燃烧、热交换和发射体器件 |
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| 申请号 | CN201380063480.X | 申请日 | 2013-12-05 | 公开(公告)号 | CN104937723B | 公开(公告)日 | 2017-11-14 |
| 申请人 | 三角资源控股(瑞士)公司; | 发明人 | R·霍尔茨纳; U·魏德曼; | ||||
| 摘要 | 用于将化学制品转换为电磁 辐射 的燃烧、热交换和发射体器件(10)以及用于提供燃烧、热交换和发射体器件(10)的方法，所述器件(10)包括：辐射发射部(A)，其具有选择性发射体(1.3)，该选择性发射体(1.3)被配置用于当被加热到高温时主要发射 近红外 线辐射；转换部(B)，其被布置为与所述辐射发射部(A)相邻，并且包括催化涂层，以提供用于表面特定 燃料 燃烧，以最大化 热能 载体(燃料)和辐射发射部(A)之间的热传递；热回收部(F)，其被配置成将热能载体的余热从排出口部(G)传递到入口部(E)，以预先加热由此进入器件(10)的热能载体(燃料)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于将化学制品转换为电磁辐射的燃烧、热交换和发射体器件(10)，所述器件(10)包括： |
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| 说明书全文 | 燃烧、热交换和发射体器件技术领域[0001] 本发明涉及一种燃烧、热交换和发射体器件、用于提供该燃烧、热交换和发射体器件的方法、以及包括该燃烧、热交换和发射体器件的热光伏器件。 背景技术[0002] 由于对电力和甚至更清洁的CO2中性能源的高需求，能量被获取的效率扮演着越来越重要的角色。随着逐渐多的工业化国家以脱离核能生产为目标，对替代能源的需求比以前更大。然而，迄今为止，即使有也很少的实际上可行的替代方案被知晓。许多“传统”可再生能源(诸如，风力涡轮机或太阳能发电厂)具有显著缺点，这妨碍了它们的广泛传播。 [0003] 尽管如此，即使“传统”可再生能源(诸如，风力涡轮机或太阳能发电厂)的这些缺点被解决，仍然存在一个主要问题，即，这些可再生能源经常在与需要电能的非常不同的位置处是可用的。生成位置和电力消费者之间的很大距离要求非常复杂、昂贵且环境不友好的基础设施来传输所产生的电能。此外，不管最近时期这种基础设施的改进如何，在跨长距离传输电能中，仍然存在显著损失。因此，迫切需要分散的发电。换言之，发电的未来在于尽可能接近消费者产生能量。这不仅降低/消除传输损失，而且在保证更高水平的灵活性的同时，使电网再生。 [0004] 对分散的发电有极大兴趣的领域之一是热光伏器件领域，热光伏器件被设计成将存储在燃料中的化学能转换为电磁辐射，并且然后转换为电。然而，现有热光伏器件的相对降低的效率限制了它们的使用和大规模部署。 [0005] 至于效率，这些化学到电能转换器的最有问题的方面之一是化学能到电磁辐射的转换的效率低。化学到电能转换的关键组件是燃烧、热交换和发射体器件，该器件将化学能变换为辐射。可以单独地或在一个组合器件中实现燃烧、热交换和发射体，后者具有降低的损失和紧密度的优点。 [0006] 多种热交换和发射体器件在本领域中已知，其以通过废气的损失热回收或通过在期望谱带使用具有高效率的发射体来提高它们的效率为目标。然而，已知的热交换和发射体器件的制造是复杂并且昂贵的。 [0007] 待解决的技术问题 [0008] 不管热光伏器件的类型和结构如何，都期望到发射体的有效热传递和该热到最佳波长的电磁辐射的有效变换。 [0009] 从而，本发明的目的是提供热交换器和发射体结构，其使得能够进行热的高效传递和热到适合于转换为电能的电磁辐射的变换。此外，除了提供高效率之外，本发明的一个目的是简化并且从而降低这种热交换器和发射体的制造成本。 发明内容[0010] 本发明的以上识别的目的通过用于将化学制品转换为电磁辐射的燃烧、热交换和发射体器件来解决，该器件包括： [0011] -辐射发射部，包括被配置用于当被加热到高温时主要发射近红外线辐射的选择性发射体； [0012] -转换部，被布置为与所述辐射发射部相邻，并且包括催化涂层，以提供用于表面特定燃料燃烧，以最大化热能载体和辐射发射部之间的热传递。 [0013] -热回收部，被配置成将热能载体的余热从排出口部的传递到入口部，以预先加热由此进入燃烧、热交换和发射体器件的热能载体(燃料)。 [0014] 本发明的以上识别的目的还通过一种用于以分层方式生产燃烧、热交换和发射体器件的方法来解决，该方法包括如下步骤： [0015] -设置具有背离燃烧、热交换和发射体器件的外表面、以及内表面的发射体层； [0016] -用例如催化涂层至少部分地涂敷发射体层的所述内表面，以提供用于表面特定燃料燃烧； [0017] -为所述发射体层设置选择性发射体，该选择性发射体被配置用于当它经由所述内表面被加热到高温时，在所述外表面的方向上主要发射近红外线辐射； [0018] -设置预热层； [0019] -接合所述发射体层与所述预热层，以与发射体层的内表面相邻限定燃烧室； [0020] -设置具有散热表面和吸热表面的导热层； [0021] -接合预热层与导热层，以在预热层与导热层之间限定预热室，并且将预热室热连接到所述散热表面； [0022] -设置连接预热室与燃烧室的第一流通通道； [0023] -设置导热阻止层； [0024] -接合所述导热阻止层与导热层，以将热回收室限定为与所述热吸收表面相邻；以及 [0025] -设置连接燃烧室与热回收室的第二流通通道， [0026] 热回收室和预热室被布置和配置，以使得通过散热表面消散由吸热表面吸收的热，以预先加热预热室内的热能载体。 [0027] 有益效果 [0028] 将燃烧、热交换和发射体的特定功能分离为意义明确的多个部，允许每个部充分优选用于特定功能。从而，产生辐射发射部，以在期望谱带中提供最佳发射；转换部被优化以提供用于表面特定燃料燃烧，以最大化热能载体(燃料)和辐射发射部之间的热传递；而热回收部被优化用于最大化来自废气的热回收。将多个功能分离为意义明确的多个部，还允许每个部由具有适用于特定功能的特性的材料生产。 [0029] 此外，多个部的分离允许每个部针对适当标准被生产，通过与其它部分开地提供所述部以生产技术上最需要并且从而昂贵的部(即，包括选择性发射体的辐射发射部)，使得能够特别成本有效地生产燃烧、热交换和发射体器件。 [0030] 以分层方式生产本发明的热交换和发射体器件的特别优选方法允许发射体层与其它层分开地被生产和用催化涂层涂敷。对于发射体层和涂层的制造要求越严格，处理越精细并且技术越昂贵，通过分别生产所有其它层(在要求较少并且从而较便宜的生产环境中)，提供用于本质上改进的成本效率。因为不是所有组件都必须根据相同严格的标准生产，所以分开生产“高精度/高技术”组件还允许生产力的提高。 [0031] 工业可应用性 [0032] 本发明的燃烧、热交换和发射体器件例如在以下方面发现特别有利的可应用性： [0033] -热光伏器件，包括光伏电池，光伏电池被布置为在燃烧、热交换和发射体器件的选择性发射体的辐射方向上与燃烧、热交换和发射体器件相邻，用于生产电能； [0034] -辐射加热器，其中，本发明的燃烧、热交换和发射体器件的选择性发射体的近红外线辐射被用于将热有效地传递到辐射表面。这种辐射加热器在大体积(volume)区域(诸如，制造车间)中特别有利，其中，加热整个体积是不可能的/无效率的。然而，来自本发明的燃烧、热交换和发射体器件的发射体的直接辐射将近红外线辐射直接传递到目标表面(例如，人的皮肤)； [0037] 将在下面通过说明并且通过参考附图，详细地描述本发明的进一步特征和优点，附图示出： [0038] 图1根据本发明的燃烧、热交换和发射体器件的第一实施方式的示意性横截面图； [0039] 图2A根据本发明的燃烧、热交换和发射体器件的特别优选实施方式的立体图； [0040] 图2B具有剖面X的图2A的燃烧、热交换和发射体器件的横截面图； [0041] 图3A根据本发明的燃烧、热交换和发射体器件的特别优选实施方式的分层结构的多层的示意性俯视图；以及 [0042] 图3B 图3A的燃烧、热交换和发射体器件的分层结构的多层的示意性立体图。 [0043] 注意：附图不按比例绘制，被提供仅作为说明，并且仅用于更好理解，而不用于限定本发明的范围。本发明的任何特征的限制都不应该被暗示为形成这些附图。 具体实施方式[0045] 图1示出根据本发明的燃烧、热交换和发射体器件10的第一实施方式的示意性侧面表示。从该图看出，燃烧、热交换和辐射发射的每个功能都被划分为相应部A到G。这允许在存在很少或没有限制的情况下，每个部针对特定功能被优化。 [0046] 辐射发射 [0047] 燃烧、热交换和发射体器件10包括辐射发射部A，辐射发射部A被配置用于将来自燃烧的热主要转换为近红外线辐射。 [0048] 如图2B所示，为了发射辐射，辐射发射部A包括选择性发射体(selective emitter)1.3，选择性发射体1.3被配置用于当被加热到高温时主要发射近红外线辐射。选择性发射体1.3被布置在背离燃烧、热交换和发射体器件10的外表面1.1上。 [0049] 在根据本发明的燃烧、热交换和发射体器件10的最优选实施方式中，选择性发射体1.3包括选择性发射材料，诸如，含稀土层，优选镱氧化物Yb2O3或铂发射体层。可选地或另外，选择性发射体1.3包括选择性发射纳米结构层，诸如，包括耐热金属或陶瓷的光子晶体。 [0050] 在又一实施方式中，选择性发射体1.3包括由选择性发射体材料(诸如，例如镱氧化物Yb2O3)制成的本发明的光子晶体。 [0051] 除了选择性发射体1.3之外，辐射发射部A可以包括光谱整形器，该光谱整形器支持选择性发射体1.4的功能，并且： [0052] -被配置为带通滤波器，用于当选择性发射体1.3被暴露于高温时由选择性发射体1.3发射的辐射的第一最佳谱带；以及 [0053] -被配置为反射器，用于由选择性发射体1.3发射的辐射的进一步非最佳谱带，使得所述第二非最佳谱带辐射被回收作为朝向选择性发射体1.3和/或转换部1.2重定向的辐射。 [0054] 燃烧 [0055] 燃烧、热交换和发射体器件10还包括转换部B，转换部B被布置为与辐射发射部A相邻。转换部B包括例如催化涂层，以提供用于表面特定燃料燃烧，以最大化热能载体(燃料)和辐射发射部A之间的热传递，以将选择性发射体1.3加热到高温。转换部B包括提供足够稳定性的材料，和/或它包括由耐热材料(优选地，由支持表面特定燃料燃烧处理的材料涂敷的陶瓷材料)制成的基底。热能载体(燃料)通过与辐射发射部A连接的入口部E进入燃烧、热交换和发射体器件10。 [0056] 燃料是化学能源，其中，化学能载体优选是化石燃料，诸如，甲醇或氢。 [0057] 如图2B所示，在转换部B内限定燃烧室9。因此，热能载体(燃料)的化学能到热的转换发生在该燃烧室9中，该燃烧室9被布置为与发射部A相邻并且热连接到发射部A。 [0058] 选择性发射体1.3优选关于燃烧室9被配置和布置，以当选择性发射体1.3被加热到高温时，在它的整个外表面1.1上提供基本恒定的辐射。这保证了辐射的最佳使用，并且使得能够以使得光伏电池的整个表面能够进行均匀辐射的特别有效方式在热光伏器件中使用燃烧、热交换和发射体器件10。 [0059] 热交换 [0060] 燃烧、热交换和发射体器件10的第三个主要功能通过热回收部F提供，热回收部F被配置成将来自排出口部G(在从转换部B出去之后)的热能载体的余热传递到入口部E，以预先加热借此进入器件10的热能载体(燃料)。这样，由于热损失被最小化，燃烧、热交换和发射体器件10的效率被大大提高，并且由于在燃料进入转换部B之前在入口部E中被预先加热，改善了燃烧室9中的表面特定燃烧。 [0061] 热管理 [0062] 为了最小化到器件10外面的热损失，与器件10的排出口部G相邻设置导热阻止部C。与排出口G相邻的导热阻止部C允许热能载体的更高比例的余热被有效地用于预先加热进入入口部E中的燃料。 [0063] 此外，为了防止转换部B的热还被传递到入口部E(这将降低燃烧室9中的温度，并且从而降低效率)，可以在所述入口部E和所述转换部B之间设置又一导热阻止部C。所述入口部E和所述转换部B之间的该又一导热阻止部C优选包括热反射器层，热反射器层被配置成分别反射转换部B内的热和入口部E内的热。与使用吸热材料相比，通过在又一导热阻止部C中使用反射层，能量损失在很大程度上被最小化，并且防止了器件10的不必要加热。 [0064] 为了将热能载体的余热从排出口部G传导到入口部E，在热回收部F内，在排出口部G和入口部E之间设置导热部D。 [0065] 在下文中，将参考如图2A到图3B中所示的燃烧、热交换和发射体器件10的特别优选的分层结构，描述由燃烧、热交换和发射体功能的分离得到的本发明的优点。然而，需注意，除了分层结构之外，在不脱离本发明的概念的情况下，可以设想燃烧、热交换和发射体器件10的每个部的其它模块化结构。 [0066] 图2A示出为分层结构的燃烧、热交换和发射体器件10的这种特别优选的实施方式的立体图。该分层结构使得每一层都能够被独立地生产，每一层都被生产为所要求的精度标准。由于仅最复杂部(也就是，具有选择性发射体1.3的辐射发射部A和具有催化涂层的转换部B)可以独立于较少技术要求的部被生产，所以燃烧、热交换和发射体器件10的该发明结构提供用于主要成本降低。 [0067] 图2B示出具有图2A的燃烧、热交换和发射体器件10的剖面X的、很好地示出了它的分层结构的横截面图。 [0068] 在辐射发射部A内，设置具有背离器件10的外表面1.1的发射体层1。外表面1.1至少部分地限定辐射发射部A，然而它的内表面1.2至少部分地限定转换部B。 [0069] 在转换部B内，与发射体层1的内表面1.2相邻限定燃烧室9。 [0070] 导热层5设置有朝向所述入口部E布置的散热表面5.1和朝向所述排出口部G布置的吸热表面5.2，导热层5至少部分地限定热回收部F。 [0071] 燃烧、热交换和发射体器件10的分层结构还包括与所述排出口部G相邻的导热阻止层6，导热阻止层6被布置成最小化到设备10外部的热损失。 [0072] 为了提供用于预先加热进入燃烧、热交换和发射体器件10的燃料的空间，在热回收部F的入口部E内限定了预热室15，该预热室15被热连接到所述散热表面5.1。 [0073] 预热室15通过第一流通通道13.1连接到燃烧室9。 [0074] 为了提供针对废燃料将它的余热传递到吸热表面5.2的空间，在热回收部F的排出口部G内在所述吸热表面5.2和导热阻止层6之间限定了热回收室11。 [0075] 燃烧室9通过第二流通通道13.2与热回收室11连接。 [0076] 如图2B示意性示出的(利用连续波动箭头)，热回收室11和预热室15被布置和配置，以使得通过散热表面5.1消散由吸热表面5.2吸收的热，从而在预热室15内预先加热热能载体(燃料)。 [0077] 图2A到图3B示出了特别优选的实施方式，其中，在发射体层1和导热层5之间设置燃烧层2，用于至少部分地限定燃烧室9。另外，在发射体层1和导热层5之间设置导热阻止层3，该又一导热阻止层3使预热室15与燃烧室9分离，并且分别至少部分地限定第二流通通道 13.2、第一流通通道13.1。 [0078] 可以在发射体层1和导热层5之间提供又一导热阻止层3，该又一导热阻止层3使预热室15与燃烧室9分离，以防止转换部B中的热还被传递到入口部E(这将降低燃烧室9中的温度，并且从而降低效率)。该又一导热阻止层3还分别至少部分地限定第二流通通道13.2、第一流通通道13.1。 [0080] 如图2B所示，预热室15、第二流通通道13.2、燃烧室9、第一流通通道13.1以及热回收室11在器件10内形成基本恒定横截面的弯曲状通道。这提供用于燃料经过器件10的最佳流动，允许有效预先加热、以及燃料的燃烧和排放，同时从废气回收余热。 [0081] 可选地，为了降低热损失，燃烧、热交换，发射体器件10(除了辐射发射部A的外表面1.1之外)可以设置有绝缘层。 [0082] 图3A和图3B分别示出顶视图和立体图，描述如由根据本发明的方法设置的燃烧、热交换和发射体器件10的第一层到第七层，所述方法包括以下步骤： [0083] -设置具有背离燃烧、热交换和发射体器件10的外表面1.1、以及内表面1.2的发射体层1； [0084] -用催化涂层至少部分地涂敷发射体层1的所述内表面1.2，以提供用于表面特定燃料燃烧； [0085] -向所述选择性发射体层1设置选择性发射体1.3，选择性发射体1.3被配置用于当选择性发射体1.3经由所述内表面1.2被加热到高温时，在所述外表面1.1的方向上主要发射近红外线辐射； [0086] -设置预热层4； [0087] -接合所述发射体层1与预热层4，以与发射体层1的内表面1.2相邻限定燃烧室9； [0088] -设置具有散热表面5.1和吸热表面5.2的导热层5； [0089] -接合预热层4和导热层5，以在它们之间限定预热室15，并且将预热室15热连接到所述散热表面5.1； [0090] -设置将连接预热室15和燃烧室9的第一流通通道13.1； [0091] -设置导热阻止层7； [0092] -接合所述导热阻止层7与导热层5，以将热回收室11限定为与所述吸热表面5.2相邻；以及 [0093] -设置连接燃烧室9和热回收室11的第二流通通道13.2。 [0094] 在完成本发明的方法之后，在图2A中示出燃烧、热交换和发射体器件10的完成结构，热回收室11和预热室15被布置和配置成使得通过散热表面5.1消散由吸热表面5.2吸收的热，以在预热室15内预先加热热能载体燃料。 [0095] 为了生产如图2A到图3B所示的本发明的燃烧、热交换和发射体器件10的特别优选的实施方式，所述方法还包括以下步骤： [0096] -在发射体层1和导热层5之间设置燃烧层2，燃烧层2被配置和布置成至少部分地限定所述燃烧室9； [0097] -在发射体层1和导热层5之间设置又一导热阻止层3，该又一导热阻止层3使所述预热室15与燃烧室9分离；该又一导热阻止层3被布置和配置成至少部分地限定所述第二流通通道13.2，并且至少部分地限定所述第一流通通道13.1；以及 [0098] -在导热层5和导热阻止层7之间设置输出层6，输出层6被布置和配置为至少部分地限定热回收室11。 [0099] 用于生产燃烧、热交换和发射体器件10的方法如图3A和图3B所示那样关于彼此配置和布置多层，使得预热室15、第二流通通道13.2、燃烧室9、第一流通通道13.1、以及热回收室11形成具有基本恒定横截面的弯曲状通道。 [0101] 参考列表： [0102] 燃烧、热交换和发射体器件 10 [0103] 辐射发射部 A [0104] (热能到热)转换部 B [0105] 导热阻止部 C [0106] 导热部 D [0107] (热能载体)入口部 E [0108] 热回收部 F [0109] 排出口部 G [0110] 发射体层 1 [0111] 外表面 1.1 [0112] 内表面 1.2 [0113] 选择性发射体 1.3 [0114] 燃烧层 2 [0115] 又一导热阻止层 3 [0116] 预热层 4 [0117] 导热层 5 [0118] 散热表面 5.1 [0119] 吸热表面 5.2 [0120] 输出层 6 [0121] 导热阻止层 7 [0122] 热反射表面 7.1 [0123] 燃烧室 9 [0124] 热回收室 11 [0125] 流通通道 13 [0126] 第二流通通道 13.2 [0127] 第一流通通道 13.1 [0128] 预热室 15 [0129] 输入开口 25 [0130] 出口 27 |
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