專利名稱：一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型能源利用領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱紅外光電技術(shù)綜合利用太陽能和燃料 化學能的新能源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱紅外光發(fā)電技術(shù)與太陽能光電池發(fā)電技術(shù)相似，所不同的是它進行光電轉(zhuǎn)化所對應的 波長是大于O. 76pm的近紅外輻射。太陽能熱光電(STPV)系統(tǒng)是熱紅外光電技術(shù)應用的典范
(見文獻V D Rumyantsev et al. Structural features of a solar TPV systems[C]. 6th CTGE， Freiburg, 2004)。根據(jù)文獻中的介紹，STPV系統(tǒng)中經(jīng)高度聚集的太陽能加熱輻射器后激發(fā)出 大量光子，其中有效輻射能通過熱紅外光電池直接轉(zhuǎn)換成電能，過濾后的無效輻射能則被返 回再利用，整個系統(tǒng)工作效率達30%以上，這比一般的太陽能光電池發(fā)電系統(tǒng)21%的效率要高。
STPV系統(tǒng)作為一種能源裝置，其最大的缺陷便是因為能量來源完全依賴太陽光，所以 受晝夜，季節(jié)或天氣的影響而不能穩(wěn)定、持續(xù)輸出電能；其次，STPV系統(tǒng)為使輻射器達到必 要工作溫度，對聚光裝置的要求相當高，必須引入的自動日光追蹤轉(zhuǎn)向設(shè)備和拋物線型凹面 復合式集中器(CPC)等，這些都大大增加了裝置復雜性、成本以及故障率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能同時利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，它可以同時利 用太陽能和燃料化學能以近紅外輻射形式經(jīng)熱紅外光電轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生電能，克服了原有的太陽 能熱光電(STPV)系統(tǒng)存在的由于完全依賴太陽光，受晝夜，季節(jié)或天氣的影響而不能穩(wěn)定、 持續(xù)輸出電能的不足。
本發(fā)明一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換原理如說明書附圖1所 示經(jīng)聚集的太陽能或燃料燃燒熱能以近紅外輻射形式經(jīng)熱紅外光電轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生電能；其中 的無效輻射則被過濾和反射回收且用于能量再利用。
本發(fā)明的一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器的各部分組成和連接關(guān)系如說明書 附圖2所示發(fā)生器的頂部為菲涅耳透鏡7，在菲涅耳透鏡7正下方放置一個透明的帶真空腔 (或低壓腔)的石英長方體容器13;其中石英長方體容器13的上下兩面涂上Si02/Si過濾層 10，而其余四個側(cè)面安置了反射鏡3。分別在距石英長方體容器13的上下兩面各5mm處平行 放置背面帶反射鏡的熱紅外光電池9，熱紅外光電池9的外側(cè)安置了冷卻裝置2。在石英長 方體容器13上面的熱紅外光電池9和冷卻裝置2中央嵌入一個次透鏡8。在石英長方體容器13中央安置一個平行板式輻射器(燃燒室)6，平行板式輻射器(燃燒室)6的固定以及預混 合燃氣的導入和燃燒尾氣的導出由隔熱導管4完成。位于石英長方體容器13內(nèi)部的那部分 導管4的外壁面上也涂有反射涂層，而且隔熱導管4與石英長方體容器13的側(cè)面、反射鏡3 的垂直結(jié)合處用隔熱膠進行密封。電控氣閥的工作端與電子點火電極12安置于燃氣導入端口 11，電控氣閥的終端帶有環(huán)境太陽光光強傳感器。
各部件詳細組成和材質(zhì)為由菲涅耳透鏡7和普通的次透鏡8組成了二階日光、集中器，
這種組合的主要特色是價格便宜，簡單實用。平行板式輻射器6用SiC加工而成，同時這也 是燃料的燃燒室。SiC是一種耐高溫性能良好且廉價的寬帶寬黑體輻射材料，其主要參數(shù)見下 表。
輻射器材料特征參數(shù)
材料名稱碳化硅
導熱系數(shù)92 W/m.k
密度3.10 g/cm3
吸收比(紅外輻射率)0.77 (法線方向)
也可選用金屬鎢等作為輻射器材料，這類選擇性輻射材料還能進一步提升裝置效率，但成本 有所提高。平行板式的輻射器相對圓柱式的來說，加工和配合光電池的定位安裝更簡便，裝 置體積相應縮小進而提高體積能量密度，還易于實現(xiàn)模塊化。為了避免昂貴的半導體層的外
延生長技術(shù)，熱紅外光電池9采用在銻化鎵的n基層進行Zn擴散的方法制造，目前該技術(shù)已經(jīng) 商業(yè)化了。 Si02/Si過濾層10的制作方法是用常規(guī)的電子束蒸發(fā)器把Si02和Si交替鍍在石英面 上，如此九層的絕緣過濾層能良好地選擇性透過有效紅外輻射平行板式輻射器6在 1000-2000K的溫度條件下工作時，輻射波譜中包含了很大一部分能量低而不足以使熱紅外光 電池9產(chǎn)生自由電子的光子(hv〈Eg),這部分能量會被熱紅外光電池9吸收并成為有害熱載， 進而使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率急劇下降；Si(VSi過濾層10會將這些分布在1.8-3.5^m波段上的低能輻 射反射回并且重新用于加熱平行板式輻射器6，而完全透過可激發(fā)電子的高能輻射。對長方 體容器13內(nèi)除去平行板式輻射器6和隔熱導管4的其余空間進行抽真空處理，盡可能地避免 能量以導熱或熱對流的傳導方式散失掉，特別地像金屬鎢輻射器，在高溫時與空氣中的氮氣 會發(fā)生化合反應，故而長方體容器13方腔內(nèi)保證一定的真空度是有必要的。冷卻裝置2以液 冷或強迫風冷方式處理熱紅外光電池9的冷卻問題。系統(tǒng)產(chǎn)生的燃燒尾氣5溫度一般高達 IOOOK，有很高的余熱利用價值，其和冷卻裝置2都可以接入余熱再利用系統(tǒng)以提高能源綜合 利用率，比如并入家用熱電聯(lián)合系統(tǒng)(Domestic-CHP)。燃料應該優(yōu)先選擇氫氣，生成的尾氣 為無污染的高溫水蒸氣。人畜肥堆漚、材料加工工廠廢料等產(chǎn)生的生物質(zhì)沼氣經(jīng)過簡單脫硫裝置過濾后也可作為裝置的燃料，燃燒產(chǎn)物為水蒸氣和二氧化碳混合氣，與直接排放沼氣或 燃燒傳統(tǒng)化石燃料相比，很大程度地預防或減小了環(huán)境污染?；鼗鸱乐蛊骱腿剂?空氣預混合 器也是必須的，這兩項在燃燒系統(tǒng)中比較常見，故而未在專利附圖中注明。若改用鎢質(zhì)輻射 器時，助燃劑必須使用氧氣而不是空氣。
與現(xiàn)有STPV技術(shù)相比，本發(fā)明的能量來源為太陽光和燃料，因為不完全依賴太陽光， 所以不受晝夜，季節(jié)或天氣的影響，能全天候穩(wěn)定、持續(xù)輸出電能；其次，整個系統(tǒng)無運動 部件，聚光裝置也得到了簡化，因此無噪音、操作簡便、故障率極低；再次，熱紅外光電池 的安置設(shè)計有所改進，增加了輻射吸收面積。此外，與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，本發(fā)明還有微排 放(若以氫氣為燃料，則完全無污染)、可充分運用生物質(zhì)沼氣能等新型燃料的優(yōu)點，特別適 用于家庭用戶或偏遠地區(qū)，而且裝置輕便，有一定的便攜性優(yōu)勢。


圖l為能源轉(zhuǎn)換原理圖，
圖2為裝置結(jié)構(gòu)圖。在圖2中，l-太陽光；2-冷卻裝置；3-反射鏡；4-隔熱導管；5-燃燒尾氣 導出端口； 6-平行板式輻射器(燃燒室)；7-菲涅耳透鏡；8-次透鏡；9-背面帶反射鏡的熱紅外 光電池；10-過濾層；ll-預混合燃氣導入端口； 12-電控氣閥與電子點火電極；13-帶真空敏或 低壓腔)的石英長方體容器
具體實施例方式
如說明書附圖2所示，經(jīng)菲涅耳透鏡7和次透鏡8聚集的太陽能l或燃料燃燒的熱能加熱 輻射器(燃燒室)6后激發(fā)輻射能，有效輻射能通過熱紅外光電池9直接轉(zhuǎn)換成電能，由過濾 層IO過濾后的無效輻射能則被返回輻射器6再利用。
對應于不同的輸出電壓/電流需求，通過調(diào)節(jié)日光集中比、燃料流量、光電池的串聯(lián)等方 式來確定不同規(guī)模大小的太陽能/燃料-熱紅外光電系統(tǒng)。預混合燃氣導入端口ll流量的自動
調(diào)節(jié)以及點火通過帶環(huán)境光強自動感應的電控氣閥與電子點火電極12來實現(xiàn)；當然也可切換
為手動調(diào)節(jié)模式，以選擇性升降輸出功率， 一般地，白天單獨利用太陽能集熱發(fā)電，晚上則 啟動燃料供給，由燃料燃燒集熱發(fā)電，陰雨等日照不充分的天氣或需要高功率電能輸出時， 太陽能/燃料聯(lián)合供能。
權(quán)利要求
1、一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，由冷卻裝置2、反射鏡3、隔熱導管4、平行板式輻射器6、菲涅耳透鏡7、次透鏡8、背面帶反射鏡的熱紅外光電池9、SiO2/Si過濾層10、電控氣閥與電子點火電極12和石英長方體容器13組成，其特征在于電力發(fā)生器的頂部為菲涅耳透鏡7，在菲涅耳透鏡7正下方放置一個石英長方體容器13；其中石英長方體容器13的上下兩面為SiO2/Si過濾層10，而其余四個側(cè)面安置了反射鏡3；分別在距石英長方體容器13的上下兩面各5mm處平行放置背面帶反射鏡的熱紅外光電池9，熱紅外光電池9的外側(cè)安置了冷卻裝置2；在石英長方體容器13上面的熱紅外光電池9和冷卻裝置2中央嵌入一個次透鏡8；石英長方體容器13中央安置一個平行板式輻射器6，平行板式輻射器6的固定以及預混合燃氣的導入和燃燒尾氣的導出由隔熱導管4完成；電控氣閥與電子點火電極12安置于預混合燃氣的導入端口11。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征在于位于長 方體容器13內(nèi)部的部分隔熱導管4的外壁面上也涂有反射涂層，而且隔熱導管4與長方體 容器13的側(cè)面、反射鏡3的垂直結(jié)合處用隔熱膠進行密封。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征在于長方體 容器13內(nèi)除去平行板式輻射器6和隔熱導管4的其余空間進行抽真空處理。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征在于平行板式輻射器6用SiC材料加工而成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征在于冷卻裝 置2以液冷或強迫風冷方式進行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明一種利用太陽能和燃料化學能的電力發(fā)生器，電力發(fā)生器的頂部為菲涅耳透鏡7，在菲涅耳透鏡7正下方放置石英長方體容器13；其中石英長方體容器13的上下兩面為SiO₂/Si過濾層10，其余四個側(cè)面安置了反射鏡3；分別在距石英長方體容器13的上下兩面各5mm處平行放置熱紅外光電池9，熱紅外光電池9的外側(cè)安置了冷卻裝置2；在石英長方體容器13上面的熱紅外光電池9和冷卻裝置2中央嵌入一個次透鏡8；石英長方體容器13中央安置一個平行板式輻射器6，平行板式輻射器6的固定以及預混合燃氣的導入和燃燒尾氣的導出由隔熱導管4完成；電控氣閥與電子點火電極12安置于預混合燃氣的導入端口11。本發(fā)明的電力發(fā)生器能全天候穩(wěn)定、持續(xù)輸出電能。
文檔編號H01L31/052GK101562412SQ200910027830
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者李曉春, 煉 段, 潘劍鋒, 宏 薛 申請人:江蘇大學