基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置。光能转换器件一侧吸收聚焦太阳光转换为热能，热能传递到光能转换器件另一侧，转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，并向吸热腔内辐射换热。回热器出口的气体工质进入吸热腔，立体吸收辐射能，温度迅速升高。加热后的高温工质进入透平机膨胀做功，膨胀之后的工质流经回热器换热，温度降低后依次进入冷却器、压缩机和回热器，回热器出口的工质再进入吸热腔内立体加热，完成一个热功转换循环。本发明专利技术采用光能转换器件，将太阳能转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，工质直接立体吸收辐射能，大幅减少了吸热表面积，吸热器结构简单，效率高，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能光热发电
，特别是涉及一种气体体吸热太阳能发电方法及装置。
技术介绍
减少化石能源的使用、大力开发和利用可再生清洁能源是解决能源危机和环境污染的一个重要举措。太阳能是一种普遍存在、储量丰富、经济环保的可再生能源，太阳能的光热发电技术是当前太阳能利用技术的研究热点和重点之一。太阳能光热发电技术的基本原理是利用聚光型抛物面反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，加热收集装置内的吸热介质，再通过换热系统加热发电系统的工质，驱动透平机做功发电。根据聚光方式的不同，光热发电可分为四种方式：槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。这几种发电方式都由聚光系统、集热系统、储热系统、发电系统四个基本系统组成。太阳能吸热器是太阳能热发电系统的核心部件，在不同的应用场合下有不同的结构和型式。太阳能吸热器按工作介质的吸热方式，主要可分为间接式和直接式两大类。间接式吸热器的特点是受热面吸收入射的聚焦太阳光，温度升高后再通过壁面将热量传递给吸热介质，这是一个间壁式换热的过程。间接式吸热器是太阳能吸热器中很常见的一种，如外露式管状吸热器和腔式吸热器都属于间接式吸热器。这种吸热器的优点是能够采用的吸热介质较多，结构较为简单，技术相对成熟。但是，它的缺点是必须有大量的吸热面积或换热管道进行间壁式换热，吸热器效率低、成本高。直接式太阳能吸热器一般含有吸热体，吸热介质是空气。具有多孔结构的吸热体吸收太阳辐射，空气被强制通过吸热体，与吸热体发生对流换热后升至高温。这种吸热器要求吸热体具有较高的吸热性、优良的导热性和渗透性，并且具有较强的耐热性和较大的比表面积。这种吸热器能够达到很高的出口空气温度，但结构较复杂，技术难度大。
技术实现思路
本专利技术为了克服目前的太阳能吸热器需要大量吸热表面积及吸热效率低等缺点，提出了一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法及装置。目前的太阳能吸热器采用的面吸热和间壁式换热方式，是通过吸热面吸收入射的太阳光，吸热面的温度升高，并通过壁面将热量传递给吸热工质。本专利技术采用的气体体吸热方式，主要是通过光能转换器件吸收聚焦太阳光并辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，气体工质直接立体吸收辐射能完成吸热。本专利技术采用气体体吸热方式，能够大幅减少吸热器的吸热和换热表面积，吸热器结构简单，效率高，成本低。本专利技术的具体技术方案如下：本专利技术所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：光能转换器件的一侧吸收聚焦太阳光转换为热能，热能传递到光能转换器件的另一侧，转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，并向吸热器腔体内辐射换热，流经回热器换热后温度升高的气体工质进入太阳能吸热器中，立体吸收从光能转换器件辐射到吸热器腔体中的辐射能，温度迅速升高，加热后的气体工质膨胀做功，进行发电循环。所述的光能转换器件包括光吸收器、中间层和光辐射器，是三层堆叠的结构，其材料是金属或半导体。光吸收器和光辐射器是由纳米尺度的结构构成的，如采用银材料的金属纳米棒以一定间距和角度排列，并多层堆叠，就可以形成一种光吸收器或辐射器。当太阳光入射在光吸收器的表面时，光吸收器通过其内部的纳米结构能够高效地吸收太阳光，并转换为热能，使得光吸收器的温度升高；中间层的材料是导热性良好的金属或半导体，吸收来自光吸收器的热能，温度升高，而光吸收器的温度降低；光辐射器吸收来自中间层的热能，温度升高，并通过内部的纳米结构辐射出光波。当光能转换器件达到能量平衡状态时，其温度会达到一个稳定值。光吸收器和光辐射器的原理是类似的，都是通过材料内部的纳米结构实现光波的吸收或辐射。光吸收器不只是吸收太阳光，也会辐射光波，光辐射器不只是辐射光波，也会吸收光波，只是各自的吸收辐射比不相同。光辐射器是光能转换器件的核心部件，其作用是辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能。该辐射能的本质是不同强度和不同波长的光波，其光谱具有一个中心波长和谱线宽度，中心波长值主要取决于光辐射器的温度，谱线宽度主要取决于光辐射器的材料和微观结构，而辐射能的强度主要取决于入射太阳光的能量。光能转换器件实现的是一个能量的传递和转换的过程，先将太阳辐射能转换为热能，热能经传递后再转换为辐射能的过程。所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。每种气体工质都有其特征吸收光谱，有若干个特征吸收峰，每个吸收峰有一定的谱线宽度。气体工质对其特征吸收峰邻近范围内的光波的吸收强度较大，吸收效率较高。光辐射器辐射出的辐射能的光谱线型和气体工质的特征吸收峰的线型是类似的，只是中心波长和谱线宽度可能不相同，中心波长决定了光谱的波长分布的中心值，谱线宽度决定了光谱的能量分布的集中程度。设计光辐射器的一个原则是：辐射出的辐射能的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同，辐射能的谱线宽度比气体工质的特征吸收峰的谱线宽度小并尽可能地小。在这种情况下，辐射能的能量更多地集中于气体工质特征吸收峰邻近较窄的波长范围内，气体工质对辐射能的吸收效率会较高。但是，辐射能的谱线宽度越小，光辐射器的设计难度越大。一般而言，光辐射器的设计是基于气体工质的某一个特征吸收峰，辐射能的谱线宽度主要取决于气体工质的特征吸收光谱以及光辐射器的材料和内部结构。所述的太阳能吸热器的吸热工质包括二氧化碳、水蒸汽或有机质如六氟丙烷、丁烷或丁烯等。目前的太阳能吸热器采用面吸热及间壁式换热的方式，吸热工质主要是空气、水蒸汽和熔融盐；而基于气体体吸热方式的太阳能吸热器采用的吸热工质可以是无机气体工质如二氧化碳、氨气、水蒸汽等，也可以是有机气体工质如五氟丙烷、六氟丙烷、丁烷、丁烯等。每种气体工质都有其特征吸收光谱，有若干个特征吸收峰。基于某个特征吸收峰可以设计特定的光能转换器件，通过特定的光能转换器件可以辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，该气体工质可以高效地吸收辐射能。一般说来，无机气体工质在高温下不易分解，可以用于温度较高的循环；有机气体工质能承受的温度不高，可以用于温度较低的循环。所述的发电循环的过程是，气体工质在太阳能吸热器中立体吸收辐射能，温度升高后的气体工质进入透平机中膨胀做功，透平机通过轴带动发电机发电，膨胀之后的工质流经回热器换热，温度降低后依次进入冷却器、压缩机和回热器，回热器出口的气体工质再进入太阳能吸热器中立体吸收辐射能，完成一个发电循环。其中，气体工质在太阳能吸热器中立体吸收辐射能的过程主要是一个分子内部化学键吸收的过程，这个过程快速、高效、稳定。此外，在聚焦太阳光入射的情况下，光能转换器件的温度升高。因此，在太阳能吸热器的吸热腔体内可以布置一些管道，进行辅助的传热过程，将光能转换器件表面的热量传递给气体工质。这样，一方面提高了吸热器的整体效率，另一方面能够降低光能转换器件表面的温度，减少热应力，延长吸热器的寿命。所述的发电循环包括布雷敦循环或朗肯循环。发电循环的基本型式可以采用蒸汽动力循环如朗肯循环，工质是水蒸汽、二氧化碳、部分有机气体如丁烷、丁烯等；也可以采用气体动力循环如布雷敦循环，工质是二氧化碳等。实际的发电循环可能含有再热、回热、再压缩、部分冷却、中间冷却等过程，循环较为复杂。此外，在太阳能热发电系统中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：光能转换器件(7)的一侧吸收聚焦太阳光转换为热能，热能传递到光能转换器件(7)的另一侧，转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，并向吸热器腔体(5)内辐射换热，流经回热器(3)换热后温度升高的气体工质进入太阳能吸热器(4)中，立体吸收从光能转换器件(7)辐射到吸热器腔体(5)中的辐射能，温度迅速升高，加热后的气体工质膨胀做功，进行发电循环。

【技术特征摘要】
1.一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：光能转换器件(7)的一侧吸收聚焦太阳光转换为热能，热能传递到光能转换器件(7)的另一侧，转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，并向吸热器腔体(5)内辐射换热，流经回热器(3)换热后温度升高的气体工质进入太阳能吸热器(4)中，立体吸收从光能转换器件(7)辐射到吸热器腔体(5)中的辐射能，温度迅速升高，加热后的气体工质膨胀做功，进行发电循环。2.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：所述的光能转换器件(7)的材料是金属或半导体，光能转换器件(7)包括光吸收器、中间层和光辐射器，光吸收器吸收聚焦太阳光并转换为热能，中间层传递热能，光辐射器辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能。3.根据权利要求1或2所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。4.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：所述的太阳能吸热器(4)的吸热工质包括二氧化碳、水蒸汽、六氟丙烷、丁烷、丁烯。5.根据权利要求1所述的一种基于特征吸收光谱的气体体吸热太阳能发电方法，其特征在于：所述的发电循环的过程是，气体工质在太阳能吸热器(4)中立体吸收辐射能，温度升高后的气体工质进入透平机(8)中膨胀做功，透平机(8)通过轴(10)带动发电机(9)发电，膨胀之后的气体工质流经回热器(3)换热，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖刚，仇旻，倪明江，李强，杨温，骆仲泱，岑可法，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33