申请/专利权人：浙江大学

申请日：2018-04-10

公开（公告）日：2024-06-04

公开（公告）号：CN108365795B

主分类号：H02S10/30

分类号：H02S10/30;H02S40/44

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.04#授权;2018.08.28#实质审查的生效;2018.08.03#公开

摘要：本发明公开了一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统及其热能回收方法。包括进气口、燃烧腔，所述燃烧腔内设置有辐射器及光伏电池组件；光伏电池组件固定在燃烧腔内壁面上，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器,所述辐射器设置在光伏电池组件远离燃烧腔壁面的一侧，且所述的辐射器和光伏电池组件之间由滤波装置或真空层隔开。由于本系统利用多种不同禁带电池分级利用燃烧器中不同波段的辐射能，能源利用高，提高了传统热光伏系统的系统效率。

主权项：1.一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统的热能回收方法，其特征在于，所述热光伏系统包括进气口、燃烧腔，所述燃烧腔内设置有辐射器及光伏电池组件；光伏电池组件固定在燃烧腔内壁面上，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器,所述辐射器设置在光伏电池组件远离燃烧腔壁面的一侧，且所述的辐射器和光伏电池组件之间由滤波装置或真空层隔开；所述的燃烧腔内壁面部分或全部布置光伏电池组件；所述的燃烧腔腔壁面上设置有散热装置；所述辐射器为稀土氧化物辐射器、光子晶体辐射器或超材料辐射器；所述的进气口处设置有多孔介质帽；多孔介质帽呈倒置的V型结构，V型开口正对燃料进气方向；所述的多孔介质帽的孔隙大小为1-100mm；所述的燃烧腔中填充多孔介质，所述多孔介质由碳化硅、氧化铝中的一种或两种组成；所述热能回收方法包括如下步骤：预混后的燃料通过进气口进入燃烧腔燃烧，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器；燃烧腔温度随燃料及燃烧产物流动的方向逐渐降低；位于燃烧腔不同温区的辐射器分别吸收热能，并向各自对应的光伏电池组件释放热辐射，光伏电池组件吸收热辐射并将其转换为电能，各个光伏电池组件将多余的热能传递到散热器上，由散热器将这部分热量分散到环境中。

全文数据：一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统及其热能回收方法技术领域[0001]本发明涉及热光伏供电领域，尤其涉及一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统及其热能回收方法。背景技术[0002]偏远地区、野外的供电方案一般有太阳能供电、柴油发动机供电和蓄电池发电几种。其中太阳能供电装置体积大、单位面积的能量转换效率低，而且具有阴雨天气或夜晚无法正常供电的缺陷;柴油发电机组则存在能耗大、安全性低、布线复杂、体积庞大不易携带和对野外复杂环境适应性不加等缺陷;而蓄电池发电则存在续航短、野外环境充电困难及重量较大的缺陷。[0003]因此，有必要提供一种便携式、能量密度高、环境适应性强且续航持久的野外供电系统发明内容[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统及其热能回收方法。[0005]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：[0006]一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，包括进气口、燃烧腔，所述燃烧腔内设置有辐射器及光伏电池组件;光伏电池组件固定在燃烧腔内壁面上，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器，所述辐射器设置在光伏电池组件远离燃烧腔壁面的一侧，且所述的辐射器和光伏电池组件之间由滤波装置或真空层隔开。所述分段级联的辐射器在不同分区吸收来自燃烧器的热能，并向所述相应匹配的光伏电池组件释放热辐射，所述光伏组件吸收所述热辐射并将其转换为电能。[0007]作为本发明的进一步改进，所述的燃烧腔内壁面可以部分或全部布置光伏电池组件。[0008]作为本发明的进一步改进，所述的燃烧腔腔壁面上设置有散热装置。散热装置可以设置在燃烧腔腔壁表面上，也可以通过在生产燃烧腔腔壁时，即在器壁内部设置冷却管道。[0009]作为本发明的进一步改进，所述的光伏电池组件共两段;沿燃料及燃烧产物流动的方向依次为硅光伏电池组件、锑化镓电池组件。[0010]作为本发明的进一步改进，所述的光伏电池组件共三段;沿燃料及燃烧产物流动的方向依次为硅光伏电池组件、锑化镓电池组件、锑砷化铟钾电池组件。[0011]作为本发明的进一步改进，所述辐射器为稀土氧化物辐射器、光子晶体辐射器或超材料辐射器。辐射器的作用是减少低于或过度高于光伏电池组件禁带的光子被电池组件吸收[0012]作为本发明的进一步改进，所述的进气口处设置有多孔介质帽；所述的多孔介质帽为由不锈钢及铜粉末构成;多孔介质帽呈倒置的V型结构，V型开口正对燃料进气方向；所述的多孔介质帽的孔隙大小为l-l〇〇mm。多孔介质帽的目的是增大反应面积、实现回热，并有利于液膜蒸发[0013]作为本发明的进一步改进，所述的燃烧腔中填充多孔介质，所述多孔介质为SiC、氧化铝或两者的混合物。填充多孔介质的目的是使燃烧腔的温度分布均匀并达到辐射要求。[0014]所述热光伏系统的热能回收方法包括如下步骤：[0015]预混后的燃料通过进气口进入燃烧腔燃烧，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器；燃烧腔温度随燃料及燃烧产物流动的方向逐渐降低；[0016]位于燃烧腔不同温区的辐射器分别吸收热能，并向各自对应的光伏电池组件释放热辐射，光伏电池组件吸收热辐射并将其转换为电能，各个光伏电池组件将多余的热能传递到散热器上，由散热器将这部分热量分散到环境中。[0017]作为本发明的进一步改进，所述的燃料中添加有五羰基铁或四羰基镍，所述五羰基铁或四羰基镍的添加其目的是增加火焰的可见光辐射，添加量可适需求而定，如可以为燃料体积比的0.2%-0.6%。[0018]作为本发明的进一步改进，还包括尾气处理装置，尾气处理装置可拆卸设置于所述燃烧器的末端出口处。[0019]作为本发明的进一步改进，所述真空层彡100nm。真空层的作用是利用近域辐射效应，提高单位面积的辐射能[0020]本发明具有以下有益效果：[0021]由于本系统利用多种不同禁带电池分级利用燃烧器中不同波段的辐射能，能源利用高，提高了传统热光伏系统的系统效率。[0022]由于本发明利用了近场辐射，系统设计尺寸小、结构紧凑，单位能量密度高，可以做到小型化或微型化；由于近场效应存在，辐射强度急剧增大，可以在较低的温度下获得所需的辐射强度。附图说明[0023]图1为本发明一具体实施方式中热光伏发电装置的结构示意图；[0024]附图中涉及的附图标记和组成部分说明：1.第一进口；2.第二进口；3.预混器;4.燃烧腔;5•第一辐射器;6•第一光伏电池组件;7.第二辐射器;8.第二光伏电池组件;9.第三辐射器；10.第三光伏电池组件；11.第一壁面；12•第一散热器；13.第四辐射器;14.第四光伏电池组件；15.第五辐射器；16.第五光伏电池组件；17•第六辐射器；18•第六光伏电池组件；19•第二壁面;20.散热器;21.真空层;22尾气处理装置[0025]图2为本发明另一具体实施方式中热光伏发电装置的结构示意图；[0026]附图中涉及的附图标记和组成部分说明：1•第一进口；2•第二进口；3•底座;4.多孔介质帽；5•燃烧腔;6•第一辐射器;7•第一光伏电池组件;8•第一滤波器;9•第二辐射器；10•第二光伏电池组件；11•第二滤波器;I2•第三辐射器；丨3.第三光伏电池组件；14.第三滤波器15.第四辐射器；16.第四光伏电池组件；17.第四光伏电池组件；18.散热器19•真空层；20.壁面;21尾气处理装置具体实施方式[0027]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围[0028]实施例1[0029]本实施例的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统包括进气口，进气口前设有预混器，预混器有两个气体进口（第一进口1，第二进口2;本发明的热光伏发电装置可以为平板状如所述的燃烧腔内壁面中相对的两个面布置光伏电池组件。）或类圆环状如所述的燃烧腔内壁面全部布置光伏电池组件，由光伏电池组件构成近似圆环形状，如正八面体形状。），[0030]如图1所示，本实施例的光伏电池组件共三段;沿燃料及燃烧产物流动的方向依次为硅光伏电池组件第一光伏电池组件6，第四光伏电池组件14、锑化镓电池组件第二光伏电池组件8,第五光伏电池组件16、锑砷化铟钾电池组件第一光伏电池组件1〇,第六光伏电池组件18。当为平板状时，在燃烧腔4两个外侧沿高度方向分别设置平板型的第一辐射器5、第二辐射器7、第三辐射器9及第四辐射器13、第五辐射器15、第六辐射器17,在相应辐射器的外侧分别设置平板型的第一光伏电池组件6、第二光伏电池组件8、第五光伏电池组件16、第六光伏电池组件1S第一光伏电池组件与第四光伏组件由同种电池组成、第二光伏电池组件与第五光伏组件由同种电池组成、第三光伏电池组件与第六光伏组件由同种电池组成），两侧的光伏电池组件分别粘贴在支撑板第一壁面11、第二壁面19上；[0031]为近似圆环时，则辐射器与热光伏组件依次设于燃烧器外周。各个部件均为可替换的模块化设计，需要时可以独立更换各个部件，便于故障的维修。在以下实施方式中，均以平板状来进行说明。[0032]燃料通过进气口依次进入预混器2及燃烧器中分别进行预混及燃烧，燃烧器根据温度由高到低分为高温段、中温段、低温段，在高温段第一辐射器5与第四辐射器13吸收高温段的热能，并向光伏电池组件6、14释放热辐射，光伏电池组件6、14吸收热辐射并将其转换为电能;在中温段第二福射器7与第五福射器I5吸收高温段的热能，并向光伏电池组件8、16释放热辐射，光伏电池组件8、16吸收热辐射并将其转换为电能;在低温段第三辐射器9与第六辐射器17吸收高温段的热能，并向光伏电池组件10、18释放热辐射，光伏电池组件1〇、18吸收热辐射并将其转换为电能。这样的分级布置不同禁带的光伏电池组件的设计可以分级回收燃烧热能，进一步提高热光伏系统的效率[0033]实施例2[0034]如图2所示，与实施例1相比，本实施例的进气口处设置有多孔介质帽4,多孔介质膜用于增大反应面积并具有回热功能，使得燃料液膜更快蒸发。本实施例的光伏电池组件共两段;沿燃料及燃烧产物流动的方向，依次为硅光伏电池组件、锑化镓电池组件。[0035]本实施例的滤波装置，如第一滤波装置与第三滤波装置两者一般情况下为同类型滤波器）、第二滤波装置及第四滤波装置两者一般情况下为同类型滤波器），用于对辐射器所福射的辐射能进行进一步的选择性吸收、辐射，使被光伏组件的吸收的辐射光谱与各个光伏组件的外部量子效率曲线更加匹配。在本实施例中，当第一、第三光伏组件为硅电池组件，第二、第四光伏组件为锑化镓电池组件时，第一滤波装置与第三滤波装置的材料为石英玻璃，第二滤波装置与第四滤波装置的材料为SiSi〇2光子晶体。[0036]在本发明的一个具体实施方式中，热光伏发电装置还包括散热器20,布置在光伏电池组件的外侧。散热器20可以为风冷式散热器，也可以为水冷式散热器。各个光伏电池组件将多余的热能传递到散热器上，由散热器将这部分热量分散到环境中，可避免局部温度过高，提高安全性。[0037]热光伏发电装置还包括尾气处理装置22。尾气处理装置22对燃烧生成的废气进行净化，有效过滤尾气中有害环境的成分，使其无害化后再排放至环境中，对于环境有极佳友好度。[0038]在两侧辐射器与光伏电池组件之间，还分别设有真空层21，其厚度被限定在l〇〇nm以内，这样的设计优点在于：当光伏电池组件和辐射器之间的距离在微纳米尺度的时候，由于近场效应的存在，其辐射强度将急剧提高，从而可以在较低的辐射温度下获得所需要的辐射强度。[0039]本发明中的热光伏发电装置在工作是，进气口引入燃料，优选地，选用两个进气口，第一进气口1引进助燃气体，第二进气口2引入可燃气体，助燃气体可选用空气或氧气，可燃气体可选用甲烷或氢气。预混器3内有若干个通道，在通道内助燃气体和可燃气体将以预设的比例充分混合，形成可以供燃烧的混合气体，燃烧器4为能量装置，该混合气体在燃烧器中稳定、充分燃烧，燃烧生成的炽热气体作为加热辐射器的热源。在高温段，燃烧温度达到最高，此时燃烧器释放的辐射能被第一辐射器5及第四辐射器15选择性吸收，温度升高并向第一光伏电池组件8及第四光伏组件16释放特定波长的热辐射;第一光伏电池组件8及第四光伏组件I6为光伏电池阵列，是电能的生成装置，负责吸收来自及第四光伏组件16可利用的热辐射，通过光生伏特效应产生电能输出；高温燃烧产物经过高温段的辐射放热，温度降低、进入中温段，此时产物的辐射光谱随着温度降低而产生红移，长波段的辐射能占比增加，因此对比第一光伏电池组件8及第四光伏组件16,第二光伏电池组件10及第五光伏组件19为禁带更低的光伏组件。在中温段燃烧器继续向第二辐射器9及第五辐射器18释放辐射能，第二辐射器9及第五辐射器18选择性吸收辐射能、温度升高并向第而光伏电池组件9及第五光伏组件19释放能量，从而使光伏组件生成电能;燃烧产物温度继续降低后进入低温段，$释放的波长最长频率最低的辐射能被第三辐射器11及第六辐射器20选择性吸收，温度升高后向第三光伏电池组件11及第六光伏组件20释放特定波长的热辐射并产生电能。[0040]燃烧腔高温段可以使第一辐射器5的主体温度达到2600-2700K，中温段可以使第二辐射器9的主体温度达到1683-2000K，低温段可以使第三辐射器11的主体温度达到933k-1400K[OO41]部分处于不可利用波段的热辐射被各个光伏电池组件自身吸收转化为热能，光伏电池组件温度上升；各个光伏电池组件将产生的热能传导至位于其外侧的散热器23,散热器将光伏电池组件不能转换的能量散发到环境当中，使各个光伏组件的温度得以保持在较低水平。之后燃烧生成的废气通过尾气处理装置25净化后排出。[0042]本发明所设计的微型热光伏级联发电装置是在耐高温段的基体材料、人造超材料等基础上加工得到，该装置不受周围环境影响，适用于野外。[0043]燃烧器4的制作材料选用耐高温的非金属材料或金属材料，非金属材料包括氧化铝Ah〇3、二氧化锆Zr〇2、氮化硼⑽等，金属材料包括钨⑼或钼Mo等，可通过无缝焊接而成。[0044]各级辐射器可由稀土金属氧化物成，外层可涂上过渡金属离子如镍等，提高选择性辐射;也可由专门设计的光子晶体组成[0045]或者各级辐射器可以专门设计的超材料结构组成，由十字架超材料构成，其中十字架材料为耐高温金属，如铂、金[0046]光伏电池组件中，第一光伏电池组件8及第四光伏组件16选用硅电池片阵列，第二光伏电池组件9与第五光伏组件17采用锑化镓电池片阵列，第三光伏电池组件10与第六光伏组件18由锑砷化铟钾或禁带宽度小于〇.53ev的电池，整个系统分级利用热能，具有较高的效率。[0047]本发明中的热光伏发电装置所采用的燃料为一氧化碳与甲烷的液化混合燃料，燃料中混有一定体积的五羰基铁或四羰基镍。[0048]本发明中的热光伏发电装置，基于分级利用理念，包括进气口、预混器及燃烧器，燃烧器外围依次设置辐射器及光伏电池组件，燃料通过进气口进入预混器及燃烧器中分别进行预混合及燃烧，辐射器吸收来自燃烧器的热能，并向光伏电池组件释放热辐射，光伏电池组件吸收热辐射并将其转换为电能，由此热光伏发电装置结合了热光伏技术、级联技术、近场辐射技术和超材料辐射技术，具有简单稳定的机械结构，能较好地适应野外复杂多变的工作环境，在保证稳定供电的同时，做到了设备的微型化和模块化，具有结构简单、便于携带、单位体积产电功率高、安全性高、续航能力高等优点，兼顾了能量转化效率和设备自身的便携性。

权利要求：1.一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于包括进气口、燃烧腔，所述燃烧腔内设置有辐射器及光伏电池组件;光伏电池组件固定在燃烧腔内壁面上，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器,所述辐射器设置在光伏电池组件远离燃烧腔壁面的一侧，且所述的辐射器和光伏电池组件之间由滤波装置或真空层隔开。2.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的燃烧腔内壁面部分或全部布置光伏电池组件。3.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的燃烧腔腔壁面上设置有散热装置。4.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的光伏电池组件共两段;沿燃料及燃烧产物流动的方向依次为硅光伏电池组件、锑化镓电池组件。5.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的光伏电池组件共三段;沿燃料及燃烧产物流动的方向依次为硅光伏电池组件、锑化镓电池组件、锑砷化铟钾电池组件。6.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述辐射器为稀土氧化物辐射器、光子晶体辐射器或超材料辐射器。7.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的进气口处设置有多孔介质帽；多孔介质帽呈倒置的V型结构，V型开口正对燃料进气方向；所述的多孔介质帽的孔隙大小为l-l〇〇mm。8.根据权利要求1所述的不同禁带光伏电池级联的热光伏系统，其特征在于所述的燃烧腔中填充多孔介质，所述多孔介质由碳化硅、氧化铝中的一种或两种组成。9.一种如权利要求1所述热光伏系统的热能回收方法，其特征在于包括如下步骤：预混后的燃料通过进气口进入燃烧腔燃烧，在燃烧腔沿燃料及燃烧产物流动的方向上分段布置禁带宽度依次递减的光伏电池组组件及与相应光伏电池组件匹配的辐射器;燃烧腔温度随燃料及燃烧产物流动的方向逐渐降低；位于燃烧腔不同温区的辐射器分别吸收热能，并向各自对应的光伏电池组件释放热辐射，光伏电池组件吸收热辐射并将其转换为电能，各个光伏电池组件将多余的热能传递到散热器上，由散热器将这部分热量分散到环境中。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的燃料中添加有五羰基铁或四羰基镍。

百度查询： 浙江大学 一种不同禁带光伏电池级联的热光伏系统及其热能回收方法

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