專利名稱：一種電加熱通用熱光伏系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電直接轉(zhuǎn)換裝置，具體地，涉及一種通過電加熱作為替代能源的通用熱光伏發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱光伏系統(tǒng)是通過發(fā)熱源(同位素能源、太陽能、燃燒等)加熱輻射器，并通過熱輻射器有效調(diào)制輻射波段，獲得很高的轉(zhuǎn)換效率。其原理為:通過發(fā)熱源加熱輻射器，使其達(dá)到較高的溫度，從而對(duì)外發(fā)出輻射能。在輻射器和光電池之間設(shè)置光譜濾波器，以使得電池可轉(zhuǎn)換波段范圍內(nèi)的輻射能通過濾波器達(dá)到電池，并被光電池轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出，而電池?zé)o法轉(zhuǎn)化的能量則被濾波器反射回輻射器以重新利用，保持輻射器較高的溫度，以減少能量的損失。早在19世紀(jì)60年代熱光伏系統(tǒng)已經(jīng)開始被研究，但直到上世紀(jì)90年代，隨著低禁帶的III一V族化合物(一種高效轉(zhuǎn)換器材料)的出現(xiàn)，熱光伏的優(yōu)越性才得到了證實(shí)，并開始受到人們的廣泛關(guān)注。熱光伏電池在發(fā)電方面具有很多獨(dú)特之處，使其在尖端科研領(lǐng)域和軍事上有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。目前熱光伏技術(shù)的研究是個(gè)熱點(diǎn)，美國、俄羅斯、德國、澳大利亞、英國、瑞士和日本等國的著名的光伏研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在積極開展熱光伏系統(tǒng)的研究工作，力圖通過基礎(chǔ)研究使這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)即是熱源廣泛，國外學(xué)者已經(jīng)設(shè)計(jì)出了使用不同燃料的熱光伏系統(tǒng)。布羅曼等人用生物燃料作為熱源設(shè)計(jì)了一套熱光伏系統(tǒng)，輻射器溫度高達(dá)1300K，并提出如果選用光譜性能良好的濾波器，輻射器溫度將會(huì)進(jìn)一步的提高，從而提高熱光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。肖克等人用同位素燃料PuO2作為熱源設(shè)計(jì)了熱光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了禁帶寬度為0.6eV的砷化銦鎵電池，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%，輸出功率為100W，重量比功率可以達(dá)到14W/kg。美國EDTEK公司制作的STPV系統(tǒng)，采用卡塞格倫型的聚光器，其太陽能會(huì)聚比為1000:1，該系統(tǒng)為混合型的熱光伏系統(tǒng)，采用太陽能及燃料燃燒共同加熱的方式，測(cè)得在輻射器表面溫度為1400°C時(shí)，系統(tǒng)效率為22.3%，理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到25%。由此可見，熱光伏系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)有的溫差發(fā)電系統(tǒng)等熱電轉(zhuǎn)換形式，效率已經(jīng)有了一定的提高，但目前熱光伏技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，且原理樣機(jī)多是基于燃燒供熱和太陽能供熱兩種形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式較為多樣，但缺乏通用性，要實(shí)現(xiàn)未來和同位素?zé)嵩吹慕涌谄ヅ?，需設(shè)計(jì)具有一定通用性，直接更換熱源即可使用的熱電轉(zhuǎn)換通用裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于各種熱源的通用熱光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，增加能量的回收利用效率，并可以直接適用于任意熱源。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)包含支撐架、絕熱墊片、加熱管、熱輻射器、濾波器、熱光伏電池、散熱器、絕熱密封蓋以及溫控裝置；所述的絕熱墊片、加熱管、熱輻射器、濾波器、熱光伏電池、散熱器以及絕熱密封蓋均設(shè)置在支撐架之上；所述的加熱管設(shè)置在支撐架上方的中心處；所述的熱輻射器、濾波器、熱光伏電池和散熱器分別同軸環(huán)繞所述加熱管從內(nèi)到外依次設(shè)置；所述的絕熱密封蓋設(shè)置在散熱器的內(nèi)側(cè)以及所述加熱管、熱輻射器、濾波器和熱光伏電池的上方所述的絕熱墊片設(shè)置在加熱管與支撐架之間；所述的溫控裝置與加熱管和熱輻射器相連接。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的溫控裝置控制加熱管為熱輻射器提供熱能，所述熱輻射器的溫度升高到預(yù)定溫度后保持穩(wěn)定。熱輻射器優(yōu)選陶瓷材料制成，對(duì)外發(fā)出紅外輻射能量。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的預(yù)定溫度高于1000°C。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的熱輻射器在保持穩(wěn)定后，當(dāng)其溫度波動(dòng)大于rc時(shí)，溫控裝置接通加熱管的電源進(jìn)行加熱，當(dāng)熱輻射器溫度恢復(fù)穩(wěn)定后，則切斷所述電源。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的熱輻射器輻射的能量通過濾波器，其中大小與熱光伏電池禁帶相匹配的能夠透過濾波器后供熱光伏電池將之轉(zhuǎn)化為電能。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的熱輻射器輻射的能量，其中小于熱光伏電池禁帶的能夠反射回?zé)彷椛淦?，?shí)現(xiàn)能量的回收利用。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的散熱器為水冷散熱器，其內(nèi)部設(shè)有水冷流道。散熱器內(nèi)側(cè)表面與熱光伏電池相貼，將其廢熱帶走。上述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其中，所述的絕熱密封蓋內(nèi)部設(shè)有水冷流道，以防止溫度過高。本發(fā)明提供的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、光電轉(zhuǎn)換部分具有較強(qiáng)的通用性，可適用于任意熱源的熱光伏系統(tǒng)。2、通過引入新型雙層光譜濾光器，可進(jìn)一步提高光譜控制效率，從而減少到達(dá)電池的不可用的能量，增加能量的回收利用效率。3、通過進(jìn)一步在轉(zhuǎn)換器上端增設(shè)水冷散熱器，可增加電池片的布片面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫?zé)嵩春碗姵亻g空間的高密封性及真空度，防止溫度過高引起的支撐部件的損壞。


圖1為本發(fā)明的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)的熱光伏轉(zhuǎn)換部分的俯視圖。圖3為本發(fā)明的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例中電加熱及溫控裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步地說明。如圖1所示，本發(fā)明提供的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，包含支撐架1、絕熱墊片2、加熱管3、熱輻射器4、濾波器5、熱光伏電池6、散熱器7、絕熱密封蓋8以及溫控裝置9 (圖中未不出)。絕熱墊片2、加熱管3、熱福射器4、濾波器5、熱光伏電池6、散熱器7以及絕熱密封蓋8均設(shè)置在支撐架I之上。加熱管3設(shè)置在支撐架I上方的中央處。熱輻射器4、濾波器5、熱光伏電池6和散熱器7分別同軸環(huán)繞加熱管3從內(nèi)到外依次設(shè)置。絕熱密封蓋8設(shè)置在散熱器7的內(nèi)側(cè)以及加熱管3、熱福射器4、濾波器5和熱光伏電池6的上方。絕熱墊片2設(shè)置在加熱管3與支撐架I之間；溫控裝置9與加熱管3和熱輻射器4相連接。溫控裝置9控制加熱管3為熱輻射器4提供熱能，熱輻射器4的溫度升高到預(yù)定溫度后保持穩(wěn)定，該預(yù)定溫度高于1000°c。熱輻射器4在保持穩(wěn)定后，當(dāng)其溫度波動(dòng)大于1°C時(shí)，溫控裝置9接通加熱管3的電源進(jìn)行加熱，當(dāng)熱輻射器4溫度恢復(fù)穩(wěn)定后，則切斷電源。熱輻射器4優(yōu)選陶瓷材料制成，對(duì)外發(fā)出紅外輻射能量。熱輻射器4輻射的能量通過濾波器5,其中大小與熱光伏電池6禁帶相匹配的能夠透過濾波器5后供熱光伏電池6將之轉(zhuǎn)化為電能。熱輻射器4輻射的能量，其中小于熱光伏電池6禁帶的能夠反射回?zé)彷椛淦?，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。參見圖2所示。散熱器7為水冷散熱器，其內(nèi)部設(shè)有水冷流道。散熱器7內(nèi)側(cè)表面與熱光伏電池6相貼，將其廢熱帶走。絕熱密封蓋8內(nèi)部設(shè)有水冷流道，以防止溫度過高。如圖3所示，在優(yōu)選的實(shí)施例中，熱輻射器4內(nèi)側(cè)設(shè)置有8個(gè)直徑Φ12_、5個(gè)直徑Φ4_的電加熱管3，通過調(diào)整接通電加熱管3的數(shù)量和輸入電流，以控制輸入總電能，從而控制熱輻射器4溫度在一個(gè)恒定值，通過K型傳感器(圖中未示出)測(cè)量熱輻射器4溫度，并反饋于溫控設(shè)備9，進(jìn)行溫度的紀(jì)錄和調(diào)整控制。優(yōu)選Si/Si02光子晶體/TCO (透明導(dǎo)電鍍膜)雙層濾波器5，在其外側(cè)表面上緊密地鋪設(shè)有銻化鎵(GaSb)熱光伏電池6共48塊，其中沿縱向豎直排列六組，每組沿水平圓周設(shè)置八塊，將圓周八等分。本發(fā)明提供的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，可以直接適用于任意熱源，并能夠增加能量的回收利用效率。該系統(tǒng)可應(yīng)用于深空探測(cè)、探月、載人航天等領(lǐng)域，為飛行器及日常生活提供充足的電能，應(yīng)用前景廣泛。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包含支撐架(I )、絕熱墊片(2)、加熱管(3)、熱輻射器(4)、濾波器(5)、熱光伏電池(6)、散熱器(7)、絕熱密封蓋(8)以及溫控裝置(9)； 所述的絕熱墊片(2)、加熱管(3)、熱輻射器(4)、濾波器(5)、熱光伏電池(6)、散熱器(7)以及絕熱密封蓋(8)均設(shè)置在支撐架(I)之上； 所述的加熱管(3)設(shè)置在支撐架(I)上方的中心處； 所述的熱輻射器(4)、濾波器(5)、熱光伏電池(6)和散熱器(7)分別同軸環(huán)繞所述的加熱管(3)從內(nèi)到外依次設(shè)置； 所述的絕熱密封蓋(8)設(shè)置在散熱器(7)的內(nèi)側(cè)以及所述加熱管(3)、熱輻射器(4)、濾波器(5)和熱光伏電池(6)的上方； 所述的絕熱墊片(2 )設(shè)置在加熱管(3 )與支撐架(I)之間； 所述的溫控裝置(9)與加熱管(3)和熱輻射器(4)相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫控裝置(9)控制加熱管(3)為熱輻射器(4)提供熱能，所述熱輻射器(4)的溫度升高到預(yù)定溫度后保持穩(wěn)定。
3.如權(quán)利要求2所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的預(yù)定溫度高于1000。。。
4.如權(quán)利要求2所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱輻射器(4)在保持穩(wěn)定后，當(dāng)其溫度波動(dòng)大于l°c時(shí)，溫控裝置(9)接通加熱管(3)的電源進(jìn)行加熱，當(dāng)熱輻射器(4 )溫度恢復(fù)穩(wěn)定后，則切斷所述電源。
5.如權(quán)利要求4所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱輻射器(4)輻射的能量通過濾波器(5)，其中大小與熱光伏電池(6)禁帶相匹配的能夠透過濾波器(5)后供熱光伏電池(6 )轉(zhuǎn)化為電能。
6.如權(quán)利要求5所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱輻射器(4)輻射的能量，其中小于熱光伏電池(6)禁帶的能夠反射回?zé)彷椛淦?4)。
7.如權(quán)利要求1所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的散熱器(7)為水冷散熱器，其內(nèi)部設(shè)有水冷流道。
8.如權(quán)利要求1所述的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，其特征在于，所述的絕熱密封蓋(8)內(nèi)部設(shè)有水冷流道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含支撐架、絕熱墊片、加熱管、熱輻射器、濾波器、熱光伏電池、散熱器、絕熱密封蓋以及溫控裝置，其中支撐架設(shè)置在下方。加熱管設(shè)置在支撐架上方的中央處。熱輻射器、濾波器、熱光伏電池和散熱器分別同軸環(huán)繞加熱管從內(nèi)到外依次設(shè)置。絕熱密封蓋設(shè)置在散熱器的內(nèi)側(cè)以及加熱管、熱輻射器、濾波器和熱光伏電池的上方。絕熱墊片設(shè)置在加熱管與支撐架之間；溫控裝置與加熱管和熱輻射器相連接。本發(fā)明提供的電加熱通用熱光伏系統(tǒng)，具有高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率，增加能量的回收利用效率，并可以直接適用于任意熱源。
文檔編號(hào)H01L31/052GK103151963SQ201310101288
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者陳雪, 錢子勍, 楊惠伊 申請(qǐng)人:上?？臻g電源研究所