CN112838789B - 真空-半导体固态两级热离子发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种真空‑半导体固态两级热离子发电装置,包括聚光模块、高温热离子发电模块、低温热离子发电模块和散热模块；聚光模块，聚集吸收来自太阳光的热能；高温热离子发电模块为真空热离子发电模块，将来自吸收器的热能转变为电能；低温热离子发电模块为基于范得瓦尔斯异质结的半导体固态热离子发电模块，将高温热离子发电模块无法利用的余热转变为电能。本发明的两级热离子装置采用高低温两级能量回收的设计方法，实现了能量的梯度利用,实现较高的整体光电转换效率。

Description

真空-半导体固态两级热离子发电装置
技术领域
本发明涉及太阳能利用和半导体固态热-电转换技术领域，特指一种固态两级热离子发电装置。
背景技术
太阳能资源是重要的可再生能源，在我国的能源战略中占有举足轻重的地位。太阳能发电的主要方法主要分为两种，即光热发电和光伏发电。前者是利用太能能加热工质，将光能转化为工质的热能，驱动汽轮机、斯特林等机械做功；后者则是利用太阳光照射光伏材料中的p-n节，产生光生载流子，将光生载流子收集起来便可以驱动外电路的负载工作。除此以外，热离子发电机也可以被应用于光伏发电，其基本原理不同于传统的光伏发电技术，而是利用太阳能加热极板发射热电子以输出电流进行工作的。
光伏电池的能量转换效率是限制光伏产业发展的核心因素之一。相比于成熟的火力发电技术，光伏电池的能量转换效率偏低。许多学者在提高光伏材料能量转换效率方面进行了大量工作，取得了很大的进步。但是光伏电池能量转换效率的提高，往往意味着更加复杂的技术和更高的成本投入。高性能、低成本的太阳能发电装置对提高太阳能的利用率具有重要意义。光伏电池的生产成本限制了光伏发电的上网电价。大幅度降低光伏发电成本的一个有效手段是使用聚光装置，这是因为通常情况下聚光器的成本要小于单位面积的光伏电磁的生产成本。然而，光伏材料中的p-n节对于温度是非常敏感的。高温会改变半导体的载流子浓度，并且使得其能隙(Eg)降低。而能隙的大小直接决定着光伏材料在光照条件下的开路电压(VOC)，因此装置的输出功率和能量转化效率也随着温度的升高而降低。可见，聚光装置一方面可以降低发电的整体成本，一方面又因为升温而使得能量转换效率降低。如何在这一对矛盾中进行较好的权衡和折中，具有重要的现实指导意义。
热离子发电装置是一种典型的热-电转换装置，利用太阳能驱动热离子发电装置向外输出电功，可以实现高效的能量转换。热离子发电装置结构相对简单，理论能量转换效率高。高效率的热离子发电装置要求其电极材料具有较低的功函数和很高的熔点，然而目前的电极材料想要同时达到这两各指标却困难重重，这也限制热离子发电装置广泛应用。
发明内容
针对现有光伏发电技术存在的缺陷，本发明提供一种真空-半导体固态两级热离子发电装置。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
真空-半导体固态两级热离子发电装置，包括聚光模块、高温热离子发电模块和低温热离子发电模块；高温热离子发电模块的工作温度比低温热离子发电模块的工作温度高。
聚光模块，聚集吸收来自太阳光的热能；
高温热离子发电模块，将来自吸收器的热能转变为电能；
低温热离子发电模块，将高温热离子发电模块无法利用的余热转变为电能。
作为本发明的优选方案，所述聚光模块包括聚光器和吸收器，聚光器将太阳光聚集到吸收器中，提高吸收器的温度。
作为本发明的优选方案，所述高温热离子发电模块为真空热离子发电(vacuumthermionic generator，VTIG)模块。真空热离子发电模块包括金属发射极极板、金属集电极极板以及通过导线连接在金属发射极极板、金属集电极极板之间的第一可调负载，金属发射极极板与吸收器紧密贴合，吸收来自吸收器的热能。进一步地，金属发射极极板、金属集电极极板之间通过绝缘支撑件支撑并使金属发射极极板、金属集电极极板之间保持一定间距。所述绝缘支撑件包括但不限于绝缘陶瓷支撑件。绝缘支撑件的结构形式不限，可以采用框架结构的支架支撑，也可采用多根支撑杆支撑。
作为本发明的优选方案，所述低温热离子发电模块为固态热离子发电模块。优选地，为基于范得瓦尔斯异质结(van der Waals heterostructure)的半导体固态热离子发电(solid-state thermionic generator，SSTIG)模块。所述低温热离子发电模块包括石墨烯基发射极极板、过渡金属二硫族化合物层(transition metal dichalcogenideslayers)、石墨烯基集电极极板以及通过导线连接在石墨烯基发射极极板和石墨烯基集电极极板之间的第二可调负载。
作为本发明的优选方案，聚光模块、高温热离子发电模块和低温热离子发电模块由上至下成层状分布，高温热离子发电模块和低温热离子发电模块之间通过绝缘导热硅胶层紧密贴合。具体地，高温热离子发电模块的金属集电极极板与低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板之间通过绝缘导热硅胶层连接。
作为本发明的优选方案，还包括散热模块，散热模块和低温热离子发电模块之间通过绝缘导热硅胶层紧密贴合。具体地，低温热离子发电模块的石墨烯基集电极极板与散热模块之间通过绝缘导热硅胶层连接。散热模块的结构形式不限，可以采用散热翅片、散热孔、水冷结构、风冷结构等中的任意一种或者多种的结合。
作为本发明的优选方案，在聚光模块的聚光度一定的情况下，通过第一可调负载调节高温热离子发电模块的输出电压，通过第二可调负载调节低温热离子发电模块的输出电压，能够使得发电装置的效率达到最大。
作为本发明的优选方案，改变聚光模块的聚光度，发电装置的最大发电效率随聚光度的增大先增大后减小，而发电装置的功率随聚光度的增大而单调增大。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计了由高温热离子发电模块和低温热离子发电模块组成的两级联合热离子发电装置新模型和结构。本发明的两级热离子装置采用高低温两级能量回收的设计方法，实现了能量的梯度利用。
本发明利用聚光器达到较高的温度和较大的热流密度，可以有效地驱动高温端真空热离子发电模块正常工作。
本发明在高温端，高温热离子发电模块采用技术较为成熟的真空热离子发电装置，降低了技术难度；在低温端，低温热离子发电模块构建范得瓦尔斯异质结构，有效降低了电子发射的势垒高度，可以有效实现中低温能量的回收与利用，实现较高的整体光电转换效率。
本发明在电气设计上面，高温热离子发电模块和低温热离子发电模块的两个电路相互独立，结构简洁，减小了故障率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例的结构示意图；
图3为本发明一实施例的仰视图；
图4为本发明一实施例中的效率(η)与输出电压(VVcu、Vss)的关系图；
图5为本发明一实施例中的最大效率(ηmax)和最大功率(Pmax)与聚光度(C)的依赖关系图。
图中标号：
1、聚光器；2、吸收器；3、金属发射极极板；4、金属集电极极板；5、第一可调负载；6、绝缘支撑件；7、绝缘导热硅胶层；8、石墨烯基发射极极板；9、过渡金属二硫族化合物层；10、石墨烯基集电极极板；11、第二可调负载；12、散热模块；1201、针形散热肋片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1，在本发明一实施例中，真空-半导体固态两级热离子发电装置，包括聚光模块、高温热离子发电模块、低温热离子发电模块和散热模块。聚光模块、高温热离子发电模块、低温热离子发电模块和散热模块由上至下成层状分布。高温热离子发电模块的工作温度比低温热离子发电模块的工作温度高。
聚光模块，聚集吸收来自太阳光的热能。聚光模块包括聚光器1和吸收器2，聚光器1将太阳光聚集到吸收器2中，提高吸收器2的温度。
高温热离子发电模块为真空热离子发电模块(VTIG)，将来自吸收器的热能转变为电能。真空热离子发电模块包括金属发射极极板3、金属集电极极板4以及通过导线连接在金属发射极极板3、金属集电极极板4之间的第一可调负载5，金属发射极极板3与吸收器2紧密贴合，吸收来自吸收器2的热能。金属发射极极板3、金属集电极极板4之间通过绝缘支撑件6支撑并使金属发射极极板3、金属集电极极板4之间保持一定间距。
低温热离子发电模块为固态热离子发电模块，将高温热离子发电模块表面的热能转变为电能。在本发明一实施例中，所述低温热离子发电模块为基于范得瓦尔斯异质结的固态热离子发电模块。所述低温热离子发电模块包括石墨烯基发射极极板8、过渡金属二硫族化合物层9、石墨烯基集电极极板10以及通过导线连接在石墨烯基发射极极板8和石墨烯基集电极极板10之间的第二可调负载11。多层过渡金属二硫族化合物层9填充在石墨烯基发射极极板8和石墨烯基集电极极板10之间。
散热模块12，散热模块和低温热离子发电模块之间通过绝缘导热硅胶层紧密贴合。
高温热离子发电模块的金属集电极极板4与低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板8之间通过绝缘导热硅胶层7连接，低温热离子发电模块的石墨烯基集电极极板10与散热模块12之间通过绝缘导热硅胶层(图中未示出)连接。绝缘导热硅胶可以较好的实现热量传递并屏蔽电荷交换。
在本发明一实施例中，所述绝缘支撑件6为绝缘陶瓷支撑件。绝缘支撑件6能够起到固定金属发射极极板3与金属集电极极板4并控制金属发射极极板3与金属集电极极板4之间间距的作用。
聚光器1将太阳光聚集到吸收器2中，提高吸收器2的温度。来自吸收器2的热能使得真空热离子发电模块中的金属发射极极板3温度升高，金属发射极极板3中的部分电子获得足够大的能量，挣脱金属发射极极板3的束缚并发射到金属发射极极板3与金属集电极极板4之间的真空环境中；金属集电极极板4把逃逸的自由电子收集，并通过连接在金属发射极极板3与金属集电极极板4之间的外电路使自由电子回到金属发射极极板3，在此过程中，电流驱动外电路串接的第一可调负载5输出电能。
此时，真空热离子发电模块中的金属集电极极板4的温度依然较高，将金属集电极极板4的温度再次利用来发电，真空热离子发电模块中的金属集电极极板4上的热能通过绝缘导热硅胶层7传递到低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板8，低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板8发射电子，电子通过多层过渡金属二硫族化合物层9，凝聚在石墨烯基集电极极板10上，并通过连接在石墨烯基发射极极板8和石墨烯基集电极极板10之间的外电路使自由电子回到石墨烯基发射极极板8上形成闭合回路，同时电流驱动石墨烯基发射极极板8和石墨烯基集电极极板10之间的外电路上串接的第二可调负载11输出电能。
在本发明一实施例中散热模块包括水冷板，水冷板上设置有进水口和出水口，水冷板中密布有联通进水口和出水口的冷却液循环管路，通过冷却液的循环带走余热实现降温散热的目的。
在本发明一实施例中，参照图2和图3，散热模块包括散热板以及密布在散热板上的针肋结构的针形散热肋片1201，通过针形肋片结构的针形散热肋片达到高效的散热效果。进一步地，所述散热板可以采用水冷板。
另外散热模块可以采用强制对流(外加冷却流体)或者自然对流方式，将不能转化为电能的余热排到外部，实现能量平衡。
真空-半导体固态两级热离子发电装置作为能量转换装置，其最重要的技术参数是其功率输出(P)和能量转换效率(η)。在计算真空-半导体固态两级热离子发电装置的性能特性时需要应用热力学第一定律和电荷守恒定律。下面结合具体的材料和实施方式，对一实施例中的真空-半导体固态两级热离子发电装置的两个个关键指标的设计方法进行介绍。
图4和图5的仿真计算和验证均由MATLAB实现。
首先，太阳辐射的能量QSolar通过聚光器，汇聚到吸收器上，吸收器吸收的能量(Q吸收器)
Q吸收器＝QSolarη光学＝CGF吸收器η光学 (1)
式中C，G和η光学分别为聚光度，太阳辐照强度和聚光器的光学效率。吸收器和真空热离子模块的金属发射极极板温度处于热平衡态，温度均为T1，而金属集电极极板温度记为T2。在金属发射极极板与金属集电极极板间的间距较小的情形下，忽略空间电荷效应的影响，金属发射极极板与金属集电极极板的热电子发射引起的电流密度可以表述为
Figure BDA0002884711550000091
Figure BDA0002884711550000092
式中A*＝1.202×106Am-2K-2为有效Richardson-Dushman常数，W1和W2分别为极板材料的功函数。真空热离子发电模块的净输出电流为JVcu，net＝FVcu(JVcu，1-JVcu，2)，其中FVcu表示为真空热离子模块两极板间的有效面积。真空热离子发电模块的输出电压和功率输出分别可以表述为
PVcu＝VVcuJVcu，net (4)
VVcu＝W1-W2 (5)
真空热离子发电模块的金属集电极极板温度足以驱动固态热离子模块向外输出电功。固态热离子模块的石墨烯基发射极极板，通过绝缘导热硅胶，与真空热离子发电模块的金属集电极极板紧密贴合。固态热离子模块的电极材料选择的是单层石墨烯，而石墨烯的热离子发射规律是与金属的热离子发射过程具有显著区别的。石墨烯基电极热电子发射引起的电流密度可以表述为：
Figure BDA0002884711550000101
Figure BDA0002884711550000102
这里
Figure BDA0002884711550000103
φ′＝φ0-EF是有效的肖特基势垒高度(Schottkybarrier height)，φ0是0偏压下的势垒高度，EF是石墨烯的本征费米能级，VSS表示该模块的电压输出。固态热离子模块的净电流可以为JSS，net＝FSS(JSS，3-JSS，4)，式中FSS表示固态热离子模块两极板间的有效面积。固态热离子发电模块的功率输出分别可以表述为：
PSS＝VSSJSS,net (8)
固态热离子发电模块的余热通过与石墨烯基集电极极板紧密贴合的散热模块输入到环境中。环境假设温度恒定并具有无限大热容。在给定的聚光度、太阳辐照强度(以AM1.5为例)和材料物性参数的条件下，依据热力学第一定律和电荷守恒定量，可以得到稳态下装置的各极板的温度，装置的输出功率和效率也因此确定。装置整体的功率输出和效率可以表述为：
P＝PSS+PVcu (9)
η＝P/Qin (10)
在聚光模块的聚光度一定的情况下，通过第一可调负载调节高温热离子发电模块的输出电压，通过第二可调负载调节低温热离子发电模块的输出电压，能够使得发电装置的效率达到最大。经过数值计算，图4给出了在聚光度为1000条件下，装置的效率(η)与输出电压(VVcu、VSS)的关系。由图可见，存在一组临界输出电压((VVcu)cri、(VSS)cri)使得装置的效率达到最大ηmax。
在图4的基础上，改变聚光度，可以得到聚光度和发电装置的最大效率以及最大功率的关系。图5给出了发电装置的最大效率(ηmax)和最大功率P与聚光度(C)之间的依赖关系。由图可见，发电装置的最大效率ηmax随聚光度C的增大先增大后减小，而最大功率P随聚光度C的增大而单调增大。
图1-5已经详细给出了装置的具体实施方式和关键性能的指标的计算方式。采用高低温两级能量回收的方式，实现了能量的梯度利用。利用聚光器达到较高的温度和较大的热流密度。在高温端采用技术较为成熟的真空热离子发电装置，降低了技术难度；在低温端，构建范得瓦尔斯异质结构，大大降低电子发射的势垒高度，可以有效实现中低品味能量的回收与利用，实现较高的光电转换效率。在电气设计，两个电路相互独立，结构简洁，减小了故障率。结果显示，该装置的理论最大能量转换效率较高，与现有的商用单节光伏电池(效率<28％)相比，具有明显优势。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：包括聚光模块、高温热离子发电模块和低温热离子发电模块；高温热离子发电模块的工作温度比低温热离子发电模块的工作温度高；
聚光模块，聚集吸收来自太阳光的热能；
高温热离子发电模块为真空热离子发电模块，将来自吸收器的热能转变为电能；
低温热离子发电模块为固态热离子发电模块，将高温热离子发电模块无法利用的余热转变为电能；所述低温热离子发电模块为基于范得瓦尔斯异质结的固态热离子发电模块，所述低温热离子发电模块包括石墨烯基发射极极板、过渡金属二硫族化合物层、石墨烯基集电极极板以及通过导线连接在石墨烯基发射极极板和石墨烯基集电极极板之间的第二可调负载，多层过渡金属二硫族化合物层填充在石墨烯基发射极极板和石墨烯基集电极极板之间。
2.根据权利要求1所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：所述聚光模块包括聚光器和吸收器，聚光器将太阳光聚集到吸收器中，提高吸收器的温度。
3.根据权利要求2所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：还包括散热模块，散热模块和低温热离子发电模块之间通过绝缘导热硅胶层紧密贴合。
4.根据权利要求2或3所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：真空热离子发电模块包括金属发射极极板、金属集电极极板以及通过导线连接在金属发射极极板、金属集电极极板之间的第一可调负载，金属发射极极板与吸收器紧密贴合，吸收来自吸收器的热能。
5.根据权利要求4所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：金属发射极极板、金属集电极极板之间通过绝缘支撑件支撑并使金属发射极极板、金属集电极极板之间保持一定间距。
6.根据权利要求5所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：所述绝缘支撑件为绝缘陶瓷支撑件。
7.根据权利要求5或6所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：聚光模块、高温热离子发电模块和低温热离子发电模块由上至下成层状分布，高温热离子发电模块的金属集电极极板与低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板之间通过绝缘导热硅胶层连接，低温热离子发电模块的石墨烯基集电极极板与散热模块之间通过绝缘导热硅胶层连接。
8.根据权利要求7所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：来自吸收器的热能使得真空热离子发电模块中的金属发射极极板温度升高，金属发射极极板中的部分电子获得足够大的能量，挣脱金属发射极极板的束缚并发射到金属发射极极板与金属集电极极板之间的真空环境中；金属集电极极板把逃逸的自由电子收集，并通过连接在金属集电极极板与金属发射极极板之间的外电路使自由电子回到金属发射极极板，在此过程中，电流驱动外电路串接的第一可调负载输出电能；
真空热离子发电模块中的金属集电极极板的温度依然较高，将金属集电极极板的温度再次利用来发电，真空热离子发电模块中的金属集电极极板上的热能通过绝缘导热硅胶层传递到低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板，低温热离子发电模块的石墨烯基发射极极板发射电子，电子通过多层过渡金属二硫族化合物层，凝聚在石墨烯基集电极极板上，并通过连接在石墨烯基发射极极板和石墨烯基集电极极板之间的外电路使自由电子回到石墨烯基发射极极板上形成闭合回路，同时电流驱动石墨烯基发射极极板和石墨烯基集电极极板之间的外电路上串接的第二可调负载输出电能。
9.根据权利要求7所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：发电装置的最大效率ηmax随聚光模块的聚光度C的增大先增大后减小，而发电装置的最大功率P随聚光模块的聚光度C的增大而单调增大。
10.根据权利要求7所述的真空-半导体固态两级热离子发电装置，其特征在于：在聚光模块的聚光度一定的情况下，通过第一可调负载调节高温热离子发电模块的输出电压，通过第二可调负载调节低温热离子发电模块的输出电压，能够使得发电装置的效率达到最大。
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