專利名稱：燃燒光能利用裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒光能利用裝置及方法，屬于燃燒光能利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可燃物質(zhì)燃燒釋放大量能量，這些能量以電磁波的形式向周圍輻射，燃燒產(chǎn)生的電磁波主要有以熱輻射為主的紅外波段和以光輻射為主的可見光波段(波長為 0. 38-0. 76 μ m)。燃燒產(chǎn)生的熱輻射能通過動力裝置轉(zhuǎn)化為機械能(如汽油機、柴油機等)或者是通過熱光伏系統(tǒng)(Thermo-PhotoVoltaic，TPV)將紅外輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能。以主要利用燃燒過程中釋放出的光輻射如各種燃燒發(fā)熱量很小但發(fā)光量巨大的材料制作的冷光煙火、照明劑和發(fā)光信號劑；以主要利用燃燒過程中釋放出的熱輻射如無強光明焰的高溫低氧無焰燃燒技術(shù)、陰燃暗燃過程；這些都是分別利用燃燒過程發(fā)出的光和熱的典型與極端實例。然而目前各類常規(guī)燃燒過程仍是光和熱并存的過程，然而在人們利用燃燒熱輻射的熱能時，其光輻射的光能就被浪費了。常規(guī)燃料燃燒過程中存在強光明焰燃燒區(qū)，可見光波段內(nèi)的輻射能占總輻射能的1-4%左右，屬于燃燒過程中的低品位能。開發(fā)利用低品位能是目前能源動力領(lǐng)域的研究焦點和熱點，被譽為突破能源危機的指路明燈和最具有直接應(yīng)用價值的節(jié)能研究開發(fā)。若能把高溫燃燒時光輻射的可見光波段能量有效利用起來，對于提高現(xiàn)代熱能動力循環(huán)綜合熱效率是非常有潛在意義的。現(xiàn)在能夠直接利用光能的裝置就是太陽能發(fā)電，是通過光伏電池將太陽光轉(zhuǎn)化為電能，其適用的溫度是室溫(300K)，然而在利用燃料燃燒光能時，其環(huán)境溫度很高(150(Γ2500Κ)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)不適合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對燃料燃燒時光輻射能被浪費的問題，提出了一種能夠在高溫下利用燃燒光能的燃燒光能利用裝置及方法。一種燃燒光能利用裝置，其特征在于依次包括光電轉(zhuǎn)化元件和散熱器，其中在光電轉(zhuǎn)化元件之前還設(shè)置有與該光電轉(zhuǎn)化元件匹配的用于濾除輻射能量低于該光電轉(zhuǎn)換器件的禁帶寬度而不能轉(zhuǎn)換為電能的光子的光學(xué)濾波器。當(dāng)燃燒火焰穩(wěn)定時可以沒有取光器。而當(dāng)燃燒火焰不穩(wěn)定時在上述光學(xué)濾波器之前還設(shè)置有取光器。一種燃燒光能利用方法，其特征在于包括以下過程燃料在燃燒器燃燒發(fā)光，光能透過取光器；光能經(jīng)過光學(xué)濾光器過濾實現(xiàn)光能與光電轉(zhuǎn)化元件之間的匹配，因為燃燒會產(chǎn)生一些輻射能量低于光電轉(zhuǎn)換器件的禁帶寬度而不能轉(zhuǎn)換為電能的光子，這部分輻射能量會加熱光電轉(zhuǎn)化元件，因此必須被過濾掉；光能被光電轉(zhuǎn)化元件吸收，轉(zhuǎn)換為電能輸出； 光電轉(zhuǎn)化元件通過散熱器來降低溫度。燃料在燃燒器內(nèi)燃燒發(fā)熱發(fā)光，強光明焰燃燒區(qū)光能通過光能穿透單元，進入光學(xué)濾波器，被光電轉(zhuǎn)化元件吸收轉(zhuǎn)化為電能。光電轉(zhuǎn)化元件將光能轉(zhuǎn)換為電能，是整個光能利用系統(tǒng)的核心部件。光學(xué)濾波器也即光譜控制器，用來實現(xiàn)光能與光電轉(zhuǎn)化元件之間的匹配，因為燃燒會產(chǎn)生一些輻射能量低于光電轉(zhuǎn)換器件的禁帶寬度而不能轉(zhuǎn)換為電能的光子，這部分輻射能量會加熱光電轉(zhuǎn)化元件，因此必須被過濾掉，如紅外波段輻射被折回燃燒器內(nèi)，光學(xué)濾波器其作用是將不能被轉(zhuǎn)換電能的光波段光能反射回燃燒器，這樣有利用提高燃燒熱利用率，同時也能降低光電轉(zhuǎn)化元件溫度，保證其工作性能。光電轉(zhuǎn)化元件可以采用光伏電池，另外，由于光電轉(zhuǎn)化元件處在高溫之中，可以采用散熱器來降低光電轉(zhuǎn)化元件溫度，其形式可以是空冷、水冷，也可以是是增加翅片的形式。本發(fā)明首創(chuàng)性地提出了利用燃燒過程中低品位能光能的概念，并且基于CPV (Combustion-PhotoVoltaic)系統(tǒng)給出了利用方法和實施的具體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以將燃燒光能簡單、方便地轉(zhuǎn)換為高品位的電能，提高了燃料燃燒時能量的利用率。這是一項符合我國“節(jié)能減排”國策，適合我國能源可持續(xù)利用的新技術(shù)。


圖1為本發(fā)明CPV系統(tǒng)原理圖； 圖2為爐膛型光能利用裝置示意圖； 圖3為爐灶型光能利用裝置示意圖4為內(nèi)燃氣缸型光能利用裝置示意圖中標(biāo)號名稱1、取光器；2、濾光器；3、光電轉(zhuǎn)化元件；4、散熱器；5、爐壁；6、燃氣；7、 氣缸。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細說明
本實施以燃煤的燃燒裝置為例，如圖2所示，1是用透明材料做成的圓柱形燃燒器強光明焰區(qū)光能穿透單元，即取光器，強光穿透直徑為1600mm，長度為IOOOmrn的取光器；2是光學(xué)濾波器；3是光電轉(zhuǎn)化元件，采用光電池，效率取15% ;4是散熱器，采用空冷的形式。假設(shè)燃燒It含碳量為70. 8%，發(fā)熱量為27800kJ/kg的大同煙煤，燃燒釋放光子^500mol，波長取500nm，則光能為7056MJ。在熱電站中，如按鍋爐熱效率85%，蒸汽輪機效率37%計算， It煤的發(fā)電量是1812千瓦時，其總的效率是23. 5%;而采用這種光能利用裝置，假設(shè)光電池吸收了 80%的燃燒光能，則可以輸出245千瓦時的電能，這樣總的效率可以提高到26. 6%，相當(dāng)于把總效率提高3. 1%。圖3所示為爐灶型光能利用裝置，2是光學(xué)濾波器，3是光電轉(zhuǎn)化元件，4是翅片式散熱器，直接通過增加散熱面積的方式，有效地降低電池溫度。氣體可以潔凈燃燒，由于燃燒火焰穩(wěn)定，所以取光器可以省略，光能直接透過濾光器，被光伏電池吸收，產(chǎn)生電能。圖4所示為內(nèi)燃氣缸型光能利用裝置，1是取光器，2是光學(xué)濾光器，3是光電轉(zhuǎn)化元件。燃料燃燒發(fā)出強光，透過光學(xué)濾光器，被光伏電池吸收，產(chǎn)生電能。如圖1-4所示，取光器1的作用是引出燃燒室內(nèi)的光，形狀是任意的，可以為圓筒形，也可以為四方形。光學(xué)濾波器2不僅僅局限于反射波長較長的低能光子，也可將波長較短的高能光子反射回輻射體。它是和光電轉(zhuǎn)化元件配套使用的。當(dāng)光電轉(zhuǎn)化元件采用的是Si電池時， 光學(xué)濾波器應(yīng)該主要能濾過0. 4 1. 1 μ m的光波；當(dāng)采用的是GaAs電池時，光學(xué)濾波器應(yīng)該主要能濾過0. 4 0. 9 μ m的光波。光電轉(zhuǎn)化元件3主要采用的是光伏電池，可以是常用的Si電池，也可以采用效率較高的GaAs電池，也可以是今后可能出現(xiàn)的專門吸收低品位光能的耐高溫高效元件。散熱器4可以是空冷的形式，如翅片式散熱器，也可以是水冷的形式。
權(quán)利要求
1.一種燃燒光能利用裝置，其特征在于依次包括光電轉(zhuǎn)化元件C3)和散熱器，其中在光電轉(zhuǎn)化元件(3)之前還設(shè)置有與該光電轉(zhuǎn)化元件匹配的用于濾除輻射能量低于該光電轉(zhuǎn)換器件的禁帶寬度而不能轉(zhuǎn)換為電能的光子的光學(xué)濾波器(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒光能利用裝置，其特征在于上述光學(xué)濾波器( 之前還設(shè)置有取光器(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃燒光能利用裝置，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)化元件 (3)為Si電池，所述光學(xué)濾波器(2)為主要能濾過0. Π. 1 μ m的光波的濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃燒光能利用裝置，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)化元件 (3)為GaAs電池，所述光學(xué)濾波器(2)為主要能濾過0. 4^0. 9 μ m的光波的濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃燒光能利用裝置，其特征在于所述散熱器(4)為空冷結(jié)構(gòu)或水冷結(jié)構(gòu)。
6.一種燃燒光能利用方法，其特征在于包括以下過程燃料在燃燒器燃燒發(fā)光，光能透過取光器(1)；光能經(jīng)過光學(xué)濾光器(2)過濾實現(xiàn)光能與光電轉(zhuǎn)化元件之間的匹配，因為燃燒會產(chǎn)生一些輻射能量低于光電轉(zhuǎn)換器件的禁帶寬度而不能轉(zhuǎn)換為電能的光子，這部分輻射能量會加熱光電轉(zhuǎn)化元件，因此必須被過濾掉；光能被光電轉(zhuǎn)化元件(3)吸收，轉(zhuǎn)換為電能輸出；光電轉(zhuǎn)化元件(3 )通過散熱器(4 )來降低溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃燒光能利用裝置及方法，屬于燃燒光能利用技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括光學(xué)濾波器(2)、光電轉(zhuǎn)化元件(3)、散熱器(4)。本裝置及方法可以將燃燒光能簡單、方便地轉(zhuǎn)換為高品位的電能，提高了燃料燃燒時能量的利用率。這是一項符合我國節(jié)能減排國策，適合我國能源可持續(xù)利用的新技術(shù)。
文檔編號H01L31/04GK102214707SQ201110131070
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者唐豪, 張超, 李明 申請人:南京航空航天大學(xué)