CN115013156B - 一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 - Google Patents
一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115013156B CN115013156B CN202210740893.8A CN202210740893A CN115013156B CN 115013156 B CN115013156 B CN 115013156B CN 202210740893 A CN202210740893 A CN 202210740893A CN 115013156 B CN115013156 B CN 115013156B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- field
- photovoltaic cell
- heat exchange
- photovoltaic
- cell panel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 14
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 10
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 10
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 7
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000013082 photovoltaic technology Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
- H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
- H02S40/30—Electrical components
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/60—Thermal-PV hybrids
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，涉及近场热光伏余热回收技术领域。为了解决如何在保证近场热光伏技术进行高效的余热回收发电的情况下，还能维持光伏电池的低温状态的问题。本发明中近场热光伏系统安装在发动机高温区域的外壁上，近场热光伏系统的内壁与发动机外壁相贴合；每个近场热光伏系统包括多组微分的近场热光伏单元和扇形支撑壳体；多组近场热光伏单元并排紧密排列在扇形支撑壳体内；每组近场热光伏单元包括一个选择性辐射器和一块光伏电池板，光伏电池板处于选择性辐射器远离热源的一侧，且光伏电池板与选择性辐射器之间保持真空纳米间隙；多块光伏电池板与电压调节器电连接。本发明主要用于航空发动机的余热回收。
Description
技术领域
本发明涉及近场热光伏余热回收技术领域，尤其涉及一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置。
背景技术
热光伏是一种通过光伏效应将热源工业废热、燃料燃烧和集中太阳辐射等释放的热能直接转换为电能的能源利用方法，但辐射器向光伏电池的辐射热传递会受到黑体辐射的限制，引入近场热光伏可以超越黑体辐射，突破远场热光伏的局限性。当辐射源与电池的间隔小于特征波长时，倏逝波会通过光子隧穿增强辐射传递，将光伏电池中的光生载流子提高几个数量级，可实现高效转换和大功率输出。
航空发动机燃料燃烧所产生的能量中有很大一部分通过热量散失，军用航空发动机燃烧室的工作温度已经超过了2000K，民用航空发动机也要达到1800-1900K，如果能对这部分高品位热能进行回收，将提升航空发动机整体的能量利用率。现有的航空发动机余热回收发电技术多基于朗肯循环或半导体温差发电，存在重量大、结构复杂、维护成本高和安全隐患大等弊端，运用近场热光伏技术进行余热回收可以很好的避免这些问题；而且在理想情况下，近场热光伏在1500K时能达到35％的能量转换效率及接近105W/m2的电能输出；但是由于近场热光伏技术中光伏电池与选择性辐射器之间的距离达到微米甚至纳米级别，即使采用真空隔热，光伏电池也会不可避免的受到高温热源的影响，而光热电池需维持在较低温度下可以保证正常工作，故如何在保证近场热光伏技术进行高效的余热回收发电的情况下，还能维持光伏电池的低温状态是本发明需要考虑的重点问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：如何在保证近场热光伏技术进行高效的余热回收发电的情况下，还能维持光伏电池的低温状态的问题；进而提供一种用于航空发动机余热回收的近场热光伏发电装置，本发明的余热回收发电装置既结构简单、轻薄便携，又具有较高的输出功率，是一种极具潜力的航空发动机余热回收利用的装置。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，它包括多个近场热光伏系统、电压调节器和多个相变换热器；所述的多个近场热光伏系统周向均匀安装在涡喷发动机高温区域的外壁上，近场热光伏系统的内壁与涡喷发动机的外壁相贴合；每个近场热光伏系统包括多组微分的近场热光伏单元和一个扇形支撑壳体；所述的多组近场热光伏单元并排紧密排列在扇形支撑壳体内；每组近场热光伏单元包括一个选择性辐射器和一块光伏电池板，所述的光伏电池板处于选择性辐射器远离热源的一侧，且光伏电池板与选择性辐射器之间保持真空纳米间隙；多块光伏电池板与电压调节器电连接；每个近场热光伏系统对应设置一个相变换热器，所述的相变换热器设置在支撑壳体与飞机蒙皮之间，相变换热器的热端与支撑壳体的外壁贴合，相变换热器的冷端与飞机蒙皮的内壁相贴合。
本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
1、本发明运用近场热光伏系统回收了航空发动机余热产出电能，不仅减少了发动机用来带动外部发电机所做的有用功，提高了航空发动机整体的能量利用率，而且将航空发动机燃烧室剩余的热能转化为可利用的电能，缓解了燃烧室的散热压力。
2、本发明中的近场热光伏系统是由多组微分的近场热光伏单元组合成的曲面结构，近场热光伏系统的曲面结构可以很好地贴合航空发动机的高温区域，增加近场热光伏系统与航空发动机的接触面积，进而增加近场热光伏系统的辐射接收面积，最大程度的回收航空发动机的余热，而且近场热光伏系统整体的曲面结构虽然增加了辐射接收面积却不会增加整个装置的体积，减小装置所占体积和减少其加工成本；同时光伏电池板面积的增加又会提升其发电量；相比于需要工质循环的余热利用方式，整体质量更轻，结构更简单，维护成本低且安全性好。
3、本发明应用于涡扇发动机的近场热光伏系统充分利用涡扇发动机工作时外部的低温高速空气进行冷却，不需要额外设置冷却系统，简化结构，降低了装置的运行成本。
4、本发明应用于涡喷发动机的近场热光伏系统，每组近场热光伏单元对应一组换热单元，相邻的两组换热单元正反交替设置，且在中间位置设置隔热膜很好的解决了多块光伏电池板换热不均匀的问题，使其温度达到均匀化的目的。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。
图1为近场热光伏单元安装在航空发动机上的示意图；
图2为本发明实施例1整体结构示意图；
图3为本发明实施例2整体结构示意图；
图4为换热单元的结构示意图；
图5中(a)为换热单元正反交替排列的示意图；(b)为换热单元正向设置的示意图；(c)为换热单元反向设置的示意图；
图6为多组近场热光伏单元排布的示意图；
图7为本发明余热回收发电流程示意图。
图中：1-近场热光伏单元；1-1-选择性辐射器；1-2-光伏电池板；2-支撑壳体；3-涡扇发动机；5-相变换热器；5-1-方形环状换热管；5-2-吸液芯；5-3-疏水薄膜；5-4-冷凝腔；5-5-汽化腔；6-涡喷发动机；7-飞机蒙皮。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
由于航空发动机有两种，分别为涡扇发动机和涡喷发动机，本申请近场热光伏系统的结构形式即适用于涡扇发动机又适用于涡喷发动机，所以本申请通过两个实施例分别针对涡扇发动机和涡喷发动机单独进行说明：
实施例1：参见图1、图2、图6和图7所示，所述的一种用于航空涡扇发动机余热回收的近场热光伏发电装置，它包括两个近场热光伏系统和电压调节器；所述的两个近场热光伏系统分别安装在涡扇发动机3高温区域内涵道外壁的上表面和下表面，近场热光伏系统的内壁与涡扇发动机3的外壁相贴合，同时所述的近场热光伏系统处于涡扇发动机3的外涵道内；每个近场热光伏系统包括多组微分的近场热光伏单元1和一个扇形支撑壳体2；所述的多组近场热光伏单元1并排紧密排列在扇形支撑壳体2内；每组近场热光伏单元1包括采用含有Al2O3粒子的钨材料作为辐射器材料的选择性辐射器1-1和InGaSb光伏电池板1-2，所述的光伏电池板1-2处于选择性辐射器1-1远离热源的一侧，且光伏电池板1-2与选择性辐射器1-1之间保持真空纳米间隙；如图1及图6所示，所述选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2的竖截面均为梯形；选择性辐射器1-1朝向涡扇发动机3的一侧与涡扇发动机3的外壁形状相契合，选择性辐射器1-1朝向光伏电池板1-2的一侧为平面结构；所述光伏电池板1-2的上下表面均为平面结构；所述的选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2共同组成截面为梯形的近场热光伏单元1；多块光伏电池板1-2与电压调节器电连接；所述支撑壳体2的材质为氮化铝，支撑壳体2正对光伏电池板1-2的一侧内壁涂有反射层。
实施例2：
参见图1、图3至图7所示，所述的一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，它包括两个近场热光伏系统、电压调节器和多个相变换热器5；所述的两个近场热光伏系统分别安装在涡喷发动机6高温区域外壁的上表面和下表面，近场热光伏系统的内壁与涡喷发动机6的外壁相贴合；每个近场热光伏系统包括多组微分的近场热光伏单元1和一个扇形支撑壳体2；所述的多组近场热光伏单元1并排紧密排列在扇形支撑壳体2内；每组近场热光伏单元1包括采用含有Al2O3粒子的钨材料作为辐射器材料的选择性辐射器1-1和InGaSb光伏电池板1-2，所述的光伏电池板1-2处于选择性辐射器1-1远离热源的一侧，且光伏电池板1-2与选择性辐射器1-1之间保持真空纳米间隙；如图1及图6所示，所述选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2的竖截面均为梯形；选择性辐射器1-1朝向涡喷发动机6的一侧与涡喷发动机6的外壁形状相契合，选择性辐射器1-1朝向光伏电池板1-2的一侧为平面结构；所述光伏电池板1-2的上下表面均为平面结构；所述的选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2共同组成截面为梯形的近场热光伏单元1；多块光伏电池板1-2与电压调节器电连接；每个近场热光伏系统对应设置一个相变换热器5，所述的相变换热器5设置在支撑壳体2与飞机蒙皮7之间，相变换热器5的热端与支撑壳体2的外壁贴合，相变换热器5的冷端与飞机蒙皮7的内壁相贴合。如图4和图5所示，所述的相变换热器5包括多个正反交替排列的换热单元，相邻的两个换热单元之间为接触式连接，并相互平衡彼此的温度，每个换热单元对应一组近场热光伏单元1设置，用于每组近场热光伏单元1中的光伏电池板1-2的降温；每个换热单元包括一个方形环状换热管5-1、吸液芯5-2和疏水薄膜5-3，所述的吸液芯5-2设置在方形环状换热管5-1的一侧管内，疏水薄膜5-3设置在方形环状换热管5-1的另一侧管内，所述的吸液芯5-2与疏水薄膜5-3将方形环状换热管5-1分隔成冷凝腔5-4和汽化腔5-5，所述每个换热单元的汽化腔5-5侧贴在支撑壳体2的外壁上，每个换热单元的冷凝腔5-4侧贴在飞机蒙皮7的内壁上，所述的方形环状换热管5-1内注入有低沸点换热工质。如图5所示，其中一个换热单元中设置有吸液芯5-2的管路正对与其相邻的换热单元中设置有疏水薄膜5-3的管路，且设有吸液芯5-2的管路与设置有疏水薄膜5-3管路之间通过隔热薄膜隔开。
本申请的两个实施例中，所述的近场热光伏系统优选为两个，两个近场热光伏系统之间留有一定的散热空间，用于航空发动机的散热；所述的近场热光伏系统不同于常见的平板结构，而是采用微分思想将曲线分割成数个线段，每个线段代表一套微型近场热光伏系统，即本申请所述的近场热光伏单元1，多个微型热光伏系统拼接起来组成整套热光伏系统；每套近场热光伏系统中选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2均设计成梯形，使得近场热光伏单元1的结构也为梯形，利于相邻的两组近场热光伏单元1之间的紧密贴合，从而在一定的空间内使得近场热光伏系统与航空发动机所对应的面积达到最大，即多个选择性辐射器1-1的总面积和多块光伏电池板1-2的总面积分别达到最大，另外选择性辐射器1-1朝向航空发动机一侧的结构形式保证了选择性辐射器1-1与航空发动机的接触面也达到最大，最终使得近场热光伏系统与航空发动机之间的辐射接收面积达到最大；而且光伏电池板1-2的总面积大于选择性辐射器1-1的总面积，光伏电池板的发电量得到提升。与传统的近场热光伏系统相比，本申请的结构形式使得在相同体积下近场热光伏系统与航空发动机之间的辐射接收面积达到最大，但却不会增加整个装置的体积，减小装置所占体积和重量，减少其加工成本；而且，相比于需要工质循环的余热利用方式，本申请结构整体质量更轻，结构更简单，输出功率高，维护成本低且安全性好，是一种具有实际应用价值和发展潜力的航空发动机余热回收发电装置。
本申请的两个实施例中，选择性辐射器1-1与光伏电池板1-2之间的平板结构形式不仅有利于二者之间可以形成纳米间隙，而且也减小了选择性辐射器1-1与光伏电池板1-2的加工难度；采用微分的平面结构的近场热光伏系统拼接成整套的曲面结构的近场热光伏系统降低了整个近场热光伏系统的加工难度。
本申请的两个实施例中，通过对选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2材料的选择，使选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2的光谱辐射特性更好地匹配。
本申请的两个实施例中，采用氮化铝制作支撑壳体2，使其具有良好的导热性能和一定的刚性，支撑壳体2即是作为近场热光伏系统的支撑与固定，保证每组近场热光伏单元1中选择性辐射器1-1和光伏电池板1-2之间的真空纳米间隙，又作为光伏电池板1-2的换热板，起到很好的换热作用，保证光伏电池板1-2具有较低的温度；在支撑壳体2朝向光伏电池板1-2的一侧内壁涂有反射层，可以防止选择性辐射器1-1转化的热辐射向外侧散出，从而提升近场热光伏系统的能量转化率。
本申请的两个实施例中，所述的近场热光伏系统部分包裹于发动机工作时的高温区域表面以免影响高温区域的散热效果，航空发动机高温区域充当热源，近场热光伏系统可在高温区域达到其所需温度后自行启动，选择性辐射器1-1将热源的热能转化为高于光伏电池禁带宽度的热辐射，光伏电池板1-2将选择性辐射器1-1放出的辐射能通过光生伏特效应转化为电能，电压调节器在检测到电压达到标准后开始工作，输出的直流电经过电压调节器与逆变器调整为固定电压或频率的直流电或交流电，然后输送给飞机上的各种用电设备(如电子设备、照明设备、空调系统、蓄电池等)，得到的电能还可用于运行电动机对飞机的助推，近场热光伏发电装置的整个余热回收和发电过程无需控制器调控，整体装置简便。将近场热光伏系统与航空发动机有机结合完全可以进行高效发电，目前理想情况下的近场热光伏系统能够在1500K时达到35％的能量转换效率，接近105W/m2的电能输出，以空客A350为例，其变频交流发电机输出功率为100kVA，如果能将近场热光伏系统对航空发动机余热回收的方式很好地利用，则可代替空客A350的变频交流发电机更高效地产出电能；本发明运用近场热光伏系统回收了航空发动机余热产出电能，减少了发动机用来带动外部发电机所做的有用功，提高了航空发动机整体的能量利用率，而且本发明通过近场热光伏系统将航空发动机燃烧室剩余的热能转化为可利用的电能，在此过程中缓解了燃烧室的散热压力。
由于选择性辐射器1-1与光伏电池板1-2之间的距离很小，热源温度多在1000K以上，即使二者之间具有真空隔热层，光伏电池板1-2也会不可避免的受到高温热源的影响；本申请的实施例1将本装置设置在涡扇发动机的外涵道内，光伏电池板1-2利用由风扇吸入外涵道内的低温高速空气与电池板背面的支撑壳体2进行对流换热以保证其工作温度的稳定，光伏电池板1-2在支撑壳体2的保护作用下不会被吸入外涵道中的碎冰等固体颗粒划伤，并且支撑壳体2还可以作为换热板平衡各块光伏电池板1-2各区域的温度差，使发电装置能保持在最佳的工作状态。实施例1中的光伏电池板1-2的冷却方式简单有效，利用涡扇发动机工作时外部的低温高速空气进行冷却，不需要额外设置冷却系统，减少了装置的整体重量，结构得到简化，降低了装置的运行成本。由于涡扇发动机与涡喷发动机的结构形式有不同，所以实施例2的降温方式与实施例1的降温方式不同，实施例2是在光伏电池板1-2的背面设计一种相变换热器5，相变换热器5的热端为光伏电池板1-2，相变换热器5的冷端通过飞机蒙皮7与外界空气进行换热；相变换热器5内的低沸点工质在热端汽化吸收热量，而后在冷端液化释放热量，从而达到光伏电池板1-2的降温目的。实施例2中，所述的低沸点换热工质为液态状，吸液芯5-2可以将液化的换热工质循环回流到方形环状换热管5-1的汽化腔5-5中，液态的换热工质在汽化腔5-5中吸收光伏电池板1-2的热量并汽化，汽化的换热工质使得汽化腔5-5的压强增加，从而使得汽化的换热工质通过疏水薄膜5-3进入到冷凝腔5-4中，汽化的换热工质接触到了来自飞机蒙皮7传递过来的低温而液化，液化后的低沸点换热工质再次经过吸液芯5-2的循环回流到方形环状换热管5-1的汽化腔5-5中，重复上述循环，光伏电池板1-2通过液体的相变循环而达到降温的目的使其正常工作；实施例2中的相变换热器5设有疏水薄膜5-3可以实现通气不通水。由于本申请近场热光伏发电系统中的光伏电池板1-2是由多块组成，每块光伏电池板1-2处于发动机的位置不同和在选择性辐射器1-1的作用下可能存在温差，相变换热器5由正向与逆向流动的换热单元交替排列，相邻换热管之间吸液芯5-2侧管路与疏水薄膜5-3侧管路通过隔热薄膜隔开，冷凝腔5-4侧的管路和汽化腔5-5侧的管路相接触换热，通过对流换热传导相邻两个换热单元之间的热量，平衡光伏电池板1-2各区域间的温度差，尽可能使其温度稳定并处于最佳工作状态，缩小单个管路体积也可以更好地利用毛细作用来促进循环，而且多管路工作相较单个管路安全性更高，其中一个管路故障泄露不影响其余管路继续工作。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (4)
1.一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，其特征在于：它包括多个近场热光伏系统、电压调节器和多个相变换热器(5)；所述的多个近场热光伏系统周向均匀安装在涡喷发动机(6)高温区域的外壁上，近场热光伏系统的内壁与涡喷发动机(6)的外壁相贴合；每个近场热光伏系统包括多组微分的近场热光伏单元(1)和一个扇形支撑壳体(2)；多组近场热光伏单元(1)并排紧密排列在扇形支撑壳体(2)内；每组近场热光伏单元(1)包括一个选择性辐射器(1-1)和一块光伏电池板(1-2)，所述的光伏电池板(1-2)处于选择性辐射器(1-1)远离热源的一侧，且光伏电池板(1-2)与选择性辐射器(1-1)之间保持真空纳米间隙；多块光伏电池板(1-2)与电压调节器电连接；每个近场热光伏系统对应设置一个相变换热器(5)，所述的相变换热器(5)设置在支撑壳体(2)与飞机蒙皮(7)之间，相变换热器(5)的热端与支撑壳体(2)的外壁贴合，相变换热器(5)的冷端与飞机蒙皮(7)的内壁相贴合；
每个相变换热器(5)包括多个并排设置的换热单元，每个换热单元对应一组近场热光伏单元(1)设置；每个换热单元包括一个方形环状换热管(5-1)、吸液芯(5-2)和疏水薄膜(5-3)，所述的吸液芯(5-2)设置在方形环状换热管(5-1)的一侧管内，疏水薄膜(5-3)设置在方形环状换热管(5-1)的另一侧管内，所述的吸液芯(5-2)与疏水薄膜(5-3)将方形环状换热管(5-1)分隔成冷凝腔(5-4)和汽化腔(5-5)，所述每个换热单元的汽化腔(5-5)侧贴在支撑壳体(2)的外壁上，每个换热单元的冷凝腔(5-4)侧贴在飞机蒙皮(7)的内壁上，所述的方形环状换热管(5-1)内注入有低沸点换热工质；
多个换热单元正反交替排列，即其中一个换热单元中设置有吸液芯(5-2)的一侧管路正对与其相邻的换热单元中设置有疏水薄膜(5-3)的一侧管路；相邻的两个换热单元之间为接触式连接，且相邻的两个换热单元之间通过隔热薄膜将吸液芯(5-2)侧管路与疏水薄膜(5-3)侧管路隔开。
2.根据权利要求1所述的一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，其特征在于：所述支撑壳体(2)的材质为氮化铝，支撑壳体(2)正对光伏电池板(1-2)的一侧内壁涂有反射层。
3.根据权利要求2所述的一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，其特征在于：所述选择性辐射器(1-1)和光伏电池板(1-2)的竖截面均为梯形；选择性辐射器(1-1)朝向涡喷发动机(6)的一侧与涡喷发动机(6)的外壁形状相契合，选择性辐射器(1-1)朝向光伏电池板(1-2)的一侧为平面结构；所述光伏电池板(1-2)的上下表面均为平面结构；所述的选择性辐射器(1-1)和光伏电池板(1-2)共同组成截面为梯形的近场热光伏单元(1)。
4.根据权利要求3所述的一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置，其特征在于：所述的选择性辐射器(1-1)采用包含Al2O3粒子的钨材料作为辐射器材料；所述光伏电池板(1-2)的材料采用InGaSb。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210740893.8A CN115013156B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210740893.8A CN115013156B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115013156A CN115013156A (zh) | 2022-09-06 |
| CN115013156B true CN115013156B (zh) | 2022-12-13 |
Family
ID=83077333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210740893.8A Active CN115013156B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115013156B (zh) |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8076569B2 (en) * | 2008-05-12 | 2011-12-13 | Mtpv, Llc | Method and structure, using flexible membrane surfaces, for setting and/or maintaining a uniform micron/sub-micron gap separation between juxtaposed photosensitive and heat-supplying surfaces of photovoltaic chips and the like for the generation of electrical power |
| US20100031990A1 (en) * | 2008-08-01 | 2010-02-11 | University Of Kentucky Research Foundation | Cascaded Photovoltaic and Thermophotovoltaic Energy Conversion Apparatus with Near-Field Radiation Transfer Enhancement at Nanoscale Gaps |
| CN103457515B (zh) * | 2013-09-18 | 2015-10-28 | 哈尔滨工业大学 | 基于汽车尾气余热的热光伏系统 |
| US10208641B2 (en) * | 2015-11-25 | 2019-02-19 | The Boeing Company | Thermal electric assembly attached on an outer surface of a hot section of a gas turbine engine to generate electrical power |
| CN105790680A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-07-20 | 苏州大学 | 一种热光伏发电装置 |
| CN109367801B (zh) * | 2018-10-09 | 2020-09-18 | 北京航空航天大学 | 一种基于飞机液压系统及微型蒸发式制冷循环的分布式飞机热管理系统和方法 |
| CN112104264B (zh) * | 2020-08-28 | 2021-10-26 | 电子科技大学 | 一种用于航空发动机上热电发电的装置 |
| CN112412562B (zh) * | 2020-11-18 | 2022-04-12 | 浙江大学 | 热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法 |
| CN113014182A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-06-22 | 浙江大学 | 利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统 |
| CN114322585B (zh) * | 2021-12-29 | 2023-12-01 | 哈尔滨工业大学 | 一种高温钢坯红外辐射余热的高效回收转换系统 |
-
2022
- 2022-06-27 CN CN202210740893.8A patent/CN115013156B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115013156A (zh) | 2022-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3255651B1 (en) | Hybrid solar generator | |
| US20100243346A1 (en) | Battery pack for a vehicle | |
| CN110492135B (zh) | 燃料电池汽车余热发电系统及其工作方法、燃料电池汽车 | |
| US20120216538A1 (en) | Stirling engine solar concentrator system | |
| CN103151966A (zh) | 地热源热电转换装置 | |
| KR20100007240A (ko) | 공기집열식 태양광발전장치 | |
| CN104279078B (zh) | 一种汽车尾气温差发电系统 | |
| CN109981048A (zh) | 一种阵列式环路热管冷却聚光太阳能电池装置 | |
| CN107061201A (zh) | 一种光伏光热耦合热电联产系统及方法 | |
| KR20210124828A (ko) | 상변화물질과 열전모듈을 이용한 배터리팩 냉각 시스템과 냉각 방법 | |
| CN115013156B (zh) | 一种用于航空涡喷发动机余热回收的近场热光伏发电装置 | |
| CN104158443B (zh) | 基于高超声速流气动加热和热电转换的飞行器用电源装置 | |
| WO2024082689A1 (zh) | 热电联产装置、温差发电系统、电压控制方法及供暖设备 | |
| CN113271038A (zh) | 桥式热整流器 | |
| CN108869213B (zh) | 光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置及方法 | |
| CN210092227U (zh) | 燃料电池汽车余热发电系统、燃料电池汽车 | |
| CN210272553U (zh) | 一种中冷模块、燃料电池中冷系统 | |
| CN107196600A (zh) | 一种全季节复合型光伏光热一体化系统 | |
| CN110459782A (zh) | 燃料电池汽车余热发电系统及其工作方法、燃料电池汽车 | |
| CN102769414A (zh) | 一种圆形汽车尾气半导体热电发电机 | |
| CN108807730B (zh) | 分层式电动汽车电池包 | |
| KR20220083351A (ko) | 건축용 외장 패널 모듈 | |
| CN208143185U (zh) | 一种太阳能风光热一体的贮能装置 | |
| CN111092596A (zh) | 一种用于人造卫星的太阳能发电和温差发电一体化系统 | |
| CN110416573B (zh) | 一种中冷模块、燃料电池中冷系统及其工作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |