本發(fā)明涉及多能互補(bǔ)發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、在傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的空氣與輸入燃料混合，在燃燒室中燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，推?dòng)透平做功并經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。在這一過程中，燃燒室中高溫火焰輻射無法直接利用，很大程度上影響了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化，使得能量利用過程的不可逆損失增大。針對(duì)這部分熱能，可進(jìn)一步通過具瞬態(tài)響應(yīng)特性的固態(tài)熱電轉(zhuǎn)換方式將其轉(zhuǎn)化為電能，包括熱光伏、半導(dǎo)體熱電和光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電等。光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電廣泛應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中，但由于太陽輻射的間歇性特性，光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電的電力輸出不穩(wěn)定，這將大大影響系統(tǒng)對(duì)變負(fù)荷工況下的響應(yīng)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不可逆損失大、可再生能源電力儲(chǔ)存以及太陽能發(fā)電間歇性的問題，提出了一種太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電方法以及裝置。應(yīng)用光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃燒產(chǎn)生的輻射熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，有效回收了火焰輻射熱量、壓縮空氣儲(chǔ)能的高效利用，為了確保電力輸出的穩(wěn)定，提出太陽能-燃料互補(bǔ)的方法。

2、本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一種太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于，包括：用于儲(chǔ)能的壓縮空氣裝置，高溫燃燒的燃燒室(5)，貼附于燃燒室壁面的光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器和利用高壓氣體發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。燃燒及太陽輻射共同作用于光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器產(chǎn)電，其中無法被光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器利用的熱量，以高溫?zé)煔鉃檩d體，傳輸至透平(9)發(fā)電。通過光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器與透平發(fā)電的互補(bǔ)，抑制變工況時(shí)的電力波動(dòng)，穩(wěn)定電力輸出。當(dāng)太陽輻射不足時(shí)，增大燃料及空氣供給提供更多燃燒熱；當(dāng)太陽輻射充足時(shí)，減小燃料供給，以太陽輻射為主要能量來源；

4、所述發(fā)電裝置還包括太陽能聚光器(1)，可以是拋物面反射鏡、線性菲涅爾反射鏡、定日鏡等，用于將太陽光聚焦并照射到陰極(3)材料表面；

5、所述的燃燒室(5)內(nèi)部，高壓空氣和燃料在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生火焰及高溫?zé)煔?，加熱光子增?qiáng)熱電子發(fā)電器的陰極(3)，同時(shí)經(jīng)聚光鏡匯聚的太陽輻射照射至陰極(3)?；鹧孑椛浼疤栞椛渲?，能量大于陰極(3)禁帶寬度的光子被直接吸收形成光電子，而能量小于陰極(3)禁帶寬度的光子則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏M(jìn)一步加熱陰極(3)產(chǎn)生熱電子，這些光電子及熱電子克服陰極(3)的逸出功發(fā)射出并逸入陽極(2)，為外部負(fù)載供電；

6、所屬的燃燒室(5)所需的空氣，由壓縮機(jī)吸取大氣中的空氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中。壓縮機(jī)由可再生能源電力供電，可將可再生能源多余的電力轉(zhuǎn)化為壓縮空氣內(nèi)能儲(chǔ)存。當(dāng)電網(wǎng)需求增加時(shí)，高壓空氣進(jìn)入燃燒室燃燒，進(jìn)行熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)協(xié)同發(fā)電；

7、所述的光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器包括陰極(3)、陽極(2)；所述陽極(2)與陰極(3)相對(duì)設(shè)置，兩者均為薄膜沉積于透光襯底上，陽極(2)與陰極(3)之間連接有外部負(fù)載；

8、所述燃燒室(5)前端設(shè)有可調(diào)節(jié)燃料流量的電動(dòng)閥(4)和空氣流量的電動(dòng)閥(7)，所述燃燒室(5)內(nèi)設(shè)有電火花點(diǎn)火器(11)，燃燒室壁面為透光材料；作為燃料的富氫混合物通過可調(diào)節(jié)流量的電動(dòng)閥(4)進(jìn)入燃燒室(5)中，空氣經(jīng)電動(dòng)閥(7)進(jìn)入燃燒室(5)混合并利用電火花點(diǎn)火器(11)點(diǎn)燃，使用燃燒過程釋放的熱能加熱貼附于燃燒室壁面的光子增強(qiáng)熱電子器陰極(3)；

9、所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組包括透平(9)和發(fā)電機(jī)(10)，燃料在燃燒室(5)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣，進(jìn)入透平(9)驅(qū)動(dòng)渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(10)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能。

10、所述燃燒室(5)為筒狀，所述陰極(3)貼附于燃燒室(5)的外筒壁，所述陽極(2)環(huán)繞于所述陰極(3)的外側(cè)，陽極(2)與所述陰極(3)之間設(shè)有絕緣支架以使陽極(2)與所述陰極(3)相互不接觸；陽極(2)與所述陰極(3)之間形成真空密封空間；

11、所述陽極(2)、陰極(3)、燃燒室(5)依次從外到內(nèi)形成同心的圓形套筒結(jié)構(gòu)；

12、筒狀的所述燃燒室(5)的兩個(gè)底面，均設(shè)置有絕電絕熱層(6)，以減少能量損耗。

13、所述燃燒室(5)的材質(zhì)為耐高溫、導(dǎo)熱性較好的透光絕緣材料；所述絕電絕熱層(6)的材質(zhì)為經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的陶瓷材料，以實(shí)現(xiàn)電絕緣。

14、所述用于控制燃料流量的電動(dòng)閥(4)、控制空氣流量的電動(dòng)閥(7)和壓縮機(jī)(8)均與燃燒室(5)通過管道相連。

15、所述陽極(2)為以下材料中任意一種或多種組合：透光率達(dá)到97％的石墨烯、透明金剛石薄膜、ito導(dǎo)電玻璃等；

16、所述陰極(3)的陰極材料為以下材料中任意一種或多種組合：氧化銦錫、氧化鋅、鎢等。

17、所述陰極(3)和陽極(2)為與燃燒室結(jié)構(gòu)同心的圓形套筒結(jié)構(gòu)，陰極(3)和陽極(2)的材料均為耐高溫的低功函數(shù)材料；陽極(2)為透明材料，以確保更多的太陽光照射到陰極(3)。

18、所述陰極(3)被鍍于燃燒室(5)外壁，以接收燃燒過程來自燃燒室(5)壁面的熱量。

19、所述的太陽能聚光器(1)還用于對(duì)太陽位置進(jìn)行跟蹤。

20、本發(fā)明還提供了一種太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電的方法，包括以下步驟：

21、利用可再生能源電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)(8)壓縮空氣，將多余的可再生能源電力儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中，獲取富氫混合物作為燃料，控制燃料通過所述電動(dòng)閥(4)加入燃燒室(5)中，控制空氣通過所屬電動(dòng)閥(7)輸入燃燒室(5)，在燃燒室(5)內(nèi)，燃料與空氣混合并利用電火花點(diǎn)火器(11)點(diǎn)燃；燃燒過程的產(chǎn)物推動(dòng)所述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電；

22、利用燃燒過程產(chǎn)生的熱能加熱陰極(3)，使陰極(3)發(fā)射電子；

23、利用燃燒過程產(chǎn)生的光子，透過燃燒室(5)被陰極(3)吸收，使陰極(3)發(fā)射電子；

24、利用太陽能聚光器(1)對(duì)太陽位置進(jìn)行跟蹤，使太陽光通過陽極(2)照射到陰極(3)，通過光照產(chǎn)熱和光子吸收，使陰極(3)發(fā)射電子；

25、陰極(3)發(fā)射的電子進(jìn)入陽極(2)，為連接在陽極(2)和陰極(3)之間的負(fù)載供電。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

27、1.在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的同時(shí)，利用燃燒室火焰輻射及壁面余熱進(jìn)行光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)與光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電的互補(bǔ)，有利于對(duì)電力需求的瞬態(tài)響應(yīng)。

28、2.采用可再生能源電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，壓縮空氣進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存，有利于電網(wǎng)的可再生能源電力消納，解決棄風(fēng)棄光等問題。

29、3.利用太陽能協(xié)同燃料燃燒互補(bǔ)對(duì)壁面進(jìn)行加熱，驅(qū)動(dòng)光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器陰極的光熱電子產(chǎn)生與輸運(yùn)，有利于電力輸出的穩(wěn)定，解決太陽輻射間歇性問題對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

技術(shù)特征：

1.一種太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于，包括：用于儲(chǔ)能的壓縮空氣裝置，高溫燃燒的燃燒室(5)，貼附于燃燒室壁面的光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器和利用高壓氣體發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組；燃燒及太陽輻射共同作用于光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器產(chǎn)電，其中無法被光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器利用的熱量，以高溫?zé)煔鉃檩d體，傳輸至透平(9)發(fā)電；通過光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電器與透平發(fā)電的互補(bǔ)，抑制變工況時(shí)的電力波動(dòng)，穩(wěn)定電力輸出；當(dāng)太陽輻射不足時(shí)，通過增大燃料及空氣供給提供更多燃燒熱；當(dāng)太陽輻射充足時(shí)，通過減小燃料供給，以太陽輻射為主要能量來源；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：所述用于控制燃料流量的電動(dòng)閥(4)、控制空氣流量的電動(dòng)閥(7)和壓縮機(jī)(8)均與燃燒室(5)通過管道相連。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：所述陽極(2)為以下材料中任意一種或多種組合：透光率達(dá)到97％的石墨烯、透明金剛石薄膜、ito導(dǎo)電玻璃；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：所述陰極(3)和陽極(2)為與燃燒室結(jié)構(gòu)同心的圓形套筒結(jié)構(gòu)，陰極(3)和陽極(2)的材料均為耐高溫的低功函數(shù)材料；陽極(2)為透明材料，以確保更多的太陽光照射到陰極(3)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：所述陰極(3)被鍍于燃燒室(5)外壁，以接收燃燒過程來自燃燒室(5)壁面的熱量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，其特征在于：所述的太陽能聚光器(1)還用于對(duì)太陽位置進(jìn)行跟蹤。

9.應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的一種太陽能-燃料互補(bǔ)的熱電子-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電的方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種太陽能?燃料互補(bǔ)的熱電子?燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置，包括：壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、太陽能聚光器、陽極、陰極、燃燒室、透平；陰極貼附于燃燒室的外壁；陰極逸出的電子能逸入陽極；所述壓縮機(jī)通過可再生能源電力驅(qū)動(dòng)并吸收空氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氣罐中；太陽光經(jīng)過太陽能聚光器聚光后，能透過陽極照射到陰極上；陽極和陰極分別連接負(fù)載用于為負(fù)載供電；所述燃燒室的輸出端連接透平，以使用燃燒產(chǎn)物推動(dòng)透平發(fā)電。本裝置有效地消納了多余的可再生能源電力，并電網(wǎng)需求時(shí)，利用了燃燒及太陽輻射加熱過程中產(chǎn)生的高溫?zé)嵋约案吣軞怏w，實(shí)現(xiàn)了多種能源的混合利用。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭光華,洪亭,王碩,丁寧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6