转换效率，综合效率可达到60％，但由于得到的是低温热源，利用价值低，且其冷却成本较高，不利于进一步推广。聚光电池近年来也得到广泛的研究，特别是高倍聚光太阳能电池，渐渐得到广泛研究，但其高昂的成本，使得市场化进程非常缓慢，甚至止而不进。高倍聚光太阳能电池光伏光热一体化在国际上也取得了很多的研究成果，其综合效率可达到75％左右，同样，得到的热源为低温热源，利用价值低，且离市场化还有很远的距离。
国内外燃料电池仍然以传统三部件结构为主，即阳极、阴极、电解质。无电解质燃料电池是由瑞典皇家工学院朱斌教授首次发明，近年来得到学术界的广泛认可。Nature Nanotechnology选其为研究亮点报道并命名为“三合一”。无论是先进的燃料电池还是多结VIII族化合物聚光太阳能电池，都受其高成本的影响，制约其发展和市场化进程。
本发明是基于无电解质燃料电池的半导体离子器件和物理电化学原理，实现了燃料增强的太阳能转化为电能，即同一器件同时可实现燃料和太阳能转化为电能，我们称该能源转化器件为半导体离子器件。
太阳能最大的缺点是其不稳定性、间歇性、随机性，这些缺点严重制约了太阳能利用技术的发展。目前最有效的解决方案为增加系统的储能装置，而储能装置无疑进一步增大了投资成本和使用成本。虽然，科学界提出燃料电池和太阳能电池的联合系统，以期提高系统的效率。但它们是传统的燃料电池与太阳能光伏发电系统的耦合，是两个完全独立的装置和系统，即燃料电池发电系统和太阳能光伏发电系统，再将两者输出的电能进行耦合，得到稳定的功率输出，我们说，这样的方法是可行，但不经济。无论是燃料电池发电系统还是太阳能光伏发电系统，其投资成本和发电成本都非常高，若将两者结合，则系统的投资成本和发电成本更加高昂。另外，由于是完全独立的发电系统的整合，各个系统之间存在耦合的界面，造成能源的浪费和提高效率的限制。
发明内容
发明目的：针对上述现有太阳能发电不稳定和燃料电池成本高存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，同一器件可实现太阳能与燃料同时转化为电能。
技术方案：一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：包括菲涅尔聚光镜、密封玻璃、燃料进气管、燃料控制阀门、燃料储存罐、负载、电池、出气管和阳极光学漏斗；
所述电池安装在阳极光学漏斗底部，阳极光学漏斗顶部安装密封玻璃，阳极光学漏斗，侧面安装燃料进气管与出气管，燃料储存罐通过燃料控制阀门与燃料进气管链接，菲涅尔聚光镜使用支架固定，保证其焦点在电池上，电池输出的直流电与负载连接。
利用上述技术方案，一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，优先使用太阳能，当太阳能无法满足负载用电需求时，控制燃料控制阀门，将燃料储存罐中的燃料供给电池，实现系统连续、稳定、可靠的供电。
作为优选，所述菲涅尔聚光镜，安装在太阳能二维跟踪装置上，保证太阳入射光线垂直于菲涅尔聚光镜的表面，菲涅尔聚光镜的焦点在电池上，从而保证太阳能经过菲涅尔聚光镜后，聚光照射在电池上，一方面可将电池加温，达到电池工作温度，约为500度。
作为优选，所述密封玻璃是由高透射率的耐高温玻璃，一方面是密封燃料侧，满足燃料电池封装要求，另一方面，可通过太阳光线，使得聚光太阳能照射到电池上。
作为优选，所述燃料进气管由耐高温管构成，与燃料侧光学漏斗进行密封安装，一般可使用耐高温胶进行密封。
作为优选，所述燃料控制阀门是由伺服电动控制阀门构成，用于控制燃料供给量的大小。
作为优选，所述燃料储存罐是由高压储存罐构成，用于储存燃料。
作为优选，所述负载是用电对象，当负载为交流时，系统输出的电能经过逆变后给交流负载供电。
作为优选，所述电池是一种新型的能源转换材料，由纳米复合材料制得的半导体离子器件，当温度达到500度左右，电池可实现光能和燃料同时转化为电能。电池片直径D＝13mm，厚度H＝2mm，由纳米复合材料制得的半导体离子器件，即燃料增强型聚光太阳能电池。电池的阳极(燃料极)和阴极(空气极)周边用银浆制作电极，电池阳极需要采用密封处理，使用耐高温胶将电池粘在阳极光学漏斗底部。
作为优选，所述燃料出气管与燃料进气管材料和封装工艺相同，功能不一样，出气管用于将反应后的气体或者未参加反应的燃料排出。
作为优选，所述阳极光学漏斗为二次聚光器，一方面起到燃料侧的密封，另一方面可将聚光太阳能再次聚光，提高光学效率，并可降低太阳能二维跟踪精度。阳极光学漏斗底部安装电池，使用高温耐热胶安装，内表面采用镀银处理。
为满足负载供电需求，系统设计三种运行模式：
模式一：纯太阳能发电模式，检测太阳辐照强度，太阳能转化为电能的功率满足负载功率需求；
模式二：纯燃料电池发电模式，在夜间或者无光照条件下，系统所需要的电功率是由系统将燃料转化为电能，满足负载功率要求；
模式三：混合模式，此时，系统功率需求大于太阳能发电所得到的电功率，即太阳能发点不满足负载功率需求，系统根据检测到的信号，由燃料补充电功率。
三种运行模式由控制器控制自主切换。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)同一器件实现了太阳能与燃料转化为电能。
(2)解决太阳能不稳定性，利用燃料增强系统输出功率，解决系统储能问题。
(3)实现了连续、稳定、可靠的供电。
(4)降低电池工作温度，简化封装工艺，降低材料成本。
(5)实现了小模块化设计，便于维护、扩展、移动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的接收器封装示意图；
附图标记：菲涅尔聚光镜(1)、密封玻璃(2)、燃料进气管(3)、燃料控制阀门(4)、燃料储存罐(5)、负载(6)、、电池(7)、出气管(8)和阳极光学漏斗(9)。
图3为能源供给控制结构接图；
具体实施方式
参照图1和图2，一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，包括菲涅尔聚光镜1、密封玻璃2、燃料进气管3、燃料控制阀门4、燃料储存罐5、负载6、电池7、出气管8和阳极光学漏斗9；
所述电池7安装在阳极光学漏斗9底部，使用耐高温胶粘贴，阳极光学漏斗9顶部安装密封玻璃2，也使用耐高温胶粘贴，阳极光学漏斗9侧面安装燃料进气管3与出气管8，也需要进行密封处理，燃料储存罐5通过燃料控制阀门4与燃料进气管3链接，菲涅尔聚光镜1使用支架固定，保证其焦点在电池7上，电池7输出的直流电与负载6连接。
工作原理：采用上述技术方案，首先，电池7用纳米复合材料制备半导体离子器件，是基于无电解燃料电池技术研究得到的新型能源转换器件，半导体离子材料是由普通廉价的过渡族金属元素氧化物，如Ni，Cu，Fe，Co等和燃料电池的离子导体材料，典型的为离子掺杂氧化铈，例如钐或钆掺杂的CeO2构成，用纳米复合技术制备获得纳米复合氧化物粉体。半导体离子器件既是燃料电池，又是太阳能电池。
系统的能源控制结构方案如图3所示，系统设计三种运行模式：
模式一：纯太阳能发电模式；
模式二：纯燃料电池发电模式；
模式三：混合模式。
三种模式的切换由控制器完成，控制方案如图3所示，需要使用传感器检测负载需求功率参数、系统输出功率参数、辐射度参数，系统优先运行在模式一，若负载需求功率减去系统输出功率大于零，则燃料控制阀门4打开，向阳极光学漏斗9内补充燃料，供电池7使用，将燃料转换为电能；若在夜间，无太阳光照时，即太阳能发电功率等于零，则系统运行在模式二，所有的电能由燃料电池发电系统供给。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：包括菲涅尔聚光镜(1)、密封玻璃(2)、燃料进气管(3)、燃料控制阀门(4)、燃料储存罐(5)、负载(6)、电池(7)、出气管(8)和阳极光学漏斗(9)；
所述电池(7)安装在阳极光学漏斗(9)底部，阳极光学漏斗(9)顶部安装密封玻璃(2)，阳极光学漏斗(9)侧面安装燃料进气管(3)与出气管(8)，燃料储存罐(5)通过燃料控制阀门(4)与燃料进气管(3)链接，菲涅尔聚光镜(1)使用支架固定，保证其焦点在电池(7)上，电池(7)输出的直流电与负载(6)连接。
2.根据权利1所述的一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：所述电池(7)是由纳米复合材料制成的半导体离子器件，同一器件可同时实现太阳能、燃料转化为电能。
3.根据权利1所述的一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：优先使用太阳能，当太阳能无法满足负载用电需求时，控制燃料控制阀门(4)，将燃料储存罐(5)中的燃料供给电池(7)。
4.根据权利1所述的一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：系统有三种运行模式：
模式一：纯太阳能发电模式；
模式二：纯燃料电池发电模式；
模式三：混合发电模式。
5.根据权利1所述的一种燃料增强型聚光太阳能电池发电系统，其特征在于：系统安装在太阳能二维跟踪装置，要求菲涅尔聚光镜的镜面与太阳入射光线垂直。
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