CN105305936A - 基于热管散热平台的热光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于热管散热平台的热光伏发电系统，包含：加热模块；辐射器，通过加热模块对其加热后发出红外辐射能量；热电转换模块，围绕设置在辐射器外围，接收辐射器发出的红外辐射能量，转化为电能输出；冷却模块，采用分离型重力平板热管进行换热，带走热电转换模块的多余热量；包含：热管平板蒸发器，围绕设置在热电转换模块外部，内部设置有液相冷却工质，其接收热电转换模块的多余热量，发生沸腾相变蒸发为气相；冷凝器，位于热管平板蒸发器上方，与其分离设置并通过管道连接，将接收到的气相冷却工质冷凝成液相。本发明采用分离型重力平板热管实现对光伏电池的散热冷却，增加均温性，适用于空间飞行器和地面偏远地区的供电需求，应用范围广。

Description

基于热管散热平台的热光伏发电系统

技术领域

本发明涉及一种热电直接转换装置，具体是指一种采用分离型热管作为散热平台的热光伏发电系统，能够为空间飞行器供电。

背景技术

热光伏系统是通过热源（包括同位素能源、太阳能、燃烧等）加热辐射器，并通过辐射器有效调制辐射波段，获得很高的转换效率。其原理为：通过发热源加热辐射器，使其达到较高的温度，从而对外发出辐射能；在辐射器和光电池之间设置光谱滤波器，以使得电池可转换波段范围内的辐射能通过滤波器到达光电池，并被光电池转化为电能对外输出；而光电池无法转化的能量则被滤波器反射回辐射器以重新利用，从而保持辐射器较高的温度，减少能量的损失。

早在19世纪60年代，热光伏系统已经开始被研究，但直到上世纪90年代，随着低禁带的III-V族化合物（其为一种高效转换器材料）的出现，热光伏的优越性才得到了证实，并开始受到人们的广泛关注。热光伏系统在发电方面具有很多独特之处，使其在尖端科研领域和军事上有很大的潜在应用价值。目前，热光伏技术的研究是个热点，美国、俄罗斯、德国、澳大利亚、英国、瑞士和日本等国的著名光伏研究机构和大学都在积极开展热光伏系统的研究工作，力图通过基础研究使这项新技术进入实用化。

热光伏发电系统的一个主要优点即是热源广泛，现有技术中已经设计出了使用不同燃料的热光伏系统。Broman等发明人使用生物燃料作为热源，设计了一套热光伏系统，其辐射器温度高达1300K；并提出如果选用光谱性能良好的滤波器，辐射器温度将会进一步得到提高，从而提高热光伏系统的转换效率。Schock等发明人使用同位素燃料PuO₂作为热源，设计了一套热光伏系统，该系统使用了禁带宽度为0.6eV的InGaAs电池，该系统转换效率达到20%，输出功率为100W，重量比功率可以达到16.6W/kg。而由美国EDTEK公司制作的STPV系统，采用卡塞格伦型的聚光器，其太阳能会聚比为1000：1，该系统为混合型的热光伏系统，采用太阳能及燃料燃烧共同加热的方式，测得在辐射器表面温度为1400℃时，系统效率为22.3%，理论转换效率可达到25%。

由此可见，热光伏系统相对于现有的温差发电系统等热电转换形式，效率已经有了一定的提高。但是，目前热光伏技术还处于实验室研制阶段，且原理样机多是采用水冷或风冷的方法进行冷却，冷却效果具有一定局限性。在辐射器温度达到1000℃以上，光电池温度很难控制在50℃以下，且不适用于空间飞行器的应用。因此，目前亟需提供一种能实现热光伏系统在空间飞行器上的应用，本发明提出采用分离型热管作为散热平台的冷却方式，从而提高热光伏系统在空间飞行器上的应用可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热管散热平台的热光伏发电系统，采用分离型重力平板热管实现对光伏电池的散热冷却，增加均温性，且适用于空间飞行器和地面偏远地区的供电需求，应用范围广。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于热管散热平台的热光伏发电系统，包含：加热模块；辐射器，通过所述的加热模块对该辐射器加热，使该辐射器对外发出红外辐射能量；热电转换模块，其围绕设置在所述的辐射器的外围，接收所述的辐射器发出的红外辐射能量，并将其转化为电能输出；冷却模块，其采用分离型重力平板热管进行换热，带走所述的热电转换模块的多余热量，对其进行冷却；所述的冷却模块包含：热管平板蒸发器，其围绕设置在所述的热电转换模块的外部，内部设置有液相冷却工质，该液相冷却工质接收热电转换模块的多余热量，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质；冷凝器，其位于所述的热管平板蒸发器的上方，与该热管平板蒸发器分离设置并通过管道连接，其接收通过管道传输的气相冷却工质并将其冷凝成液相冷却工质，该液相冷却工质通过管道返回热管平板蒸发器。

所述的辐射器采用灰体陶瓷辐射器。

所述的加热模块包含：电加热棒，其模拟同位素热源对所述的辐射器进行加热至一定高温，使辐射器对外发出红外辐射能量；PID温度自动控制器，其与所述的电加热棒通过电路连接，通过控制电加热棒的功率，以调节辐射器的温度。

所述的热电转换模块包含：光谱滤波器，其围绕设置在所述的辐射器的外围，且与辐射器之间设置间隔；光伏电池，其围绕设置在所述的光谱滤波器和热管平板蒸发器之间，且分别与光谱滤波器以及热管平板蒸发器的平壁面相接触；所述的辐射器对外发出的红外辐射能量中，与光伏电池禁带宽度相匹配的红外辐射能量通过光谱滤波器到达光伏电池，并经光伏电池进行光电转换后输出电能；大于或小于光伏电池禁带宽度的红外辐射能量被光谱滤波器反射回辐射器。

所述的光伏电池采用GaSb光伏电池。

所述的冷凝器包含：若干不锈钢管壳式换热器，其内部设置有不锈钢螺旋盘管，该不锈钢螺旋盘管内部设置有冷凝水；每个不锈钢管壳式换热器通过绝热上升管和绝热下降管与所述的热管平板蒸发器连接；在光伏电池转换电能过程中的多余热量被传导至热管平板蒸发器，在热管平板蒸发器中的液相冷却工质吸收多余热量后，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质，并通过绝热上升管向上流动至各个不锈钢管壳式换热器中的不锈钢螺旋盘管外部，通过盘管内的冷凝水冷却后变为液相冷却工质，再通过绝热下降管向下流动返回至热管平板蒸发器中。

所述的冷却工质采用R134a。

所述的冷凝器还包含：储水箱；冷水机，其与所述的储水箱连接，将储水箱中的冷凝水冷却后增压压出；分液头，其输入端与所述的冷水机连接，输出端分别与各个不锈钢管壳式换热器内的不锈钢螺旋盘管的输入端连接，由冷水机冷却后的冷凝水经由分液头分别流入各个不锈钢螺旋盘管内；集液头，其输入端分别与各个不锈钢管壳式换热器内的不锈钢螺旋盘管的输出端连接，输出端与所述的储水箱连接，冷凝水在重力作用下流经各个不锈钢螺旋盘管的过程中用于对气相冷却工质进行冷凝换热，完成冷却后由集液头汇集流回储水箱。

所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统还包含隔热模块，其包含：真空隔离罩，其围绕设置在所述的辐射器和光谱滤波器之间，且分别与辐射器和光谱滤波器之间设置间隔；隔热板，其设置在所述的辐射器、真空隔离罩、光谱滤波器、光伏电池以及热管平板蒸发器的顶部上方；加强钢板，其设置在所述的隔热板的顶部上方。

所述的真空隔离罩采用真空夹层石英玻璃罩。

本发明提供的基于热管散热平台的热光伏发电系统，具有以下优点和有益效果：

1、本发明是基于分离型重力平板热管实现对光伏电池的散热冷却，因此可适用于空间飞行器和地面偏远地区的供电需求；

2、本发明采用的分离型重力平板热管换热器，包含分离设置的蒸发器和冷凝器，增加了均温性；

3、本发明采用的热电转换模块具有较强的通用性，可适用于任意热源的热光伏系统。

附图说明

图1为本发明中的基于热管散热平台的热光伏发电系统的结构示意图；

图2为本发明中的冷却模块的结构示意图；

图3为本发明中的热电转换模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的基于热管散热平台的热光伏发电系统，包含：加热模块；辐射器1，通过所述的加热模块对该辐射器1进行加热，使该辐射器1对外发出红外辐射能量；热电转换模块，其围绕设置在所述的辐射器1的外围，接收所述的辐射器1发出的红外辐射能量，并将其转化为电能输出；冷却模块，其采用分离型重力平板热管进行换热，带走所述的热电转换模块的多余热量，对其进行冷却；所述的冷却模块包含：热管平板蒸发器5，其围绕设置在所述的热电转换模块的外部，内部设置有液相冷却工质，该液相冷却工质接收热电转换模块的多余热量，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质；冷凝器6，其位于所述的热管平板蒸发器5的上方，与该热管平板蒸发器5分离设置并通过管道连接，其接收通过管道传输的气相冷却工质并将其冷凝成液相冷却工质，该液相冷却工质通过管道返回热管平板蒸发器5。

本实施例中，所述的辐射器1采用灰体陶瓷辐射器。优选的，所述的辐射器1采用SiC（碳化硅）辐射器，SiC是灰体陶瓷的其中一种。

所述的加热模块包含：电加热棒，其模拟同位素热源对所述的辐射器1进行加热至一定高温，使辐射器1对外发出红外辐射能量；PID（比例-积分-微分）温度自动控制器，其与所述的电加热棒通过电路连接，利用电流控制电加热棒的功率，以调节辐射器1的温度并保持稳定。

本实施例中，所述的电加热棒采用碳化硅双螺旋电加热棒。

如图3所示，所述的热电转换模块包含：光谱滤波器3，其围绕设置在所述的辐射器1的外围，且与辐射器1之间设置间隔；光伏电池4，其围绕设置在所述的光谱滤波器3和热管平板蒸发器5之间，且分别与光谱滤波器3以及热管平板蒸发器5的平壁面相接触；所述的辐射器1对外发出的红外辐射能量中，与光伏电池4禁带宽度相匹配的红外辐射能量通过光谱滤波器3到达光伏电池4，并经光伏电池4进行光电转换后输出电能；大于或小于光伏电池4禁带宽度的红外辐射能量被光谱滤波器3反射回辐射器1，实现能量的回收利用。

本实施例中，所述的光伏电池4采用GaSb（锑化镓）光伏电池。

如图1和图2所示，所述的冷凝器6包含：若干不锈钢管壳式换热器61，其内部设置有不锈钢螺旋盘管，该不锈钢螺旋盘管内部设置有冷凝水；每个不锈钢管壳式换热器61的输入端通过绝热上升管7与所述的热管平板蒸发器5的输出端连接，每个不锈钢管壳式换热器61的输出端通过绝热下降管8与所述的热管平板蒸发器5的输出端连接；在光伏电池4转换电能过程中的多余热量被传导至热管平板蒸发器5，在热管平板蒸发器5中的液相冷却工质吸收多余热量后，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质，并通过绝热上升管7向上流动至各个不锈钢管壳式换热器61中的不锈钢螺旋盘管外部，通过盘管内的冷凝水冷却后变为液相冷却工质，再通过绝热下降管8向下流动返回至热管平板蒸发器5中再次参与沸腾，从而实现冷却工质的流动循环使用，通过冷却工质相变蒸发达到强化换热的目的，从而将光伏电池4表面的多余热量带走，使得光伏电池4始终处于正常工作温度区间之内。

本实施例中，所述的冷却工质采用R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）。

如图2所示，所述的冷凝器6还包含：储水箱13；冷水机14，其输入端与所述的储水箱13的输出端连接，将储水箱13中的冷凝水冷却后采用增压泵增压压出；分液头11，其输入端与所述的冷水机14连接，输出端分别与各个不锈钢管壳式换热器61内的不锈钢螺旋盘管的输入端连接，由冷水机14冷却后的冷凝水经由分液头11分别流入各个不锈钢螺旋盘管内；集液头12，其输入端分别与各个不锈钢管壳式换热器61内的不锈钢螺旋盘管的输出端连接，输出端与所述的储水箱13的输入端连接，冷凝水在重力作用下流经各个不锈钢螺旋盘管的过程中用于对气相冷却工质进行冷凝换热，完成冷却后由集液头12汇集流回储水箱13，再在重力作用下流入冷水机再次进行冷却，从而实现冷凝水的循环使用。

如图3所示，所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统还包含隔热模块，其包含：真空隔离罩2，其围绕设置在所述的辐射器1和光谱滤波器3之间，且分别与辐射器1和光谱滤波器3之间设置间隔；隔热板9，其设置在所述的辐射器1、真空隔离罩2、光谱滤波器3、光伏电池4以及热管平板蒸发器5的顶部上方；加强钢板10，其设置在所述的隔热板9的顶部上方。

本实施例中，所述的真空隔离罩2采用真空夹层石英玻璃罩。

与现有技术相比，本发明提供的基于热管散热平台的热光伏发电系统，具有以下优点和有益效果：

1、本发明是基于分离型重力平板热管实现对光伏电池的散热冷却，通过冷却工质在分离型重力平板热管换热器内的循环，不断将光伏电池表面的多余热量带走，使得光伏电池的温度始终处在其正常工作温度区间之内，因此可适用于空间飞行器和地面偏远地区的供电需求；

2、本发明采用的分离型重力平板热管换热器，其包含分离设置的蒸发器和冷凝器，增加了均温性；

3、本发明采用的热电转换模块具有较强的通用性，可适用于任意热源的热光伏系统。

综上所述，本发明提供的基于热管散热平台的热光伏发电系统，可应用于深空探测、小行星着陆探测、海洋预警系统、探月、载人航天等领域，为飞行器及日常生活提供充足的电能，应用前景广泛。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，包含：

加热模块；

辐射器（1），通过所述的加热模块对该辐射器（1）加热，使该辐射器（1）对外发出红外辐射能量；

热电转换模块，其围绕设置在所述的辐射器（1）的外围，接收所述的辐射器（1）发出的红外辐射能量，并将其转化为电能输出；

冷却模块，其采用分离型重力平板热管进行换热，带走所述的热电转换模块的多余热量，对其进行冷却；

其中，所述的冷却模块包含：

热管平板蒸发器（5），其围绕设置在所述的热电转换模块的外部，内部设置有液相冷却工质，该液相冷却工质接收热电转换模块的多余热量，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质；

冷凝器（6），其位于所述的热管平板蒸发器（5）的上方，与该热管平板蒸发器（5）分离设置并通过管道连接，其接收通过管道传输的气相冷却工质并将其冷凝成液相冷却工质，该液相冷却工质通过管道返回热管平板蒸发器（5）。

2.如权利要求1所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的辐射器（1）采用灰体陶瓷辐射器。

3.如权利要求1所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的加热模块包含：

电加热棒，其模拟同位素热源对所述的辐射器（1）进行加热至一定高温，使辐射器（1）对外发出红外辐射能量；

PID温度自动控制器，其与所述的电加热棒通过电路连接，通过控制电加热棒的功率，以调节辐射器（1）的温度。

4.如权利要求3所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的热电转换模块包含：

光谱滤波器（3），其围绕设置在所述的辐射器（1）的外围，且与辐射器（1）之间设置间隔；

光伏电池（4），其围绕设置在所述的光谱滤波器（3）和热管平板蒸发器（5）之间，且分别与光谱滤波器（3）以及热管平板蒸发器（5）的平壁面相接触；

所述的辐射器（1）对外发出的红外辐射能量中，与光伏电池（4）禁带宽度相匹配的红外辐射能量通过光谱滤波器（3）到达光伏电池（4），并经光伏电池（4）进行光电转换后输出电能；大于或小于光伏电池（4）禁带宽度的红外辐射能量被光谱滤波器（3）反射回辐射器（1）。

5.如权利要求4所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的光伏电池（4）采用GaSb光伏电池。

6.如权利要求4所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的冷凝器（6）包含：若干不锈钢管壳式换热器（61），其内部设置有不锈钢螺旋盘管，该不锈钢螺旋盘管内部设置有冷凝水；

每个不锈钢管壳式换热器（61）通过绝热上升管（7）和绝热下降管（8）与所述的热管平板蒸发器（5）连接；

在光伏电池（4）转换电能过程中的多余热量被传导至热管平板蒸发器（5），在热管平板蒸发器（5）中的液相冷却工质吸收多余热量后，发生沸腾相变蒸发为气相冷却工质，并通过绝热上升管（7）向上流动至各个不锈钢管壳式换热器（61）中的不锈钢螺旋盘管外部，通过盘管内的冷凝水冷却后变为液相冷却工质，再通过绝热下降管（8）向下流动返回至热管平板蒸发器（5）中。

7.如权利要求6所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的冷却工质采用R134a。

8.如权利要求6所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的冷凝器（6）还包含：

储水箱（13）；

冷水机（14），其与所述的储水箱（13）连接，将储水箱（13）中的冷凝水冷却后增压压出；

分液头（11），其输入端与所述的冷水机（14）连接，输出端分别与各个不锈钢管壳式换热器（61）内的不锈钢螺旋盘管的输入端连接，由冷水机（14）冷却后的冷凝水经由分液头（11）分别流入各个不锈钢螺旋盘管内；

集液头（12），其输入端分别与各个不锈钢管壳式换热器（61）内的不锈钢螺旋盘管的输出端连接，输出端与所述的储水箱（13）连接，冷凝水在重力作用下流经各个不锈钢螺旋盘管的过程中用于对气相冷却工质进行冷凝换热，完成冷却后由集液头（12）汇集流回储水箱（13）。

9.如权利要求4所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，还包含隔热模块，该隔热模块包含：

真空隔离罩（2），其围绕设置在所述的辐射器（1）和光谱滤波器（3）之间，且分别与辐射器（1）和光谱滤波器（3）之间设置间隔；

隔热板（9），其设置在所述的辐射器（1）、真空隔离罩（2）、光谱滤波器（3）、光伏电池（4）以及热管平板蒸发器（5）的顶部上方；

加强钢板（10），其设置在所述的隔热板（9）的顶部上方。

10.如权利要求9所述的基于热管散热平台的热光伏发电系统，其特征在于，所述的真空隔离罩（2）采用真空夹层石英玻璃罩。