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CN103997281A - 一种二次发电的热光伏热电联产装置 - Google Patents

一种二次发电的热光伏热电联产装置 Download PDF

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潘剑锋
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Abstract

本发明公开了一种能够二次发电的热光伏热电联产装置，该装置包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组。所述燃烧器与光伏电池对中平行放置，所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面，电池冷却通道设置在光伏电池板的背面，燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机，所述燃气轮机的一端与压缩机连接，其另一端与发电机组连接；所述陶瓷换热器为管翅式结构，水在光滑的管内流动，烟气在管外的翅片上流动。本发明最大限度地利用了燃料燃烧释放出的能量，使装置的能量转换效率得到进一步提升。

Description

一种二次发电的热光伏热电联产装置
技术领域
本发明属于热光伏技术领域，具体涉及一种新型利用热光伏原理的热电联产技术，特指一种能够二次发电的热光伏热电联产装置。
背景技术
近年来，对热光伏(TPV)系统的开发已成为世界范围内的一个研究热点。传统的热光伏系统包括以下几个部分：热源、热辐射器、光子过滤器、光电池，它利用某种能量加热辐射体使其达到较高温度，高温辐射器释放的光子碰撞光电池表面，通过内部的半导体p-n结转化为电能。TPV系统所需的热源来源丰富，其中燃烧产生化学能是最为常见的热源形式，受光伏电池光电转换效率、过滤器滤波效果的限制、以及高温废气的能量浪费，该种TPV系统的整体效率普遍不高，在实验条件下得到的装置整体转换效率都在10％以下。
对于热光伏系统的核心部件——光伏电池，由于吸收了很多不能进行光电转换的辐射能，其表面温度会不断升高，导致工作效率下降。据研究显示，在辐射源温度为1227℃、光电池温度为25℃情况下，GaSb光电池转换效率为25％，而当电池温度为130℃时，光电池的转换效率则降低为17％。因此，为使光伏电池保持最佳工作状态，光伏电池的冷却效果必须得到保障。此外，燃烧过程必然会产生一定的废弃物，通常这些高温产物都是直接排放的，这不仅浪费能源，还对环境造成危害。
关于降低光伏电池温度的结构设计，现有技术中已有相关的技术方案公开，如中国专利号：201210543617.9，发明名称为：一种带余热回收的小型热光伏热电联产系统，该系统包括热源、热辐射器、光子过滤器、热光伏电池，在热光伏电池板的背面设有光电池冷却设备；在热辐射器的烟气排放出口设置一个烟气余热换热设备，所述冷却设备由水泵和冷却水管构成，所述烟气余热换热设备包括烟气管道和水通道，所述水通道是冷却水管的延伸。该申请案虽然实现了光伏电池的降温，通过烟气余热换热设备把高温烟气的余热回收变为热水，但是该申请案没有利用高温烟气产生电能，实现高温烟气的更充分的利用，提高TPV系统的转换效率。
基于以上分析，为进一步提高TPV系统的转换效率，如何合理利用发电过程各个环节的余热废热，实现热电联产就显得非常有必要。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
本发明的目的是根据热光电系统的工作特点，提供一种一种二次发电的热光伏热电联产装置，从而实现系统能量转换效率较大程度的提高。
2、技术方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二次发电的热光伏热电联产装置，包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组；
所述燃烧器与光伏电池对中平行放置，所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面，电池冷却通道设置在光伏电池板的背面，燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机，所述燃气轮机的一端与压缩机连接，其另一端与发电机组连接；所述陶瓷换热器为管翅式结构，水在光滑的管内流动，烟气在管外的翅片上流动。
更进一步地，所述燃烧器为平行板结构，其内部填充多孔介质，其材料为Al2O3。
更进一步地，所述光伏电池选禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μm的GaSb电池。
更进一步地，所述光伏电池的冷却通道为平行板结构，通道内部设置扰流翅片。
更进一步地，所述选择性过滤器为一维周期性Si/SiO2光子晶体薄膜型过滤器。
更进一步地，所述选择性过滤器采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。
热光伏热电联产装置同时利用热光伏技术和燃气轮机发电技术，产生电能。
热光伏热电联产装置在完成二次发电工作的同时，产生不同温度的热水，实现了余热和废热利用。
燃料和氧化剂经充分混合后进入燃烧器后进行燃烧，燃烧器外表面即为辐射表面，高温状态时释放出的辐射能经选择性过滤器后，一部分有效的辐射能穿过过滤器，照射到光伏电池表面，由光伏电池转换成电能，而另一部分则会由过滤器返回至辐射器以进行热量回收。为避免电池因温度升高带来的工作效率下降，采用冷水降温的方式以维持其在恒定低温下工作，而冷却水在吸收电池的热量后变成低温热水，可以直接供给家庭使用。另一方面，在燃烧器排烟出口安装了一个陶瓷换热器和压缩机，陶瓷换热器的冷媒也为冷却水，通过热量交换在产生大量高温热水的同时，最大限度地降低了高温烟气的温度，使其满足压缩机的工作温度范围。经过压缩机后，烟气达到一定压力，成为高压气体，最终进入燃气轮机膨胀做功，促使发电机发电，从而实现机械能转换成电能，达到二次产电的效果。
3、有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明最大限度地利用了投射到光电池的那部分能量，将原来对光电池效率有负面作用的能量转化成热能，并同时降低了光电池的工作温度，提高了光电池的效率。
(2)本发明有效地实现了高温烟气能量的综合利用，在实现二次产电的同时，还能产生大量热水，系统的能量转换效率可得到进一步提升。
附图说明
图1是改进后的二次发电的热电联产装置图；
图中：1.燃料和氧化剂混合物；2.燃烧器；3.总辐射能；4.反射辐射能；5.
选择性过滤器；6.透射辐射能；7.光伏电池；8.电池冷却水；9.电池冷却通道；10.低温热水；11.高温烟气；12.陶瓷换热器；13.烟气冷却水；14.高温热水；15.低温烟气；16.压缩机；17.高压烟气；18.燃气轮机；19.乏汽；20.发电机组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种二次发电的热光伏热电联产装置，包括燃烧器2、选择性过滤器5、光伏电池7、电池冷却通道9、陶瓷换热器12、压缩机16、燃气轮机18和发电机组20；
所述燃烧器2与光伏电池7对中平行放置，所述选择性过滤器5设于光伏电池7的接受面，所述电池冷却通道9设于光伏电池7的的背面，燃烧器2的排烟出口设有陶瓷换热器12和压缩机16，所述燃气轮机18的一端与压缩机16连接，其另一端与发电机组20连接，所述陶瓷换热器12为管翅式结构，水在光滑的管内流动，烟气在管外的翅片上流动。
常温下，燃料和氧化剂混合物1以0.5～3m/s的流速进入燃烧器2进行燃烧，并将燃烧器外表面加热至1000℃以上，燃烧器2采用耐高温的316不锈钢制作，高温氧化后外表面的发射率能达到0.85，燃烧器2为平行板结构，内部填充有多孔介质以提高燃烧过程的强度和效果，其材料为Al2O3。燃烧器2与光伏电池6对中平行放置，光伏电池7选用禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μm的GaSb电池，选择性过滤器5则采用结构较为简单的一维周期性Si/SiO2光子晶体薄膜型过滤器，并可采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。电池冷却通道为平行板结构，为提高换热效果，可在通道内部设置扰流翅片，电池冷却水8经换热后成低温热水10，水温可达到30～40℃，以供家庭的正常使用。
从燃烧器2出来的高温烟气11，温度通常为1000℃左右，压力约为0.12MPa，经过陶瓷换热器12(回收余热可达450～750℃，是目前回收高温烟气余热的最佳装置)，通过与烟气冷却水13进行换热后，成为低温烟气15(温度400℃左右，压力0.1MPa)，从而达到压缩机16的工作温度范围(常温至500℃左右)。压缩机16的压缩比选为14，烟气经压缩后形成高压烟气17，压力要求不低于0.3MPa，温度不低于450℃。高压烟气17最终进入燃气轮机膨胀做功，促使发电机发电，从而实现机械能转换成电能，达到二次产电的效果。燃气轮机18热效率可达30％～34％，燃气轮机18和发电机20独立组成装机快、起停灵活的循环系统，乏汽19也可冷凝回收为热水加以利用。

Claims (9)

1.一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：包括燃烧器、选择性过滤器、光伏电池、电池冷却通道、陶瓷换热器、压缩机、燃气轮机和发电机组； 
所述燃烧器与光伏电池对中平行放置，所述选择性过滤器设于光伏电池的接受面，电池冷却通道设置在光伏电池板的背面，燃烧器的排烟出口设有陶瓷换热器和压缩机，所述燃气轮机的一端与压缩机连接，其另一端与发电机组连接。 
2.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述的装置，同时利用热光伏技术和燃气轮机发电技术，产生电能。 
3.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述的装置，在完成二次发电工作的同时，产生不同温度的热水，实现了余热和废热利用。 
4.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述燃烧器为平行板结构，其内部填充多孔介质，其材料为Al2O3。 
5.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述光伏电池为禁带宽度0.72ev、截止波长1.78μm的GaSb电池。 
6.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述光伏电池冷却通道为平行板结构，通道内部设置扰流翅片。 
7.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述选择性过滤器为一维周期性Si/SiO2光子晶体薄膜型过滤器。 
8.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述选择性过滤器采用真空溅射的方式直接镀在电池的接受表面。 
9.如权利要求1所述的一种二次发电的热光伏热电联产装置，其特征在于：所述陶瓷换热器为管翅式结构，水在光滑的管内流动，烟气在管外的翅片上流动。 
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