一种碟式太阳能热电直接转换系统

摘要

一种碟式太阳能热电直接转换系统，属能源动力工程领域。本系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统，将冷凝器余热直接转化为电能的温差发电子系统，以及实现二次余热再利用的碟式太阳能集热子系统；本系统主要由碟式聚光镜、喇叭形接收器、吸热器腔体、蒸发器、耦合换热器、电磁泵、碱金属热电转换器、冷凝器、温差发电装置、风机、冷却空气通道和连接管道组成。与其它太阳能热电利用系统相比，本系统具有双重热电转换和二次余热再利用的特点，实现了能量的综合梯级利用，效率高；同时还具有无运动部件和噪音、运行维护成本低、可靠性高以及可模块化组合等优点。

说明书

技术领域：

本发明的名称是一种碟式太阳能热电直接转换系统，属能源动力工程领域。

背景技术：

静态发电是将热能直接转换为电能的的生产过程，相比于传统的动态发电，即先将热能转换为机械能再转换为电能，静态发电由于在整个生产过程中能量转换环节减少，能量损失相应减少，从而使得整个系统的运作成本和不稳定性也将大大降低。从这一点来看，静态发电较之动态发电有可能提供更好的经济性和稳定性。于是，有学者提出利用无运动部件、无噪音且无需维护的热电直接转换器来进行发电，即静态发电。碱金属热电转换器作为热电直接转换器的一种，是以β″氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜，以液态或气态碱金属为循环工质的高效低电压面积型热电直接转换装置，功率密度高；可模块化组合发电，且能量转换效率与装置容量无关，热电转换效率理论上可达30～40％，因而颇受人们的关注。碱金属热电转换器适用于太阳能、核能、化石能等多种形式的热源。但是目前所研究的碱金属热电转换技术大多采用核能或化石能作为输入能源，而采用可再生能源之一的太阳能作为碱金属热电转换器的输入能源还较少。事实上，随着太阳能聚光集热技术的提高，碟式太阳能聚光集热系统的聚光比可达10000以上，吸热器内的温度可达1000℃。而根据碱金属热电转换器的工作原理，蒸发器的温度需维持在900～1300K，这说明碟式太阳能聚光集热系统完全可以作为碱金属热电转换器的输入热源。

另一方面，由于碱金属热电转换系统的冷凝器余热温度较高，为400～700K，因此，如果能将冷凝器的余热加以利用，一方面可以提高整个能量转换过程的热效率，实现热能的高效转换与利用；另一方面，可以避免或减少冷凝器余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。温差发电作为一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换为电能的有效方式，具有结构简单、经久耐用、无运动部件和噪音等特点。鉴于此，可充分利用冷凝器的余热在热电模块两端建立温差，实现温差发电，提高系统的整体电能输出。然而，由于目前温差发电的效率一般为10％左右，因此有必要对温差发电过程中产生的二次余热进行回收再利用。已有研究指出，当碟式太阳能聚光集热系统中吸热器的倾角(采光口的法线方向与水平面的夹角)小于30°时，如以速度较小(1～3m/s)的、方向平行于或近似平行于采光口的环境风吹扫吸热器，则吸热器的混合对流热损失将比无风时的自然对流热损失有所减少。因此，如能将冷却温差发电装置的空气以较小的速度近似平行地吹扫吸热器的采光口，将会提高吸热器采光口外部空气的温度，减小换热温差，同时阻止腔内热空气的溢出，从而减小对流热损失，提高吸热器的换热效率，减少对环境的热污染。

基于以上现状和思想，提出把利用太阳能的碱金属热电转换，利用余热的温差发电，以及二次余热再利用联合起来的循环系统，即一种碟式太阳能热电直接转换系统。

发明内容：

本发明提供一种碟式太阳能热电直接转换系统。本系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统，将冷凝器余热直接转化为电能的温差发电子系统，以及实现二次余热再利用的碟式太阳能集热子系统。本系统一方面将碟式太阳能集热系统收集到的太阳能作为碱金属热电转换器的输入热源；另一方面采用温差发电子系统将碱金属热电转换子系统中冷凝器的余热再次转化为电能，最大限度地实现太阳能发电的要求，提高整个系统的热电转换效率；此外，利用空气冷却通道以强制对流换热的方式吸收温差发电装置的冷端散热，预热后的空气在吸热器采光口外部形成气封，既能满足温差发电装置冷端的散热需求，又能有效减少吸热器腔体的对流热损失。

本发明通过以下技术方案实现：

主要由碟式聚光镜1、喇叭形接收器2、吸热器腔体5、蒸发器8、耦合换热器11、电磁泵12、碱金属热电转换器15、冷凝器17、温差发电装置18、风机19、冷却空气通道21和连接管道组成一种碟式太阳能热电直接转换系统，包括碟式太阳能集热子系统，碱金属热电转换子系统以及温差发电子系统，其特征在于：碱金属热电转换子系统分别经耦合换热器11、冷凝器17与碟式太阳能集热子系统、温差发电子系统相连，同时温差发电子系统经冷却空气出口管道22与碟式太阳能集热子系统相连；碱金属热电转换器15以碱金属为工质，以碟式太阳能集热子系统提供的温度为900～1300K的热能为输入能量，将部分热能直接转化为电能；温差发电装置18以温度为400～700K的冷凝器17余热为热源，将部分余热直接转化为电能；外界空气在风机19的作用下进入冷却空气通道，吸收温差发电装置18冷端的散热，实现二次余热再利用。

本发明的吸热器腔体5可采用圆柱形，吸热器采光口4直径与吸热器腔体5直径之比小于1，吸热器底面6与蒸发器8相连，蒸发器8内工质可采用金属钠，内壁面设有毛细吸液芯7，吸热器采光口4的外侧设有喇叭形接收器2。

本发明的温差发电装置11的热端与冷凝器17紧密接触，冷端与冷却空气通道21相连；预热后的空气经冷却空气出口管道22分两根管道对称通入由吸热器壁面和喇叭形接收器组成的腔体23内，且两根管道上分别设有排气阀门24调节空气流速；喇叭形接收器2沿中心圆周上均匀开有矩形气栅3，预热空气经矩形气栅3以1～3m/s的速度流出，在吸热器采光口4外部形成气封，有效减少吸热器腔体5的对流热损失。

本发明与现有能源利用系统相比具有以下特点：(1)本系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统，将余热直接转化为电能的温差发电子系系统，以及实现二次余热再利用的碟式太阳能集热子系统，具有环境友好、热电转换效率高、无运动部件和噪音、运行维护成本低、可靠性高以及可模块化组合等优点。(2)本系统的碱金属热电转换器和温差发电装置可采用多组模块串联或并联的运行方式，一方面可提高输出电压或功率，另一方面可提高系统运行的可靠性。(3)本系统采用冷却空气通道回收温差发电装置的冷端余热，使预热后的空气在排气阀门的调节下以较小的速度从喇叭形接收器的矩形气栅流出，形成气封，提高采光口附近的空气温度，减小传热温差，同时阻止腔内热空气的溢出，一方面可以满足温差发电装置冷端的散热需求，提高温差发电装置的发电效率，另一方面，可以有效减少吸热器的对流热损失，从而提高整个系统的热电转换效率。

附图说明：

图1为本发明实施示意图；

其中：1-碟式聚光镜；2-喇叭形接收器；3-矩形气栅；4-吸热器采光口；5-吸热器腔体；6-吸热器底面；7-毛细吸液芯；8-蒸发器；9-蒸发器入口液体管道；10-蒸发器出口蒸汽管道；11-耦合换热器；12-电磁泵；13-碱金属液体管道；14-高温高压碱金属蒸汽管道；15-碱金属热电转换器；16-低温低压碱金属蒸汽管道；17-冷凝器；18-温差发电装置；19-风机；20-冷却空气进口管道；21-冷却空气通道；22-冷却空气出口管道；23-由吸热器壁面和喇叭形接收器组成的腔体；24-排气阀门。

具体实施方式：

以下结合说明书附图中的图1对本发明具体实施进行详细说明。

本发明主要由碟式聚光镜1、喇叭形接收器2、矩形气栅3、吸热器采光口4、吸热器腔体5、吸热器底面6、毛细吸液芯7、蒸发器8、蒸发器入口液体管道9、蒸发器出口蒸汽管道10、耦合换热器11、电磁泵12、碱金属液体管道13、高温高压碱金属蒸汽管道14、碱金属热电转换器15、低温低压碱金属蒸汽管道16、冷凝器17、温差发电装置18、风机19、冷却空气进口管道20、冷却空气通道21、冷却空气出口管道22、由吸热器壁面和喇叭形接收器组成的腔体23、排气阀门24组成。

本发明的工作过程如下：

太阳光照射到碟式聚光镜1上，经反射聚焦后由喇叭形接收器2和吸热器采光口4进入吸热器腔体5，在吸热器底面6形成焦斑，蒸发器8与吸热器底面6相连，位于蒸发器8内的液态钠吸收吸热器底面6的热能后汽化，气态钠经蒸发器出口蒸汽管道10进入耦合换热器11，将冷凝潜热释放给由电磁泵12驱动的位于碱金属液体管道13内的碱金属液体后凝结，凝结后的钠液体在毛细吸液芯7的作用下由蒸发器入口液体管道9回到蒸发器8中再次蒸发汽化。与此同时，位于碱金属液体管道13内的碱金属液体工质在耦合换热器11中吸收蒸发器8内工质钠的冷凝潜热后，形成温度为900～1300K的高温高压碱金属蒸汽，经高温高压碱金属蒸汽管道14到达碱金属热电转换器15，碱金属热电转换器15将高温高压碱金属蒸汽的热膨胀功转化为电能，同时高温高压碱金属蒸汽变为低温低压碱金属蒸汽，经低温低压碱金属蒸汽管道16送入冷凝器17释放出冷凝热，形成温度为400～700K的碱金属液体，碱金属液体再由电磁泵12驱动，经碱金属液体管道13，再次进入耦合换热器11吸收热量后形成高温高压碱金属蒸汽。

另一方面，温差发电装置18的热端与冷凝器17紧密接触，吸收低温低压钠蒸汽释放出的冷凝热；与此同时，温差发电装置18的冷端外部设有冷却空气通道21，实现冷端散热，从而温差发电装置18的热端与冷端形成温差，直接将冷凝器17的部分余热转化为电能。此外，外界空气在风机19的驱动下由冷却空气进口管道20进入冷却空气通道21，吸收温差发电装置18的冷端散热，预热后的空气由冷却空气出口管道22流出，分两根管道，在排气阀门24的调节下，对称通入由吸热器壁面和喇叭形接收器组成的腔体23，再经喇叭形接收器2的矩形气栅3以1～3m/s的速度流出，在采光口处形成气封，有效减少吸热器的对流热损失。