CN110336488A - 一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
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Abstract
本发明公开了一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，该系统采用宽光谱吸收材料将宽光谱光源的光能转换为热能用来加热水生成高温蒸汽，并将高温蒸汽作用于温差发电器的热端，与该发电器的冷端形成温度差，由于塞贝克(Seeback)效应，温差发电器获得电能，该系统最终实现太阳能到热能，热能到电能的高效转换。白天，温差发电器发出来的电能，一部分输送给电网或者用户另一部分电能输送给电容充电蓄能。到了晚上，启用电容放电发出来的电能又输送给电网。本发明具有结构简单，成本低、便携、环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用和光热蒸汽发电领域，尤其涉及一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统。
背景技术
电在现代社会中是不可缺少的，被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力，在人类日常生活的方方面面都起到重大的作用。截止2000年我国火电、水电、核电的发电总量达13556亿千瓦时，居世界第二。中国现在的发电装机量比例为：煤电73％、水电14.6％、核电2.4％、气电2.3％、其他7.7％。
然而随着社会经济地不断发展和科学技术地不断进步，电力资源的压力不断增加，电力资源的短缺越来越引起人类的重视，目前现有效发电方法有：风力发电、水力发电、火力发电、核能发电。其中风力发电转速不稳定，还会带来噪声、视觉污染，占用大片土地、影响鸟类、成本高。水力发电需要兴建不同类型的水电站，受地形限制、建厂期间长、建造费用高、破坏生态、并且因设于天然河川或湖沼地带易受风水之灾害，影响其他水利事业。火力发带来的烟雾和粉尘造成空气污染。核能发电依靠核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电，但失去控制的裂变能不仅不能用于发电，还会酿成灾害；并且裂变反应中产生的中子和放射性物质对人体危害很大；同时核能电厂的热污染严重；核能电厂投资成本高转。
太阳能作为丰富的自然资源，取之不尽用之不竭，有非常宽的光谱，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的全世界都有很大应用价值。太阳能光伏电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，其基本构造是运用P型与N型半导体结合而成的。目前在所研发出的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0％，多晶硅电池效率为20.4％，CIGS薄膜电池效率为19.6％，CdTe薄膜电池效率为16.7％，非晶硅(无定形硅)薄膜电池的效率仅为10.1％。因此，太阳能光伏电池，虽然能直接将太阳能转变为电能，但是由于其效率低、成本高，稳定性低、有污染等问题，到期其还不足以取代传统的发电模式。
太阳能光热发电是另外一种重要的太阳能利用方式，传统的太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面聚焦并收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。一般来说，太阳能光热发电形式有槽式、塔式、菲涅尔式四种系统。槽式需要对数百面反射镜进行同时跟踪控制，同时需要对集热核心部件镜面反射材料的成本进行控制。塔式的建设成本过高，因此塔式太阳能光热发电站的建设逐渐冷落下来。菲涅尔式：工作原理类似槽式光热发电，虽然降低了成本，但也降低了发电效率。整个系统的年发电效率仅能达到10％左右。
对于上述各种形式的能量转换为电能、传统的太阳能光伏电池、传统的太阳能光热发电方式存在的瓶颈及不足，如何利用清洁高效环保的太阳能建设发电系统已成为21世纪研究的热点课题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的占用面积大、制造和运营成本高、破坏生态平衡、光热效率不高等问题，本发明提供一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统。
技术方案：本发明提供一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，该系统包括宽光谱吸收材料、棉纤维膜、自来水供给管道、温差发电器、散热器、宽光谱光源；
所述宽光谱吸收材料覆盖在棉纤维膜的上表面，所述自来水供给管道插入至棉纤维膜内；所述温差发电器放置在棉纤维膜的正上方，与棉纤维膜平行，并且与棉纤维膜的距离为0.5-2cm；该温差发电器的热端与棉纤维膜相对，冷端连接散热器；
所述自来水供给管道将自来水传送至棉纤维膜中，当宽光谱光源照射在宽光谱吸收材料上时，宽光谱吸收材料吸收宽光谱光源，并将光能转换为热能；利用转换得到的热能加热棉纤维膜中的自来水，并产生高温蒸汽，该高温蒸汽加热温差发电器的热端，使得发电器的冷端与热端形成温度差从而生成电能。
进一步的，该光热蒸汽发电系统还包括隔热泡沫，所述隔热泡沫放置于棉纤维膜的下表面。
进一步的，所述隔热泡沫为热导率＜1W m-1K-1，厚度＞0.1cm的泡沫材料。
进一步的，所述宽光谱吸收材料为能吸收200-1300mm的光谱，并且吸收光谱率大于80％的光吸收材料。
进一步的，所述宽光谱吸收材料为碳化海带。
进一步的，所述的碳化海带，其制备方法为：将海带放入蒸馏水中超声清洗，并在空气中晾干；将晾干的海带进行碳化；并将碳化之后的海带研磨成粉末，得到的粉末为碳化海带。
进一步的，所述将晾干的海带进行碳化具体为将晾干的海带放入充满氮气的管式炉中碳化或放入充满空气的箱式电阻炉中碳化；放入充满氮气的管式炉中时碳化的温度为200℃～900℃，碳化时间＞1h；放入充满空气的箱式电阻炉中是碳化的温度为200℃～900℃，碳化时间＞0.5h。
进一步的，所述宽光谱吸收材料覆盖在棉纤维膜的上表面，其覆盖方式采用注射过滤的方式将加入在蒸馏水中的碳化海带均匀的覆盖在棉纤维膜的表面上，并将棉纤维膜在真空环境下烘干。
进一步的，所述宽光谱光源为太阳光或氙灯。
进一步的，所述棉纤维膜为亲水膜。
有益效果：
(1)本发明相比于风力发电更加稳定，相比于火力发电更加节约资源，相比于水力发电更加环境友好、不破坏生态，相比于核能发电更加安全。
(2)与已有传统的太阳能光伏电池技术相比，本发明可以实现宽光谱的吸收，所涉及到的材料和工艺无毒，没有污染性，节能环保，稳定廉价，可大规模生产并且可重复回收。
(3)与已有传统的太阳能光热发电技术相比，本发明采用宽光谱吸收材料，不需要利用大规模的光学系统对太阳光进行聚集，并且从蒸汽到电能的转换采用的是温差电势，不需要使用传统的高成本的汽轮发电机、太阳能板、蒸汽机；从而降低了成本、提高了发电率，减少占用面积。本发明的制备工艺简单，不仅可以用于建设大型发电站，也可以用于生产小规模、便携式的发电器，使用非常灵活。
(4)本发明中采用的宽光谱吸收材料碳化海带相对现有的光热材料具备更高效的蒸汽生成能力，且其在制备过程中对制备设备的要求低，制备过程简便，并且海带是非常丰富的水生植物，所以成本非常低。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是宽光谱吸收材料的紫外-可见-近红外(200-1300nm)反射谱图。
图3是宽光谱吸收材料捕获光能，加热水生成高温蒸汽图。
图4是宽光谱吸收材料捕获太阳能加热水生成蒸汽后水质量变化结果图。
图5是一套小型化的太阳能光热蒸汽的发电系统示意图。
附图标记说明：1、宽光谱光源；2、宽光谱吸收材料；3、棉纤维膜；4、自来水供给管道；5、蒸汽；6、隔热泡沫；7、温差发电器；8、散热器；9、储能电池。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1所示，本实施例提供一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，该系统包括宽光谱吸收材料(2)、棉纤维膜(3)、自来水供给管道(4)、隔热泡沫(6)、温差发电器(7)、散热器(8)、宽光谱光源(1)。
所述隔热泡沫放置于棉纤维膜的下表面，并将宽光谱吸收材料覆盖在棉纤维膜上表面，所述自来水供给管道插入至棉纤维膜内；所述温差发电器放置在棉纤维膜的正上方，与棉纤维膜平行，并且与棉纤维膜的距离为0.5-2cm；该温差发电器的热端与棉纤维膜相对，冷端连接散热器；
所述自来水供给管道将自来水传送至棉纤维膜中，当宽光谱光源照射在宽光谱吸收材料上时，宽光谱吸收材料吸收宽光谱光源，并将光能转换为热能；利用转换得到的热能加热棉纤维膜中的自来水，并产生高温蒸汽，该高温蒸汽加热温差发电器的热端，使得发电器的冷端与热端形成温度差从而生成电能，所述散热器用于降低温差发电器冷端的温度，所述隔热泡沫用于减少热能的损失。
本实施例所产生的电能可以用储能电池(9)进行储蓄，也可以用于供电站等。
所述宽光谱吸收材料采用能吸收200-1300mm的光谱，并且吸收光谱率大于80％的光吸收材料，例如氧化石墨烯，铜纳米颗粒，碳化海带。
上述氧化石墨烯的制备方式为：将100mg的氧化石墨烯放入在100ml蒸馏水中，对上述溶液进行搅拌超声处理1小时。然后将悬浮混合溶液置于100ml的Teflon密封的高压釜中中120℃反应10小时。待反应结束后，将产物在真空干燥箱中60℃下烘干，即可得到还原氧化石墨烯。
所述铜纳米颗粒的制备方式为：
步骤1：将市场售卖的锌片，最好是厚度为200μm，纯度为99.99％的锌片剪成直径为15mm的圆片，依次分别放入2.5％浓度的硫酸、异丙醇、丙酮中超声处理30s、5min、5min；然后将圆片先后放入异丙醇和水中清洗，再在空气中烘干备用；
步骤2：称取0.2g硫酸铜加入50ml蒸馏水中，待固体完全溶解，形成溶液A；将上述处理好的锌圆片放入溶液A中30s，锌圆片表面覆盖一层铜纳米颗粒；将此含有铜纳米颗粒的锌圆片放进蒸馏水中，以淬灭置换反应；再将该圆片放进真空干燥箱中60℃烘干；
步骤3：最后将烘干的含有铜纳米颗粒的锌圆片放入丙酮溶液中，经超声处理，振下表面的铜纳米颗粒，再将含铜纳米颗粒的丙酮溶液放进真空干燥箱中40℃烘干，即可得到铜纳米颗粒。
本实施例中的宽光谱吸收材料采用碳化海带。其制备方法为：取15g的海带放入100ml的蒸馏水中，在超声清洗器中超声处理15min，然后放在空气中晾干。将晾干的海带放入充满氮气的管式炉中碳化，其碳化温度范围：从200℃到900℃，碳化时间大于一小时，本实施例为在500℃中碳化6小时；最后通过研磨装置：研磨杵、研磨器皿等将得到的碳化产物进行研磨处理，即可得到宽光谱吸收材料碳化海带。最终得到的碳化海带的质量和市售普通海带的质量有关，每15g的市售普通海带处理后可以得到0.31g的碳化海带，可根据比例需求调整市售普通海带的量。
上述制备方法中也可以将晾干的海带放入充满空气的箱式电阻炉中碳化，其碳化温度范围为200℃～900℃，碳化时间大于半小时，最好是在400℃碳化1小时。
根据图2可以看出，上述宽光谱吸收材料在紫外-可见-近红外都有极强的光捕获能力。
本实施例将碳化海带覆盖在棉纤维膜上表面的方式为：将碳化海带加入至蒸馏水中，采用注射过滤方式将碳化海带均匀的覆盖到纤维素膜上表面，然后将含碳化海带的棉纤维素膜在真空条件下烘干备用即可。
本实施例所述的棉纤维膜为表面多孔、高度亲水、微米孔径的亲水膜,例如纤维素膜、聚四氟乙烯膜、乙酸膜等，本实施中采用0.22微米孔径的纤维素膜。
本实施例所述的宽光谱光源为太阳光或氙灯；所述温差发电器为任意基于塞贝克效应，并由两个不同电导体或半导体差异而引起的两种物质间的电位差的发电器。优选内阻小，耐高温，长寿命的温差发电器，不同的温差发电器的发电性能由自身产生温差决定，越高温差对应发电电压越高，常见的型号有XH系列、TEC系列，本实施例采用XH-F241A。
本实施例所述的隔热泡沫为任意的热导率低于1W m-1K-1，厚度大于0.1厘米的泡沫材料，本实施例采用聚苯乙烯泡沫，其热导率为0.033W m-1K-1，厚度为2厘米。
为比较上述三种宽光谱吸收材料的生成蒸汽能力，对上述三种宽光谱吸收材料进行生成蒸汽模拟实验，实验方法如下：
步骤a、各取三种宽光谱吸收材料30mg，并分别加入10ml蒸馏水，使用注射器和针头滤膜滤器将三种宽光谱吸收材料分别均匀的覆盖到直径为15mm、孔径为0.22微米的棉纤维素膜上，再分别将含宽光谱吸收材料的棉纤维素膜放进真空干燥箱中60℃烘干备用。
步骤b、准备三个容积为30ml的圆柱形烧杯，并在这三个烧杯中装满蒸馏水，将步骤a所得的表面覆盖宽光谱吸收材料的三个棉纤维素膜分别置于三个2厘米厚的聚苯乙烯隔热泡沫上，再将该三个隔热泡沫分别置于蒸馏水表面，将此装置放置于氙灯下照射，光照功率密度为2sun，蒸馏水表面距离氙灯16cm，并将光源垂直照射于表面覆盖宽光谱吸收材料的棉纤维素膜和水体表面，在氙灯照射下，蒸馏水蒸发形成蒸汽。
在本实施例中，用电子天平记录水蒸发生成蒸汽而产生的质量变化。在实际应用中可对该装置进行等比例放大，并做适当改装。
图3是将太阳能转换为热能生成高温蒸汽的示意图：图中Xenonlamp为氙灯，Absorber为宽光谱吸收材料，Electronic balance为电子天平；有图3可以看出宽光谱吸收材料(铜纳米颗粒、还原氧化石墨烯、碳化海带)高效地吸收太阳光(由氙灯模仿太阳光)并转变为热能，再由该热能加热界面水，产生高温蒸汽，用电子天平记录水蒸发生成蒸汽而产生的质量变化。
图4是宽光谱吸收材料将水蒸发生成蒸汽而产生的质量变化曲线。由图可以看出，随着光照时间的增加，水的质量在减少，水蒸气不断生成；相比于太阳光直接照射水面，添加了宽光谱吸收材料的实验组的水蒸发速率要快得多，生成蒸汽效率更高。并且相比于现有的铜纳米颗粒和还原氧化石墨烯，本发明得到的碳化海带明显具有更高的水蒸气生成速率，说明碳化海带具有更高的转换太阳能为蒸汽的效率。
本实施例在太阳光持续照射下，该发电系统可以稳定地输出电能。根据系统规模的大小不同，输电能力不同。系统规模越大，光热转换膜的面积越大，得到的电压越大。如图5所示该系统，将太阳的光能转换为热能，再将热能转换为电能，得到的电能可以传送给发电站、用户，也可以连接电容电池存储电能，到了晚上，进行供电。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，包括宽光谱吸收材料、棉纤维膜、自来水供给管道、温差发电器、散热器、宽光谱光源；
所述宽光谱吸收材料覆盖在棉纤维膜的上表面，所述自来水供给管道插入至棉纤维膜内；所述温差发电器放置在棉纤维膜的正上方，与棉纤维膜平行，并且与棉纤维膜的距离为0.5-2cm；该温差发电器的热端与棉纤维膜相对，冷端连接散热器；
所述自来水供给管道将自来水传送至棉纤维膜中，当宽光谱光源照射在宽光谱吸收材料上时，宽光谱吸收材料吸收宽光谱光源，并将光能转换为热能；利用转换得到的热能加热棉纤维膜中的自来水，并产生高温蒸汽，该高温蒸汽加热温差发电器的热端，使得发电器的冷端与热端形成温度差从而生成电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，该光热蒸汽发电系统还包括隔热泡沫，所述隔热泡沫放置于棉纤维膜的下表面。
3.根据权利要求2所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述隔热泡沫为热导率＜1W m-1 K-1，厚度＞0.1cm的泡沫材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述宽光谱吸收材料为能吸收200-1300mm的光谱，并且吸收光谱率大于80％的光吸收材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述宽光谱吸收材料为碳化海带。
6.根据权利要求5所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述的碳化海带，其制备方法为：将海带放入蒸馏水中超声清洗，并在空气中晾干；将晾干的海带进行碳化；并将碳化之后的海带研磨成粉末，得到的粉末为碳化海带。
7.根据权利要求6所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述将晾干的海带进行碳化具体为将晾干的海带放入充满氮气的管式炉中碳化或放入充满空气的箱式电阻炉中碳化；放入充满氮气的管式炉中时碳化的温度为200℃～900℃，碳化时间＞1h；放入充满空气的箱式电阻炉中是碳化的温度为200℃～900℃，碳化时间＞0.5h。
8.根据权利要求5所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述宽光谱吸收材料覆盖在棉纤维膜的上表面，其覆盖方式采用注射过滤的方式将加入在蒸馏水中的碳化海带均匀的覆盖在棉纤维膜的表面上，并将棉纤维膜在真空环境下烘干。
9.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述宽光谱光源为太阳光或氙灯。
10.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统，其特征在于，所述棉纤维膜为亲水膜。
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