热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法，该系统包括燃烧器、热交换器，选择性过滤器、热光伏电池、冷却水通道、压气机、空气透平，余热锅炉，汽轮机组和发电机等组件。本发明专利技术首先利用燃烧释放产生的能量进行光伏发电，实现热光伏一级电力生产；其次，本发明专利技术利用高温烟气加热空气，高温高压的空气进入空气透平膨胀做功带动发电机组发电，实现二级电力生产过程；最后，换热后的烟气在余热锅炉中加热给水产生蒸汽，蒸汽进入蒸汽透平膨胀做功带动发电机组发电，实现三级电力生产过程。本发明专利技术以光热能量梯级转化的思路实现了三级电力生产过程，最大程度的利用了燃料燃烧的能量，可以提高现有发电技术的效率。术的效率。术的效率。

【技术实现步骤摘要】
热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法


[0001]本专利技术属于燃烧动力发电
，具体涉及一种热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法。

技术介绍

[0002]热力发电作为世界上的主要电力生产的方式，其基本过程则为使用燃料燃烧后产生的热能进入各种热动力循环，从而将热能转化为机械能进行电力生产。受制于材料性能，动力循环工质的最高温度有限，这限制了现有的动力循环机组效率。目前性能最好的技术为燃气蒸汽联合循环，其效率可达55％以上。进一步提升循环效率的空间则很小。
[0003]另一方面，燃料燃烧可产生1600℃-2000℃左右的高温。高温会产生大量的辐射能量。如将高温能量率先进行辐射能量转化，剩余热能继续通过传统动力循环转化，则能够实现燃烧光热能量的梯级转化，从而有效提高燃料燃烧发电的效率。基于辐射能光电转化的热光伏技术则十分适合。热光伏是直接将热能转化为电能的新兴技术，主要包括燃烧室，发射器，滤波器及光伏电池组成。通过燃料燃烧产生的热能加热辐射器产生高温热辐射再经过滤波器过滤可用波段，返回不可转化波段，从而使得适合光伏电池的光谱辐射进入电池产生电能。温度越高辐射能量越大，高频可用波段越高，热光伏系统效率越高。因此使用热光伏结合热动力循环系统，能够有效的利用燃烧高温能量，实现光热能量分级利用，从而提高动力循环系统的性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有燃烧热动力循环仅通过单一热能转化而效率提升受限的技术问题，提出一种热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统及方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术首先提供了一种热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其包括热光伏发电系统、燃烧室、二级空气发电单元和三级蒸汽发电单元；
[0007]所述热光伏发电系统包括光伏电池、冷却通道、选择性滤波器和选择性辐射器；所述燃烧室外壁设置有选择性辐射器，所述光伏电池环绕燃烧室外壁布置，选择性滤波器设置在所述选择性辐射器与光伏电池之间；所述冷却通道设置在光伏电池背部；
[0008]所述二级空气发电单元包括通过空气管道顺次相连压气机、热交换器的空气流道、空气透平；空气透平与1号发电机组相连，空气透平的空气出口与燃烧室的助燃空气入口相连；燃烧室的烟气出口与热交换器的烟气流道相连，烟气流道内的烟气在热交换器内加热空气流道中的空气；
[0009]所述三级蒸汽发电单元包括通过介质管道顺次相连形成循环的余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器和泵；其中，所述蒸汽透平连接2号发电机组；所述热交换器的烟气流道出口与余
热锅炉的烟气流道相连，烟气流道内的烟气在余热锅炉中加热介质产生蒸汽。
[0010]作为本专利技术的优选方案，所述燃烧室为八棱柱结构，其外壁覆盖安装选择性辐射器，所述选择性滤波器及光伏电池与围绕燃烧器的壁面平行布置。
[0011]作为本专利技术的优选方案，所述选择性辐射器为稀土氧化物辐射器或超材料辐射器；所述选择性滤波器为周期性硅/氧化硅光子晶体薄膜型选择性过滤器。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述光伏电池为锑化镓光伏电池；所述冷却水通道为蛇形管设计。
[0013]本专利技术还公开了一种所述发电系统的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电方法：
[0014]燃料和助燃空气进入燃烧器进行燃烧，燃料燃烧产生高温加热燃烧室的壁面，辐射能通过选择性辐射器及选择性滤波器的调节作用得到有效的光谱辐射，并最终进入光伏电池激发光伏电池发电，实现热光伏一级电力生产；光伏电池背部装有冷却通道进行冷却避免因温度升高导致电池效率下降；
[0015]压气机入口空气经压气机压缩后进入热交换器，从燃烧室出来的高温烟气，经过热交换器加热高压空气，从而产生高温高压空气，空气最终进入空气透平膨胀做功，带动1号发电机组发电，形成二级发电的效果；空气透平出口的空气通过助燃空气进口引入燃烧室作为助燃剂参与燃烧，形成外燃式设计；
[0016]从热交换器出来的中高温烟气进入余热锅炉中，经余热锅炉后烟气变成排气，来自给水泵的水在余热锅炉中被加热成过热蒸汽，最后进入蒸汽透平膨胀做功，带动2号发电机组发电，实现三级电力生产；蒸汽透平出口乏气进入冷凝器凝结，再进入水泵压缩重新进入余热锅炉以实现一个完整循环。
[0017]采用本专利技术提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[0018]本专利技术最大限度地利用了燃料燃烧产生的高温能量，将燃烧高温与热力循环参数之间的一段高温能量通过热光伏技术转化，剩余中高温能量依然能够保证热动力循环的转化，从而更深层地实现了能量梯级利用。
[0019]本专利技术依托一次光伏发电和两次热动力发电的过程，在温度梯级上实现了光热能量的三级转化，能有效提高系统效率。
[0020]本专利技术采用了外燃式设计，使得热光伏技术与燃气蒸汽联合循环能够有效的结合起来，外然式燃烧室可以使用包括煤，生物质，燃油与燃气在内的多种燃料，具有较广的实用性。
[0021]使用本专利技术热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统理论上可提高系统效率15-25个百分点。整个系统的效率则有望突破75％，这对当前效率最高的联合循环发电技术来说无疑是一个重大的突破。
附图说明
[0022]图1是热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统图；
[0023]图中：燃烧室1、光伏电池2、冷却通道3、选择性滤波器4、选择性辐射器5、燃烧器6、热交换器7、压气机8、空气透平9、余热锅炉10、蒸汽透平11、冷凝器12、水泵13、1号发电机组14、2号发电机组15、空气进口16、燃料进口17、助燃空气18、烟气排气19。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]如图1所示，本专利技术的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统包括热光伏发电系统、燃烧室1、二级空气发电单元和三级蒸汽发电单元；
[0026]所述热光伏发电系统包括光伏电池2、冷却通道3、选择性滤波器4和选择性辐射器5；所述燃烧室1外壁设置有选择性辐射器5，所述光伏电池2环绕燃烧室1外壁布置，选择性滤波器4设置在所述选择性辐射器5与光伏电池2之间；所述冷却通道3设置在光伏电池2背部；
[0027]所述二级空气发电单元包括通过空气管道顺次相连压气机8、热交换器7的空气流道、空气透平9；空气透平9与1号发电机组相连，空气透平9的空气出口与燃烧室1的助燃空气18入口相连；燃烧室1的烟气出口与热交换器7的烟气流道相连，烟气流道内的烟气在热交换器7内加热空气流道中的空气；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其特征在于，包括热光伏发电系统、燃烧室、二级空气发电单元和三级蒸汽发电单元；所述热光伏发电系统包括光伏电池、冷却通道、选择性滤波器和选择性辐射器；所述燃烧室外壁设置有选择性辐射器，所述光伏电池环绕燃烧室外壁布置，选择性滤波器设置在所述选择性辐射器与光伏电池之间；所述冷却通道设置在光伏电池背部；所述二级空气发电单元包括通过空气管道顺次相连压气机、热交换器的空气流道、空气透平；空气透平与1号发电机组相连，空气透平的空气出口与燃烧室的助燃空气入口相连；燃烧室的烟气出口与热交换器的烟气流道相连，烟气流道内的烟气在热交换器内加热空气流道中的空气；所述三级蒸汽发电单元包括通过介质管道顺次相连形成循环的余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器和泵；其中，所述蒸汽透平连接2号发电机组；所述热交换器的烟气流道出口与余热锅炉的烟气流道相连，烟气流道内的烟气在余热锅炉中加热介质产生蒸汽。2.根据权利要求1所述的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其特征在于：所述系统使用外燃式设计，所述的燃烧室内设有燃烧器，所述燃烧室可使用煤、生物质、燃油或燃气；燃烧室和燃烧器采用316不锈钢制作。3.根据权利要求1所述的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其特征在于，所述燃烧室为八棱柱结构，其外壁覆盖安装选择性辐射器，所述选择性滤波器及光伏电池与围绕燃烧器的壁面平行布置。4.根据权利要求1或3所述的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其特征在于，所述选择性辐射器为稀土氧化物辐射器或超材料辐射器；所述选择性滤波器为周期性硅/氧化硅光子晶体薄膜型选择性过滤器。5.根据权利要求1或3所述的热光伏与外燃式燃气蒸汽联合循环耦合的光热梯级发电系统，其特征在于，所述光伏电池为锑化镓光伏电池；所述冷却水通道为蛇形管设计。6.根据权利要求1或3所述的热光伏与外燃式...

【专利技术属性】
技术研发人员：山石泉，周志军，张彦威，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：