EP0941553A1 - Thermophotovoltaischer generator - Google Patents

Thermophotovoltaischer generator

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Publication number
EP0941553A1
EP0941553A1 EP98954236A EP98954236A EP0941553A1 EP 0941553 A1 EP0941553 A1 EP 0941553A1 EP 98954236 A EP98954236 A EP 98954236A EP 98954236 A EP98954236 A EP 98954236A EP 0941553 A1 EP0941553 A1 EP 0941553A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photocell
combustion
solid body
chamber
reflector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98954236A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ekkehard Laqua
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0941553A1 publication Critical patent/EP0941553A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
    • 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
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • thermophotovoltaic generator with a solid body lying in a combustion chamber, the surface of which is excited by a fuel-air mixture which is fed to the combustion chamber and combusted, to radiation which impinges on a photocell which then generates electrical energy and with an exhaust gas duct, which removes the hot combustion gases from the combustion chamber.
  • the fuel supply in the case of radiation burners is designed in such a way that the fuel is brought onto the solid from inside or behind, burns on its surface and excites it to radiation.
  • the resulting combustion gases are discharged to the outside through the exhaust gas duct.
  • the well-known fixed bed burner is an example.
  • thermophotovoltaic generator When such a radiant burner is used in a thermophotovoltaic generator, there has previously been the problem that the hot combustion gases flow to the photocell. For this reason, protective measures such as cooling of the photocell and shielding by a quartz glass pane, in order to avoid overheating of the photocell.
  • thermophotovoltaic generator Specify the radiation burner so that the photocells used to generate electricity are not, as was previously customary, in the current direction of the hot fuel gases, so that the effort required for protective measures of the photocell previously required against the hot combustion gases can be considerably reduced.
  • a generic ther o-photovoltaic generator is characterized in that a premixing chamber is closed to the outside by a porous solid, the photocell in the premixing chamber is opposite and upstream of the solid, a reflector outside the premixing chamber downstream of the solid and This is opposite, so that it reflects the radiation resulting from the combustion of the fuel-air mixture on the solid opposite to the flow of the combustion gases to the solid, and the fuel-air supply from the feed unit to the premixing chamber is guided so that the unburned fuel-air mixture from behind and flows around the thereby cooled photocell.
  • the invention is therefore based on the reversal of the direction of the fuel flow and the direction of radiation.
  • the photocell is not exposed to hot fuel gases, but is actively cooled by the cold fuel-air mixture flowing around it.
  • the effort to protect the photocell against the hot fuel gases can be significantly reduced in this way.
  • the photocell and the reflector can be constructed in a flat manner and arranged in mutually parallel planes.
  • the photocell and the reflector in a substantially cylindrical combustion chamber, can lie on cylindrical surfaces which are arranged coaxially to one another.
  • the photocells lie on an inner cylinder surface and the reflector on an outer cylinder surface surrounding the inner cylinder surface.
  • the porous solid which is also in the cylindrical combustion chamber and which, apart from the porosity, can be completely closed.
  • thermophotovoltaic generator according to the invention in which the photocell is cooled by the inflowing fuel-air mixture, can be realized in various designs, namely e.g. in a radial, an axial or another geometric arrangement.
  • FIGS. 2A and 2B show an exemplary embodiment of a thermophotovoltaic generator with a radial arrangement of photocell and reflector, in each case in a schematic cross-sectional illustration in top view and in side view.
  • Fig. 1 shows schematically a basic arrangement of a thermophotovoltaic generator according to the invention, in which those shown with solid arrow lines 6 are called Combustion gases cannot be directed onto the photocell 3.
  • the photocell 3 is also cooled by the fuel-air mixture flowing via a feed unit 1 into the premixing chamber 4 of the burner 2.
  • the hot combustion gases 6 flow from the premixing chamber 4 and through the surface of the porous solid body 5.
  • There the fuel burns and excites the porous solid body 5 to radiation.
  • the hot combustion gases 6 emerge from the porous body 5 and are discharged from the combustion chamber 8 through an exhaust gas duct.
  • a reflector 7 is attached parallel to the photocell 3 and also to the porous solid 5, which reflects the radiation back towards the photocell so that radiation is effectively only thrown in the direction of the photocell.
  • thermophotovoltaic generator lies in the opposite direction of the hot combustion gases 6 and the radiation which is reflected by the porous solid body 5 and by the reflector 7 towards the photocell 3.
  • FIGS. 2A and 2B show a thermophotovoltaic generator according to the invention, in which the photocell 13, the porous solid body 15 and the reflector 17 lie radially to one another, ie they lie on cylindrical surfaces which are concentric with one another.
  • FIG. 2A shows such a thermophotovoItaische generator arrangement with an essentially cylindrical burner 12.
  • a cylindrical arranged photocell 13 is flowed around and cooled by the fuel-air mixture flowing in via a feed unit 10, 11.
  • conical distribution devices 19 can be arranged in the inflowing fuel-air mixture in the premixing chamber 14.
  • the fuel-air mixture 16 burning on the surface of the porous solid body 15 is tion in a combustion chamber 18 in the form of combustion gases discharged through exhaust openings.
  • the reflector 17 is also arranged in a circular cylinder and concentrically around the photocell 13 and the porous solid 15. The radiation generated on the solid body during combustion and part of the radiation reflected by the reflector 17 (dashed arrows) strike the photocell 13. The main part of the reflected radiation keeps the solid body at temperature.
  • thermophotovoltaic generator based on the principle according to the invention of reversing the direction of the fuel and the direction of the radiation can be implemented.

Landscapes

  • Gas Burners (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermophotovoltaischen Generator mit einem in einer Brennkammer (8) eines Brenners (2) liegenden Festkörper (5), dessen Oberfläche durch ein dem Brenner (2) durch eine Zufuhreinheit (1) zugeführtes und dort verbrennendes Brennstoff-Luftgemisch zur Strahlung angeregt wird, die auf eine Photozelle (3) trifft, welche daraufhin elektrische Energie erzeugt, und mit einer die heissen Verbrennungsgase aus der Brennkammer (8) abführenden Abgasführung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vormischkammer (4) von der Brennkammer (8) durch einen porösen Festkörper (5) nach aussen abgeschlossen ist, die Photozelle (3) in der Vormischkammer (4) dem porösen Festkörper (5) gegenüber und stromaufwärts von diesem liegt, ein Reflektor (7) ausserhalb der Vormischkammer (4) stromabwärts vom Festkörper (5) und diesem gegenüber liegt, so dass er die durch Verbrennung des Brennstoff-Luftgemischs am Festkörper entstehende Strahlung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase zur Photozelle (3) zurückwirft, und die Brennstoff-Luftzufuhr von der Zufuhreinheit (1) zur Vormischkammer (4) so geführt wird, dass das unverbrannte Brennstoff-Luftgemisch von hinten auf und um die dadurch gekühlte Photozelle (3) strömt.

Description

Thermophotovoltaischer Generator
Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft einen thermophotovoltaischen Generator mit einem in einer Brennkammer liegenden Festkörper, dessen Oberfläche durch ein der Brennkammer durch eine Zufuhreinheit zugeführtes und verbrennendes Brennstoff-Luftgemisch zur Strahlung angeregt wird, die auf eine Photozelle trifft, welche daraufhin elektrische Energie erzeugt und mit einer Abgasführung, die die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer abführt.
Derzeit wird die Brennstoffzufuhr bei Strahlungsbrennern derart gestaltet, daß der Brennstoff von innen oder hinten auf den Festkörper gebracht wird, an dessen Oberfläche verbrennt und diese zur Strahlung anregt. Die dabei entstehenden Verbrennungsgase werden durch die Abgasführung nach außen abgeführt. Als Beispiel ist hier der bekannte Festbettbrenner zu nennen.
Wenn in einem thermophotovoltaischen Generator ein solcher Strahlungsbrenner verwendet wird, bestand bisher das Problem, daß die heißen Verbrennungsgase zur Photozelle hin strömen. Aus diesem Grunde mußten Schutzmaßnahmen, wie z.B. eine Kühlung der Photozelle und eine Abschirmung durch eine Quarzglasscheibe, getroffen werden, um eine Überhitzung der Photozelle, zu vermeiden.
Kurzfassung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe dieser Erfindung, einen thermophotovoltaischen Generator unter Verwendung eines Strahlungsbrenners so anzugeben, daß die zur Stromerzeugung verwendeten Photozellen nicht, wie bisher üblich, in Stromrichtung der heißen Brenngase liegen, so daß der Aufwand für bisher notwendige Schutzmaßnahmen der Photozelle gegen die heißen Verbrennungsgase erheblich reduziert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein gattungsgemäßer ther o- photovoltaischer Generator dadurch gekennzeichnet, daß eine Vormischkammer durch einen porösen Festkörper nach außen abgeschlossen ist, die Photozelle in der Vormischkammer dem Festkörper gegenüber und stromaufwärts von diesem liegt, ein Reflektor außerhalb der Vormischkammer stromabwärts vom Festkörper und diesem gegenüber liegt, so daß er die durch Verbrennung des Brennstoff-Luftgemischs am Festkörper entstehende Strahlung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase zum Festkörper zurückwirft, und die Brennstoff-Luftzufuhr von der Zufuhreinheit zur Vormischkammer so geführt wird, daß das unverbrannte Brennstoff- Luftgemisch von hinten auf und um die dadurch gekühlte Photozelle strömt.
Somit basiert die Erfindung auf der Richtungsumkehr der BrennstoffStrömung und der Strahlungsrichtung. Dadurch wird die Photozelle nicht mit heißen Brenngasen beaufschlagt sondern aktiv von dem sie umströmenden kalten Brennstoff- Luftgemisch gekühlt. Der Aufwand zum Schutz der Photozelle gegen die heißen Brenngase kann auf diese Weise erheblich reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des thermophotovoltaischen Generators können die Photozelle und der Reflektor eben konstruiert und in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sein. Bei einer alternativen Ausführungsform können bei einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammer die Photozelle und der Reflektor auf Zylindermantelflächen liegen, die koaxial zueinander angeordnet sind.
Dabei ist besonders günstig, wenn die Photozellen auf einer inneren Zylinderfläche und der Reflektor auf einer die innere Zylinderfläche umgebenden äußeren Zylinderfläche liegen. Dazwischen befindet sich dann der in der ebenfalls zylindrischen Brennkammer liegende poröse Festkörper, der, abgesehen von der Porosität vollständig geschlossen sein kann.
Der erfindungsgemäße thermophotovoltaische Generator, bei dem die Photozelle vom zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch gekühlt wird, läßt sich in verschiedenartigen Ausführungen realisieren, nämlich z.B. in einer radialen, einer axialen oder auch einer anderen geometrischen Anordnung.
Die Erfindung wird nachstehend in einer Prinzipanordnung und einer beispielhaften Ausführungsform mit radialer Anordnung des Reflektors und der Photozelle anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine Prinzipanordnung eines thermophotovoltaischen Generators gemäß der Erfindung; und die Figuren 2A und 2B eine beispielhafte Ausführungsform eines thermophotovoltaischen Generators mit radialer Anordnung von Photozelle und Reflektor, jeweils in einer schematischen Querschnittsdarstellung in Draufsicht und in Seitenansicht.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Prinzipanordnung eines erfindungsgemäßen thermophotovoltaischen Generators, bei dem die mit ausgezogenen Pfeillinien 6 dargestellten heißen Verbrennungsgase nicht auf die Photozelle 3 gelenkt werden. Die Photozelle 3 wird darüber hinaus von dem über eine Zufuhreinheit 1 in die Vormischkammer 4 des Brenners 2 strömenden Brennstoff-Luftgemisch gekühlt. Die heißen Verbrennungsgase 6 strömen von der Vormischkammer 4 an und durch die Oberfläche des porösen Festkörpers 5. Dort verbrennt der Brennstoff und regt den porösen Festkörper 5 zur Strahlung an. Die heißen Verbrennungsgase 6 treten aus dem porösen Körper 5 aus und werden durch eine Abgasführung aus der Brennkammer 8 abgeführt. Parallel zur Photozelle 3 und auch zum porösen Festkörper 5 ist ein Reflektor 7 angebracht, der die Strahlung in Richtung zur Photozelle zurückwirft, so daß Strahlung effektiv nur in Richtung Photozelle geworfen wird.
Der Vorteil dieser prinzipiellen Anordnung des erfindungsgemäßen thermophotovoltaischen Generators liegt in der entgegengesetzten Richtung der heißen Verbrennungsgase 6 und der Strahlung, die vom porösen Festkörper 5 sowie vom Reflektor 7 zur Photozelle 3 hin reflektiert wird.
Die Figuren 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen thermophotovoltaischen Generator, bei dem die Photozelle 13, der poröse Feststoffkörper 15 und der Reflektor 17 radial zueinander liegen, d.h. sie liegen auf Zylindermantelflächen, die konzentrisch zueinander sind. Fig. 2A zeigt eine solche thermophotovoItaische Generatoranordnung mit einem im wesentlichen zylindrischen Brenner 12. Innerhalb einer Vormischkammer 14 desselben wird eine zylindrisch angeordnete Photozelle 13 von dem über eine Zufuhreinheit 10, 11 zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch umströmt und gekühlt. Zur Verteilung des Brennstoff-Luftgemischs können in der Vormischkammer 14 kegelförmige Verteilvorrichtungen 19 im zuströmenden Brennstoff-Luftgemisch angeordnet sein. Das an der Oberfläche des porösen Feststoffkörpers 15 verbrennende Brennstoff-Luftgemisch 16 wird nach der Verbren- nung in einer Brennkammer 18 in Form von Verbrennungsgasen durch Abgasöffnungen abgeführt. Der Reflektor 17 ist ebenfalls kreiszylindrisch und konzentrisch um die Photozelle 13 und den porösen Festkörper 15 angeordnet. Die bei der Verbrennung am Festkörper erzeugte Strahlung sowie ein Teil der vom Reflektor 17 zurückgestrahlten Strahlung (gestrichelte Pfeile) treffen auf die Photozelle 13. Der Hauptteil der reflektierten Strahlung hält den Festkörper auf Temperatur.
Es muß erwähnt werden, daß die in den Figuren 2A und 2B gezeigte radiale Anordnung eine Reihe von strömungs- optimierenden Änderungen erfahren kann. Außerdem läßt sich eine geometrische und hinsichtlich der Kühlung der Photo- zelle optimalere Anordnung angeben, bei der die Reihenfolge der Photozelle 13, des porösen Festkörpers 15 und des Reflektors 17 vertauscht ist, so daß der Reflektor 17 innen und die Photozelle außen liegt. Selbstverständlich muß dann auch die Zufuhr des- Brennstoff-Luftgemischs und die Abfuhr der Abgase 18 entsprechend umgekehrt werden.
Außer der in den Figuren 2A und 2B gezeigten kreiszylindrischen Anordnung sind auch andere, z.B. kegel- oder kugelförmige Anordnungen eines auf dem erfindungsgemäßen Prinzip der Richtungsumkehr der Brennstofführung und der Richtung der Strahlung beruhenden thermophotovoltaischen Generators realisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Thermophotovoltaischer Generator mit einem in einer Brennkammer (8) eines Brenners (2) liegenden Festkörper
(5), dessen Oberfläche durch ein dem Brenner (2) durch eine Zufuhreinheit (1) zugeführtes und dort verbrennendes Brennstoff-Luftgemisch zur Strahlung angeregt wird, die auf eine Photozelle (3) trifft, welche daraufhin elektrische Energie erzeugt, und mit einer die heißen Verbrennungsgase aus der Brennkammer (8) abführenden Abgasführung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vormischkammer ( 4) von der Brennkammer ( 8 ) durch einen porösen Festkörper- (5) nach außen abgeschlossen ist, die Photozelle (3) in der Vormischkammer (4) dem porösen Festkörper (5) gegenüber und stromaufwärts von diesem liegt, ein Reflektor (7) außerhalb der Vormischkammer (4) stromabwärts vom Festkörper (5) und diesem gegenüber liegt, so daß er die durch Verbrennung' des Brennstoff-Luftgemischs am Festkörper (5) entstehende Strahlung entgegengesetzt zur Strömung der Verbrennungsgase (6) zur Photozelle (3) zurückwirft, und die Brennstoff-Luftzufuhr von der Zufuhreinheit (1) zur Vormischkammer (4) so geführt wird, daß das unverbrannte Brennstoff-Luftgemisch von hinten auf und um die dadurch gekühlte Photozelle (3) strömt.
2. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (3) und der Reflektor (7) in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind.
3. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem im wesentlichen zylindrischen Brenner (12) die Photozelle (13), der Festkörper (15) und der Reflektor (17) auf Zylindermantelflächen und koaxial zueinander angeordnet sind.
4. Thermophotovoltaischer Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle (13) relativ zum zylindrischen Reflektor (17) auf einer inneren Zylindermantelfläche angebracht ist.
EP98954236A 1997-09-30 1998-09-29 Thermophotovoltaischer generator Withdrawn EP0941553A1 (de)

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