一种热电系统

1.本发明涉及一种热电系统。


背景技术：

2.热光电系统是利用燃料燃烧、放射性同位素放热、或收集太阳光产生的热能，通过高性能的光电转换器，将高温热源中辐射出的红外光子转化为电能的一类系统，该系统主要由高温热源、光子滤波器、光电转换器组成。其中光电转换器的材料特性及排列方式对光子的转换效率影响较大，光子滤波器的主要作用是将高温热源中的红外辐射与光电转换器进行匹配，有助于提高系统效率。
3.根据系统的尺寸，大体可分为微型、中型和大型热光电系统。由于液体或气体燃料的能量密度较高，目前针对微型和中尺寸热光电系统的研究，主要以气液燃料燃烧器作为热源；大型热光电系统则多以太阳光收集器作为热源。
4.现有技术的缺点：首先，在尺寸较小的情况下，燃烧器的燃烧稳定性、燃烧极限（可燃范围）、燃料-空气比例和燃烧效率等都变得不易控制，从而极大影响系统效率；其次，液体燃料的携带和储存存在很多不确定性，应用范围有限；最后，由于燃烧器的存在，绝热和散热结构需要占用极大的空间，使得整个系统的尺寸受限。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种提高系统效率、运行稳定的热电系统。
6.本发明的技术解决方案是：一种热电系统，其特征是：包括由上、下法兰、外周壁围成的真空腔，真空腔中装有电阻式加热器，电阻式加热器底部工作面上覆盖焊接有光子晶体，电阻式加热器除工作面以外的表面均焊接有绝热层；电阻式加热器下方的下法兰顶面设有凹槽，凹槽中固装光伏电池阵列基板，光伏电池阵列基板上装与光子晶体相对的光伏电池，所述凹槽下方设有流道水冷槽，用于维持光伏电池的温度；真空腔设有真空抽气口；在电阻式加热器中，由钼丝作为加热电阻丝；工作时，首先启动真空泵组，将真空腔内抽至高真空状态，同时开启加热器电源；通电后钼丝发热，并由贴于加热器表面的热电偶测量加热器温度；随着加热器温度升高，向外的红外辐射逐渐加强，由于光子晶体中的纳米结构可以作为滤波器，将加热器的红外辐射的光子与光伏电池带隙进行匹配，其余与光伏电池带隙不符的光子会被反射回加热器表面，这使得通过光子晶体的红外辐射，均能激发光伏电池产生电能，从而达到热
→
光
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电的转换过程。
7.电阻式加热器的外壳为inconel合金外壳、基底为氧化铝陶瓷基底。
8.光伏电池阵列由数个1*1.5的gasb太阳能电池组成。
9.所述外周壁包括与上法兰连接的上直管式筒壁、与下法兰连接的下直管式筒壁，上直管式筒壁、下直管式筒壁之间装波纹管式筒壁，且波纹管式筒壁的上端与上直管式筒
壁连接，波纹管式筒壁的下端与下直管式筒壁连接。
10.所述电阻式加热器与调节螺杆螺纹连接，用于方便调整工作面与光伏电池阵列间的距离，以找到最大功率点。
11.真空腔外侧由螺母螺柱构造进行固定，螺母螺柱构造的下端与下法兰固定连接，螺母螺柱构造的上端螺母与上法兰连接，实现调节前后法兰盘间的距离。
12.本发明利用带有纳米结构的钽片（光子晶体）作为光学滤波器，能够实现红外光子与光伏电池的匹配，并回收其他能量，极大提高系统效率；用电阻式加热器作为热源，驱动简单，方便控制，且面积小，容易实现绝热；利用真空腔和绝热层实现绝热，最大程度减小整个系统的体积，并避免能量的浪费。
13.本发明实现了体积小巧，系统可采用cf100法兰，外径152mm，长度最大120mm，整套系统可手持；通过低压大电流电源驱动，运行稳定性高，受环境影响小；发电效率高。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
15.图1是本发明一个实施例的结构示意图。
16.图2是图1的局部放大图。
具体实施方式
17.一种热电系统，包括由上、下法兰9、11、外周壁围成的真空腔1，真空腔中装有电阻式加热器3，电阻式加热器底部工作面上覆盖焊接有光子晶体12，电阻式加热器除工作面以外的表面均焊接有叠层结构的绝热层13；电阻式加热器下方的下法兰顶面设有凹槽，凹槽中固装光伏电池阵列基板14，光伏电池阵列基板上装与光子晶体相对的光伏电池5，所述凹槽下方设有流道水冷槽4，用于维持光伏电池的温度；真空腔设有真空抽气口6；在电阻式加热器中，由钼丝作为加热电阻丝；工作时，首先启动真空泵组，将真空腔内抽至高真空状态（1e-3 pa及以上），同时开启加热器电源；通电后钼丝发热，并由贴于加热器表面的热电偶测量加热器温度；随着加热器温度升高，向外的红外辐射逐渐加强，由于光子晶体中的纳米结构可以作为滤波器，将加热器的红外辐射的光子与光伏电池带隙进行匹配，其余与光伏电池带隙不符的光子会被反射回加热器表面，这使得通过光子晶体的红外辐射，均能激发光伏电池产生电能，从而达到热
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光
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电的转换过程。
18.电阻式加热器的外壳为inconel合金外壳、基底为氧化铝陶瓷基底。在真空状态下，钼丝是理想的电阻加热材料，熔点高、驱动功率低，氧化铝陶瓷则作为绝热层，把钼丝发出的热量限制在加热面一个方向。inconel合金强度大，在高温下的膨胀系数极低，用以固定加热器，并通过真空钎焊技术将带有微观结构的光子晶体固定在加热器的发热面，同时，在加热器的所有侧面覆盖由金属和自制气凝胶组成的多层层叠结构的绝热层，保证加热器的热辐射能够最大程度的被光伏电池吸收。
19.光伏电池阵列由数个1*1.5的gasb太阳能电池组成，其连接方式及分组，在充分考虑到电池本身的电压电流曲线及工作状态热量分布情况后，进行优化，使阵列可以在借助最大功率点跟踪电路时获得最大效率。
20.所述外周壁包括与上法兰连接的上直管式筒壁8、与下法兰连接的下直管式筒壁10，上直管式筒壁、下直管式筒壁之间装波纹管式筒壁7，且波纹管式筒壁的上端与上直管式筒壁连接，波纹管式筒壁的下端与下直管式筒壁连接。
21.所述电阻式加热器与调节螺杆2螺纹连接，可与真空腔配合进行调节，用于方便调整工作面（光子晶体表面）与光伏电池阵列间的距离，以找到最大功率点。
22.真空腔外侧由螺母螺柱构造15进行固定，螺母螺柱构造的下端与下法兰固定连接，螺母螺柱构造的上端螺母与上法兰连接，实现调节前后法兰盘间的距离。
23.真空腔主要由两侧法兰及中间的直管、波纹管组成，光伏电池阵列固定于法兰上，背部有流道结构为电池板降温，使光伏电池能工作在最佳温度范围；波纹管的主要作用是实现上下两法兰表面的距离调整，即改变红外发射源与光伏电池表面的距离，以方便寻找最大功率点；直管上其他接口为抽气口、电极、热电偶引入口等。


技术特征：
1.一种热电系统，其特征是：包括由上、下法兰、外周壁围成的真空腔，真空腔中装有电阻式加热器，电阻式加热器底部工作面上覆盖焊接有光子晶体，电阻式加热器除工作面以外的表面均焊接有绝热层；电阻式加热器下方的下法兰顶面设有凹槽，凹槽中固装光伏电池阵列基板，光伏电池阵列基板上装与光子晶体相对的光伏电池，所述凹槽下方设有流道水冷槽，用于维持光伏电池的温度；真空腔设有真空抽气口；在电阻式加热器中，由钼丝作为加热电阻丝；工作时，首先启动真空泵组，将真空腔内抽至高真空状态，同时开启加热器电源；通电后钼丝发热，并由贴于加热器表面的热电偶测量加热器温度；随着加热器温度升高，向外的红外辐射逐渐加强，由于光子晶体中的纳米结构可以作为滤波器，将加热器的红外辐射的光子与光伏电池带隙进行匹配，其余与光伏电池带隙不符的光子会被反射回加热器表面，这使得通过光子晶体的红外辐射，均能激发光伏电池产生电能，从而达到热
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光
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电的转换过程。2.根据权利要求1所述的一种热电系统，其特征是：电阻式加热器的外壳为inconel合金外壳、基底为氧化铝陶瓷基底。3.根据权利要求1所述的一种热电系统，其特征是：光伏电池阵列由数个1*1.5的gasb太阳能电池组成。4.根据权利要求1所述的一种热电系统，其特征是：所述外周壁包括与上法兰连接的上直管式筒壁、与下法兰连接的下直管式筒壁，上直管式筒壁、下直管式筒壁之间装波纹管式筒壁，且波纹管式筒壁的上端与上直管式筒壁连接，波纹管式筒壁的下端与下直管式筒壁连接。5.根据权利要求1所述的一种热电系统，其特征是：所述电阻式加热器与调节螺杆螺纹连接，用于方便调整工作面与光伏电池阵列间的距离，以找到最大功率点。6.根据权利要求1所述的一种热电系统，其特征是：真空腔外侧由螺母螺柱构造进行固定，螺母螺柱构造的下端与下法兰固定连接，螺母螺柱构造的上端螺母与上法兰连接，实现调节前后法兰盘间的距离。

技术总结
本发明公开了一种热电系统，包括真空腔，真空腔中装有电阻式加热器，电阻式加热器底部工作面上覆盖焊接有光子晶体，电阻式加热器除工作面以外的表面均焊接有绝热层；电阻式加热器下方的下法兰顶面设有凹槽，凹槽中固装光伏电池阵列基板，光伏电池阵列基板上装与光子晶体相对的光伏电池，所述凹槽下方设有流道水冷槽，用于维持光伏电池的温度；真空腔设有真空抽气口；在电阻式加热器中，由钼丝作为加热电阻丝。本发明能够实现红外光子与光伏电池的匹配，并回收其他能量，极大提高系统效率；用电阻式加热器作为热源，驱动简单，方便控制，且面积小，容易实现绝热。容易实现绝热。容易实现绝热。


技术研发人员：王夏娃 奚琛
受保护的技术使用者：昆山杜克大学
技术研发日：2022.02.22
技术公布日：2022/6/4