專利名稱：熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)電技術(shù)，特別是一種熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置。
技術(shù)背景熱光伏發(fā)電裝置是將各種諸如燃料的燃燒熱、廢熱、太陽能、放射性同位素?zé)嵩?等產(chǎn)生的熱量，通過熱輻射發(fā)射面轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外波段的輻射能，該輻射能投射到熱光伏 電池上轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。熱光伏發(fā)電裝置在理論上可以獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，并且 具有對各種燃料的適應(yīng)性、無運動部件、易于維護、高功率密度、無噪聲運行與低輻 射等優(yōu)點，但是目前熱光伏發(fā)電系統(tǒng)還沒有得到實際的應(yīng)用，其問題主要在于其熱電 轉(zhuǎn)換效率較低，主要問題在于以下幾個方面 一是燃料燃燒所釋放的熱能如何高效的 轉(zhuǎn)換為輻射能；二是如何將熱輻射的波長控制在光伏電池高轉(zhuǎn)換效率所對應(yīng)的波長范 圍，減少輻射熱量散失；三是如何提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率；四是如何降低結(jié)構(gòu) 的其它散熱損失。EdHorne在美國加州能源委員會的資助下，對可使用燃氣與太陽能兩種不同能源 方式的熱光伏系統(tǒng)進行了研究，針對上述問題采用了如下的技術(shù)措施 一是采用具有 回?zé)岬娜紵b置，提高燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)換為輻射能的比例；二是采用微格柵 濾光器，在光伏電池高轉(zhuǎn)換效率所對應(yīng)的波長范圍的熱輻射透過濾光器到達光伏電池， 而其它波長的熱輻射被濾光器反射到熱輻射面而被重新利用，但其濾光器的透過率較 低，影響了系統(tǒng)的能量密度；三是使用GaSb低禁帶光伏電池，并結(jié)合電池冷卻系統(tǒng)提 高光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率；四是采用雙層石英玻璃，并在石英玻璃中間抽真空進行 隔熱的方式降低結(jié)構(gòu)散熱(Ed Home, Hybrid Thermophotovoltaic Power System. California Energy Commission Consultant Report, P500-02-048F)。Edward Doyle等人研制了 25W的熱光伏裝置(NASA/CR—2001-211071 )，采用耐 高溫金屬肋片套管式回?zé)嵯到y(tǒng)，輻射面嘗試了采用碳化硅表面鍍鎢、Kanthal合金以及 鉑金等多種方式來控制熱輻射的波長，電池采用集成了多層介質(zhì)濾光器的GaSb光伏電 池，其它表面采用鍍金方式減少輻射散熱(Edward Doyle, Kailash Shukla, Christopher Metcalfe.for a Hybrid Power System. NASA/CR—2001-211071 )。他們雖然采用多種措施提高熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果仍然不是非常理想， 主要存在的問題是雖然采用了回?zé)嵯到y(tǒng)，但燃燒方式均是普通的擴散式燃燒，熱能轉(zhuǎn) 變?yōu)橛行л椛淠鼙壤^小，并且都是將燃燒器的外壁面作為熱輻射面，由于熱輻射面 只有一面加熱而另一面輻射散熱，要使熱輻射面達到熱光伏所要求的溫度，則燃燒室 內(nèi)部的溫度要遠遠高于外表面溫度，尾氣溫度也隨之升高，會造成較高的余熱損失； 同時由于較高的內(nèi)部溫度也會增加結(jié)構(gòu)保溫的困難，造成結(jié)構(gòu)散熱的增加。另外，燃 燒器內(nèi)部促使煙氣回流的裝置則需承受更高的溫度，對材料的耐溫要求較高。Ed Home 雖然采用雙層石英玻璃，并在石英玻璃中間抽真空進行隔熱的方式降低結(jié)構(gòu)散熱，但 濾光器安裝在外層石英玻璃上，由于濾光器與石英玻璃是粘結(jié)的，容易造成真空泄漏， 并且粘結(jié)處的膠對熱輻射具有較高的吸收率，易造成粘結(jié)處溫度過高，影響真空度以 及濾光器的效率，從而影響了轉(zhuǎn)換效率，而Edward Doyle等沒有采用真空隔熱措施， 此部分的熱損失較大
發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的在于提供一種可將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，進而通過 光伏電池轉(zhuǎn)換為電能，對燃料的適應(yīng)性好、功率密度及熱電轉(zhuǎn)換效率高、運行噪聲低 的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，包括外殼、 碳化硅管、風(fēng)帽、空氣擾流器、燃料管、肋片管、煙氣管、中底座、設(shè)置有空氣進口 的下底座、上底座、多孔介質(zhì)、電池片組、電池散熱肋片、石英玻璃管、濾光器和上 端蓋，該上底座、中底座和下底座固定在外殼上；所述的燃料管一端從中軸線上垂直
穿過上底座和中底座與下底座垂直連接，并與該下底座設(shè)置的外接燃料入口相通，燃
料管另一端連接風(fēng)帽和空氣擾流器；在燃料管的外圍設(shè)置肋片管，該肋片管內(nèi)外設(shè)置 直形肋片，肋片管一端與中底座相連，另一端穿過上底座支撐碳化硅管，在下底座下
方的送風(fēng)扇送出的空氣通過進口在燃料管和肋片管之間的通道間向上流動；所述的煙 氣管設(shè)置在肋片管的外圍，上下端分別連接在上底座和中底座上；所述的碳化硅管直 接作為熱輻射面，其下端設(shè)置在肋片管上端，所述的多孔介質(zhì)設(shè)置在碳化硅管內(nèi)部， 在多孔介質(zhì)和風(fēng)帽之間設(shè)置點火裝置；所述的石英玻璃管上端封閉，罩在碳化硅管上， 下端設(shè)置在上底座上；所述的電池片設(shè)置在石英玻璃管的外圍，該電池片上下端固定在上端蓋和上底座，濾光器固定在電池片朝向石英玻璃管的正面，電池片反面設(shè)置電 池散熱肋片，該電池散熱肋片設(shè)置在上端蓋和上底座之間，通過上端蓋和上底座中的 凹槽固定，該上端蓋設(shè)置在石英玻璃管上部，固定在外殼上；所述的上底座設(shè)置在上 端蓋和中底座之間，該中底座上開有煙氣出口的通道。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)將燃料燃燒所釋放的熱能能夠轉(zhuǎn)變?yōu)?輻射能，進而通過光伏電池轉(zhuǎn)換為電能。由于整個系統(tǒng)中沒有轉(zhuǎn)動部件，從而系統(tǒng)具 有低噪聲的特點；在多孔介質(zhì)燃燒器、濾光器和電池片的有效配合卞，系統(tǒng)的效率可 達25%以上。(2)通過采用多孔介質(zhì)燃燒器，有效改善火焰燃燒的穩(wěn)定性，保證火焰 的完全燃燒，并且顯著改善火焰對熱輻射面的加熱，提高熱輻射面從火焰獲得能量， 降低無效熱損失。(3)采用石英玻璃作為燃燒器外殼，而使燃燒內(nèi)管作為熱輻射面， 使得熱輻射面較易達到所需的熱源溫度，并且可有效降低內(nèi)部燃燒溫度，降低對材料 耐熱性能的要求。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一歩詳細描述。


附圖是本發(fā)明熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

結(jié)合附圖，本發(fā)明熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，包括外殼l、碳化硅管2、風(fēng)帽3、 空氣擾流器4、燃料管5、肋片管6、煙氣管7、中底座8、設(shè)置有空氣進口12的下底 座10、上底座14、多孔介質(zhì)16、電池片組17、電池散熱肋片18、石英玻璃管19、濾 光器20和上端蓋22，該上底座14、中底座8和下底座10固定在外殼1上。所述的燃 料管5 —端從中軸線上垂直穿過上底座14和中底座8與下底座10垂直連接，并與該 下底座10設(shè)置的外接燃料入口 9相通，可以在下底座10中設(shè)置一段水平通道連接外 接燃料入口 9，燃料管5與該水平通道垂直相通；燃料管5另一端連接風(fēng)帽3和空氣擾 流器4。在燃料管5的外圍設(shè)置肋片管6，該肋片管6內(nèi)外設(shè)置直形肋片，肋片管6 — 端與中底座8相連，另一端穿過上底座14支撐碳化硅管2，在下底座.10下方的送風(fēng)扇 11送出的空氣通過進口 12在燃料管5和肋片管6之間的通道間向上流動；所述的煙氣 管7設(shè)置在肋片管6的外圍，上下端分別連接在上底座14和中底座8上；煙氣管7外 包裹有保溫棉13。所述的碳化硅管2直接作為熱輻射面，其下端設(shè)置在肋片管6上端，所述的多孔介質(zhì)16設(shè)置在碳化硅管2內(nèi)部，在多孔介質(zhì)16和風(fēng)帽3之間設(shè)置點火裝 置15。多孔介質(zhì)16為耐高溫的泡沫陶瓷，如為碳化硅泡沫陶瓷、氧化鋁泡沫陶瓷或氧 化鋯泡沫陶瓷等。所述的石英玻璃管19上端封閉，罩在碳化硅管2上，下端設(shè)置在上 底座14上；所述的電池片17設(shè)置在石英玻璃管19的外圍，電池片17上下端固定在 上端蓋22和上底座14，濾光器20固定在電池片17朝向石英玻璃管19的正面，電池 片17反面設(shè)置電池散熱肋片18，該電池片17可以粘附在電池散熱肋片18上，該電池 散熱肋片18設(shè)置在上端蓋22和上底座14之間，通過上端蓋22和上底座14中的凹槽 固定。上端蓋22內(nèi)可以設(shè)置硅酸鋁石棉21。電池散熱肋片18可以為直肋或環(huán)肋形式， 純銅質(zhì)地。該上端蓋22設(shè)置在石英玻璃管19上部，固定在外殼l上；所述的上底座 14設(shè)置在上端蓋22和中底座8之間，該中底座8上開有煙氣出口的通道?？梢栽谏隙?蓋22上方設(shè)置電池冷風(fēng)扇23，該電池冷風(fēng)扇23產(chǎn)生的風(fēng)能夠順利通過上端蓋22邊緣 的開槽到達電池散熱肋片18。
實施例本發(fā)明的燃料通過下底座10的燃料進口9進入到燃料管5。下底座IO 主要提供燃料和空氣入口，并為燃料管5提供支撐，下底座10利用螺栓固定在外殼1 上。燃料管5利用其下端部的螺紋與下底座IO相連。燃料經(jīng)由燃料管5、風(fēng)帽3，進 入多孔介質(zhì)燃燒器，風(fēng)帽3的作用為分散燃料氣流以加強燃料和空氣的混合，從而保 證燃料燃燒完全，風(fēng)帽3通過螺紋與燃料管5相連。
燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)扇ll提供，通過下底座10的空氣進口 12進入風(fēng)室， 風(fēng)室為下底座IO、中底座8和外殼1所形成的空間，然后經(jīng)山燃料管5與肋片管6所 形成的通道，肋片管6是一個具有內(nèi)外直肋片的直管，空氣流經(jīng)肋片管6內(nèi)側(cè)與肋片 管外部的煙氣進行換熱而被預(yù)熱，空氣預(yù)熱有利于提高燃料的燃燒效率。肋片管6以 螺紋形式連接在中底座8上。中底座8提供肋片管6、煙氣管7的支撐，并且在中底座 8的中間段沿著半徑方向上開有圓形煙氣通道提供煙氣的出口，中底座8通過螺栓固定 在外殼1上。被煙氣預(yù)熱后的空氣經(jīng)過擾流器4進入多孔介質(zhì)燃燒器。空氣擾流器4 安裝在燃料管5和肋片管6形成的空氣通道的末端，空氣擾流器4用來增加空氣的擾 動從而加強空氣與燃料的混合以加強燃燒效果。
多孔介質(zhì)燃燒器由多孔介質(zhì)16 (本實施例采用碳化硅泡沫陶瓷)、碳化硅管2、石 英玻璃管19構(gòu)成，碳化硅管2固定在肋片管6上，碳化硅泡沫陶瓷嵌在碳化硅管2內(nèi)，石英玻璃19通過上端蓋22和上底座14固定，同時在上端蓋22中附有硅酸鋁石棉21， 防治熱量從頂端散失。在燃燒器的入口處，采用電火花點火裝置15進行點火。多孔介 質(zhì)燃燒器的燃燒過程為火焰通過對流換熱和輻射換熱加熱多孔介質(zhì)16，由于多孔介 質(zhì)16存在固體骨架，具有較高的發(fā)射率以及導(dǎo)熱性能，高溫的多孔介質(zhì)16通過導(dǎo)熱 和熱輻射對來流的空氣和燃氣進行預(yù)熱，并且多孔介質(zhì)16的固體骨架對空氣和燃氣的 流動具有擾動作用，可促進空氣和燃氣的均勻混合，有利于燃料的完全和穩(wěn)定燃燒。 另外，多孔介質(zhì)16通過導(dǎo)熱和熱輻射對碳化硅管2徑進行加熱，與單純的火焰氣體加 熱相比，碳化硅管2更易被加熱，也就是說加強了碳化硅管2與火焰之間的換熱，減 少了煙氣帶走的熱量，降低了無效熱損失。高溫?zé)煔鈴氖⒉ＡЧ?9和碳化硅管2之間的通道進入煙氣管7。碳化硅管2內(nèi) 表面被內(nèi)部的高溫火焰以及泡沫陶瓷發(fā)出的熱輻射加熱，其外表面被高溫?zé)煔饧訜幔?其溫度可以較易達到熱光伏電池所對應(yīng)的溫度。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跓煔夤?與肋 片管6構(gòu)成的通道中向下流動，煙氣和來流的空氣進行換熱從而預(yù)熱空氣，最后煙氣 從中底座8排入大氣，煙氣管通過中底座8和上底座14固定。在煙氣管7的外部賦有 保溫石棉13，以降低煙氣向外部的散熱。被加熱到高溫的碳化硅管2發(fā)出的熱輻射照射到石英玻璃管19，由于石英玻璃是 透明的，熱輻射透過石英玻璃到達濾光器20，石英玻璃管19的主要作用是作為燃燒器 的外殼，隔絕燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱V光器20和電池片17的污染，并透過熱輻射。 濾光器20是一種光譜選擇性透過器件，本實施例是采用多層介質(zhì)干涉式濾光器，通過 石英玻璃到達濾光器20的熱輻射中與電池片17所對應(yīng)波長范圍內(nèi)的熱輻射透過濾光 器20到達電池片17的表面，而其它波長范圍的熱輻射被反射回出，被碳化硅管2表 面吸收而被重復(fù)利用，提高能量的利用率。 .電池片17為光伏電池，本實施例中的光伏電池采用銻化鎵光伏電池，電池接受通 過濾光器20的輻射能而產(chǎn)生電能。電池片17可以通過導(dǎo)熱絕緣膠粘結(jié)在電池散熱片 18上，電池散熱片18的作用是降低電池片的運行溫度。電池片正面為濾光片20，散 熱片采用銅質(zhì)直肋片，散熱的風(fēng)量由冷風(fēng)扇23供給，濾光器20和散熱片18通過上端 蓋22凹槽與下連接件的凹槽固定，下連接件利用螺紋連接在上底座14上。8
權(quán)利要求
1、一種熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于包括外殼[1]、碳化硅管[2]、風(fēng)帽[3]、空氣擾流器[4]、燃料管[5]、肋片管[6]、煙氣管[7]、中底座[8]、設(shè)置有空氣進口[12]的下底座[10]、上底座[14]、多孔介質(zhì)[16]、電池片組[17]、電池散熱肋片[18]、石英玻璃管[19]、濾光器[20]和上端蓋[22]，該上底座[14]、中底座[8]和下底座[10]固定在外殼[1]上；所述的燃料管[5]一端從中軸線上垂直穿過上底座[14]和中底座[8]與下底座[10]垂直連接，并與該下底座[10]設(shè)置的外接燃料入口[9]相通，燃料管[5]另一端連接風(fēng)帽[3]和空氣擾流器[4]；在燃料管[5]的外圍設(shè)置肋片管[6]，該肋片管[6]內(nèi)外設(shè)置直形肋片，肋片管[6]一端與中底座[8]相連，另一端穿過上底座[14]支撐碳化硅管[2]，在下底座[10]下方的送風(fēng)扇[11]送出的空氣通過進口[12]在燃料管[5]和肋片管[6]之間的通道間向上流動；所述的煙氣管[7]設(shè)置在肋片管[6]的外圍，上下端分別連接在上底座[14]和中底座[8]上；所述的碳化硅管[2]直接作為熱輻射面，其下端設(shè)置在肋片管[6]上端，所述的多孔介質(zhì)[16]設(shè)置在碳化硅管[2]內(nèi)部，在多孔介質(zhì)[16]和風(fēng)帽[3]之間設(shè)置點火裝置[15]；所述的石英玻璃管[19]上端封閉，罩在碳化硅管[2]上，下端設(shè)置在上底座[14]上；所述的電池片[17]設(shè)置在石英玻璃管[19]的外圍，電池片[17]上下端固定在上端蓋[22]和上底座[14]，濾光器[20]固定在電池片[17]朝向石英玻璃管[19]的正面，電池片[17]反面設(shè)置電池散熱肋片[18]，該電池散熱肋片[18]設(shè)置在上端蓋[22]和上底座[14]之間，通過上端蓋[22]和上底座[14]中的凹槽固定，該上端蓋[22]設(shè)置在石英玻璃管[19]上部，固定在外殼[1]上；所述的上底座[14]設(shè)置在上端蓋[22]和中底座[8]之間，該中底座[8]上開有煙氣出口的通道。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于多孔介質(zhì)[16] 為耐高溫的泡沫陶瓷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于泡沫陶瓷為碳 化硅泡沫陶瓷、氧化鋁泡沫陶瓷或氧化鋯泡沫陶瓷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于煙氣管[7]外包 裹有保溫棉[13]，上端蓋[22]內(nèi)設(shè)置硅酸鋁石棉[21]。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于電池片[n]粘附在電池散熱肋片[18]上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于電池散熱 肋片[18]為直肋或環(huán)肋形式。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于在上端蓋[22]上方設(shè)置電池冷風(fēng)扇[23]，該電池冷風(fēng)扇[23]產(chǎn)生的風(fēng)能夠順利通過上端蓋[22]邊緣的 開槽到達電池散熱肋片[18]。 .
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于在下底座[IO] 中設(shè)置一段水平通道連接外接燃料入口[9]，燃料管[5]與該水平通道垂直相通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱光伏直接轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置。該裝置的上中下底座固定在外殼上；所述的燃料管一端從中軸線上垂直穿過上底座和中底座與下底座垂直連接，并與該下底座設(shè)置的外接燃料入口相通，燃料管另一端連接風(fēng)帽和空氣擾流器；在燃料管的外圍設(shè)置肋片管；煙氣管設(shè)置在肋片管的外圍，碳化硅管直接作為熱輻射面，其下端設(shè)置在肋片管上端，石英玻璃管上端封閉，罩在碳化硅管上，下端設(shè)置在上底座上，電池片設(shè)置在石英玻璃管的外圍，電池片反面設(shè)置電池散熱肋片，該電池散熱肋片設(shè)置在上端蓋和上底座之間。本發(fā)明將燃料燃燒所釋放的熱能能夠轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，進而通過光伏電池轉(zhuǎn)換為電能；有效改善火焰燃燒的穩(wěn)定性，保證火焰的完全燃燒。
文檔編號H02N6/00GK101630926SQ20081012440
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月14日
發(fā)明者宣益民, 洪 譚, 韓玉閣 申請人:南京理工大學(xué)