CN102231612A - 一种聚光光伏发电单元、发电装置及发电*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能光伏发电技术，公开了一种聚光光伏发电单元、发电装置及发电***。其中，聚光光伏发电单元包括水箱、热管、聚光接收器，位于聚光接收器下方的光伏电池；所述热管的热端接触所述光伏电池的背面，冷端伸入所述水箱中；以阵列方式安装在太阳能二维跟踪装置上的多个聚光光伏发电单元组成聚光光伏发电装置；多个聚光光伏发电装置连接烟囱式空气换热发电***形成聚光光伏发电***。本发明聚光比高，跟踪精度高，抗风能力强，将太阳能光伏发电和换热发电进行了有效的综合，能够大幅提高单位采光面积的光线利用率和光伏电池的发电效率。

Description

一种聚光光伏发电单元、发电装置及发电***

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术，特别涉及一种聚光光伏发电单元、发电装置及发电***。

背景技术

太阳每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，地球表面0.1％的太阳能转为电能，转变率5％时，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。因此，太阳能资源丰富，光伏发电产业发展前景非常大。

目前，平板式硅光伏电池发电装置不跟踪太阳，技术成熟度高，可靠性高，但是，照射电池的光线最大只有一个光强，光线利用率低，发电成本高，产业发展需要依靠国家财政补贴才能生存。此外，平板式硅光伏电池发电一般建设在旷野，用地广。

聚光光伏发电装置单位面积发电量大，但是，在现有技术聚光比为500倍左右时，其发电成本与硅电池平板式光伏发电比较没有明显优势。目前，三节砷化镓电池能够承受2000倍左右的聚光比，理论上可以显著提高发电效率，降低发电成本；但是，电池散热采用传统的水冷方式，水冷设备成本激增，综合成本优势不大。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种聚光光伏发电单元，能够提高聚光比，减低电池的冷却成本，提高单位面积的发电效率。

本发明的另一个目的在于提供一种聚光光伏发电装置，基于上述聚光光伏发电单元，能够解决高聚光比情况下二维跟踪的跟踪精度、稳定性问题和电池散热问题。

本发明的第三个目的在于提供一种聚光光伏发电***，基于上述聚光光伏发电装置，能够充分利用其热能进一步进行发电。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(1)一种聚光光伏发电单元，其特征在于，包括水箱、热管、聚光接收器，位于聚光接收器下方的光伏电池；所述热管的热端接触所述光伏电池的背面，冷端伸入所述水箱中。

该技术方案的聚光接收器可以为设置有菲涅尔透镜的光漏斗。

该技术方案的聚光接收器的进一步改进为，所述聚光接收器包含聚光器、反射器、光收缩器，反射器设置在所述聚光器上部中心，光收缩器设置在所述聚光器底部中心，收集光线，照射所述光伏电池；其更进一改进为，所述聚光器内表面为开口向上的抛物面，所述反射器内表面为开口向下的抛物面，上述两抛物面焦点重合，所述光收缩器的上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通。

上述技术方案中，通过热管传递光伏电池本体产生的热量被水带走，实现光伏电池的散热，其冷却效率明显高于传统的自然风冷方式；因此，可以通过提高聚光接收器的聚光比，能够大幅提高单位采光面积的光线利用率和光伏电池的发电效率。

(2)一种聚光光伏发电装置，其特征在于，包括太阳能二维跟踪装置，以及以阵列方式安装在太阳能二维跟踪装置上的多个聚光光伏发电单元。

该技术方案的特点在于：所述太阳能二维跟踪装置包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角跟踪机构，绕与地面水平轴转动的高低方位角跟踪机构；

所述的东西方位角跟踪机构，包括底座，固定在底座中心的垂直轴，套在垂直轴上的轴套，固定在轴套下端的轮体，固定在轮体圆周的齿环，与齿环啮合的第一主动齿轮，以及驱动第一主动齿轮的第一电机，所述第一电机固定在底座上；

所述高低方位角跟踪机构，包括固定在轴套上端的框架，框架的平面通过横梁和纵梁分成多个对称空间，每个空间通过转轴安装有一个单元阵列架，转轴设置在单元阵列架的两侧中部，每个单元阵列架上设置聚光光伏发电单元，框架的横梁上设置有第二电机，第二电机的轴上固定有第二主动齿轮，横梁两边的上下相邻的两个单元阵列架的端部分别固定有齿弧，该齿弧与所述第二主动齿轮啮合。

上述技术方案采用太阳能二维跟踪装置，在高聚光比情况下可以提高二维跟踪的稳定性；并且，太阳能二维跟踪装置采用齿环和齿弧，其跟踪精度高；此外，聚光光伏发电单元中采用包含聚光器、反射器、光收缩器的聚光接收器，因其高度小于设置有菲涅尔透镜的光漏斗的高度，对太阳能二维跟踪装置的跟踪精度要求低。因此，太阳能二维跟踪装置能够满足在高聚光比情况下的二维跟踪稳定性和精度要求。

上述技术方案中，聚光光伏发电单元中采用包含聚光器、反射器、光收缩器的聚光接收器，太阳能二维跟踪装置采用单元阵列架，可以减少风阻。

(3)一种聚光光伏发电***，其特征在于，包括烟囱式空气换热发电***和多个聚光光伏发电装置，

所述烟囱式空气换热发电***，包括竖直的烟囱，位于烟囱底部的空气腔和连通热源的热腔，冷端位于空气腔、热端位于热腔的热管组，以及位于空气腔出口和烟囱入口之间的涡轮发电机；所述空气腔设置有空气进口；所述空气腔和热腔为钟形嵌套结构，其夹层为空气腔，内部为热腔，热腔底部具有热水池；所述热管组的热端伸入热水池中；

所述聚光光伏发电装置中，其聚光光伏发电单元的水箱设置有入口和出口，水箱入口连接有供水装置，水箱出口连通所述烟囱式空气换热发电***中的热水池。

上述技术方案中，供水装置可以是水塔、冷却水泵或循环水泵。上述技术方案将太阳能光伏发电和太阳能热发电进行了有效的综合，能够大幅提高单位采光面积的光线利用率和光伏电池的发电效率。

附图说明

图1为本发明的一种聚光光伏发电单元的结构示意图；

图2为本发明的另一种聚光光伏发电单元的结构示意图；

图3为本发明的一种聚光光伏发电装置的结构示意图；

图4为聚光光伏发电装置中高低方位角跟踪机构的俯视示意图；

图5为烟囱式空气换热发电***的结构原理图；

图6为本发明的聚光光伏发电***的连接示意图。

图中：1、聚光接收器；101、聚光器；102支架；103反射器、104、光收缩器；2、光伏电池；3、热管；4、水箱；5、连接架；6、水泥基座；7、齿环；8、第一主动齿轮；9、第一电机；10、框架；11、单元阵列架；12、聚光光伏发电单元；13、第二主动齿轮；14、齿弧；15、第二电机；16、转轴；17、轴套，18、垂直轴，19、轮体，20、轴承，21、底座；22、烟囱式空气换热发电***；2201烟囱；2202、空气腔；2203、热腔；2204、涡轮发电机；2205、散热器；2206、空气进口；2207、管道；2208、热水池；209、热管组；23、聚光光伏发电装置。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种聚光光伏发电单元，它主要包括水箱4、热管3、聚光接收器1，和位于聚光接收器1下方的光伏电池2。其中，聚光接收器1为设置有菲涅尔透镜的光漏斗，光漏斗出口设置光伏电池2，光漏斗的侧方设置有水箱4，水箱4通过连接架5与光漏斗本体连接。热管3的热端接触光伏电池2的背面，冷端伸入水箱4中进行冷却，冷端位置不低于热端位置。

参照图2，为本发明的另一种聚光光伏发电单元，其结构与图1所示的聚光光伏发电单元不同的是聚光接收器1。该聚光接收器1包含聚光器101、反射器103、光收缩器104，反射器103通过支架102或透光玻璃设置在聚光器101上部中心，光收缩器104设置在聚光器101底部中心。其中，聚光器101内表面为开口向上的抛物面，反射器103内表面为开口向下的抛物面，上述两抛物面焦点重合；光收缩器104的上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通；光线首先经过聚光器101向上反射到反射器103，反射器103然后向下反射到光收缩器104，光收缩器104收集光线，照射光伏电池2。聚光器101的侧方设置水箱4，水箱4通过连接架5与聚光器101本体连接。热管3的热端接触光伏电池2的背面，冷端伸入水箱4中进行冷却，冷端位置不低于热端位置。上述结构相比光漏斗，结构紧凑，缩短了聚光接收器的高度，与相应的太阳能二位跟踪装置配合时，对太阳能二维跟踪装置的跟踪精度要求低。此外，支架102上可以设置透光玻璃，可以防止灰尘和雨水侵入，延长聚光光伏发电单元的寿命。

参照图3、图4，本发明的一种聚光光伏发电装置，包括太阳能二维跟踪装置，以及以阵列方式安装在太阳能二维跟踪装置上的聚光光伏发电单元12。

该太阳能二维跟踪装置，包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角跟踪机构，绕与地面水平轴转动的高低方位角跟踪机构。其中，东西方位角跟踪机构，包括底座21，固定在底座21中心的垂直轴18，套在垂直轴18上的轴套17，固定在轴套17下端的轮体19，固定在轮体19圆周的齿环7，与齿环7啮合的第一主动齿轮8，以及驱动第一主动齿轮8的第一电机9，所述第一电机9固定在底座21上；高低方位角跟踪机构，包括固定在轴套17上端的框架10，框架10的平面通过横梁和纵梁分成多个对称空间，每个空间通过转轴16安装有一个单元阵列架11，转轴16设置在单元阵列架11的两侧中部，每个单元阵列架11上设置聚光光伏发电单元12，框架10的横梁上设置有第二电机15，第二电机15的轴上固定有第二主动齿轮13，横梁两边的上下相邻的两个单元阵列架11的端部分别固定有齿弧14，该齿弧14与所述第二主动齿轮13啮合。上述技术方案中，齿环7和齿弧14可以采用蜗轮形式，第一主动齿轮8和第二主动齿轮13可以采用蜗杆。具体太阳能二维跟踪装置的原理与申请人的发明专利ZL200810150017.X(专利名称为：一种太阳能二维跟踪装置)相同。

其中，多个聚光光伏发电单元12中的水箱可以分别安装在单元阵列架上；或者多个聚光光伏发电单元12共用一个安装在单元阵列架上的水箱。

参照图5，为烟囱式空气换热发电***，其中包括竖直的烟囱2501，位于烟囱2501底部的空气腔2502和连通热源的热腔2503，冷端位于空气腔2502、热端位于热腔2503的热管组2509，以及位于空气腔2502出口和烟囱2501入口之间的涡轮发电机2504；空气腔2502设置有空气进口2506。空气腔2502和热腔2503为钟形嵌套结构，其夹层为空气腔2502，内部为热腔2503，热腔2503底部具有热水池2508，热管组2509的热端伸入热水池2508中，管道2507用于通入热水。具体烟囱式空气换热发电***的原理与申请人的发明专利申请201110111786.0(专利申请名称为：一种烟囱式空气换热发电装置)相同。

参照图6，为本发明的聚光光伏发电***，其中，烟囱式空气换热发电***25可以和多个聚光光伏发电装置26连接，具体连接是：聚光光伏发电装置26中，安装在单元阵列架上的水箱设置有入口和出口，水箱入口连接有供水装置，水箱出口连通烟囱式空气换热发电***25中的热水池。供水装置可以是水塔、冷却水泵或循环水泵，其中的水可以是循环水或外来补给水。

本发明的技术方案，将太阳能光伏发电和太阳能热发电进行了有效的综合，能够大幅提高单位采光面积和单位光伏电池面积的发电效率。尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (7)

1.一种聚光光伏发电单元，其特征在于，包括水箱、热管、聚光接收器，位于聚光接收器下方的光伏电池；所述热管的热端接触所述光伏电池的背面，冷端伸入所述水箱中。

2.根据权利要求1所述的聚光光伏发电单元，其特征在于，所述聚光接收器为设置有菲涅尔透镜的光漏斗。

3.根据权利要求1所述的聚光光伏发电单元，其特征在于，所述聚光接收器包含聚光器、反射器、光收缩器，反射器设置在所述聚光器上部中心，光收缩器设置在所述聚光器底部中心，收集光线，照射所述光伏电池。

4.根据权利要求3所述的聚光光伏发电单元，其特征在于，所述聚光器内表面为开口向上的抛物面，所述反射器内表面为开口向下的抛物面，上述两抛物面焦点重合，所述光收缩器的上部为圆锥形孔，下部为圆柱形孔，该圆锥形孔和圆柱形孔同轴连通。

5.一种聚光光伏发电装置，其特征在于，包括太阳能二维跟踪装置，以及以阵列方式安装在太阳能二维跟踪装置上的多个根据权利要求1所述的聚光光伏发电单元。

6.根据权利要求5所述的聚光光伏发电装置，其特征在于，所述太阳能二维跟踪装置包括：绕与地面垂直轴转动的东西方位角跟踪机构，绕与地面水平轴转动的高低方位角跟踪机构；

所述的东西方位角跟踪机构，包括底座，固定在底座中心的垂直轴，套在垂直轴上的轴套，固定在轴套下端的轮体，固定在轮体圆周的齿环，与齿环啮合的第一主动齿轮，以及驱动第一主动齿轮的第一电机，所述第一电机固定在底座上；

所述高低方位角跟踪机构，包括固定在轴套上端的框架，框架的平面通过横梁和纵梁分成多个对称空间，每个空间通过转轴安装有一个单元阵列架，转轴设置在单元阵列架的两侧中部，每个单元阵列架上设置聚光光伏发电单元，框架的横梁上设置有第二电机，第二电机的轴上固定有第二主动齿轮，横梁两边的上下相邻的两个单元阵列架的端部分别固定有齿弧，该齿弧与所述第二主动齿轮啮合。

7.一种聚光光伏发电***，其特征在于，包括烟囱式空气换热发电***和多个根据权利要求5所述的聚光光伏发电装置；

所述烟囱式空气换热发电***，包括竖直的烟囱，位于烟囱底部的空气腔和连通热源的热腔，冷端位于空气腔、热端位于热腔的热管组，以及位于空气腔出口和烟囱入口之间的涡轮发电机；所述空气腔设置有空气进口；所述空气腔和热腔为钟形嵌套结构，其夹层为空气腔，内部为热腔，热腔底部具有热水池；所述热管组的热端伸入热水池中；

所述聚光光伏发电装置中，其聚光光伏发电单元的水箱设置有入口和出口，水箱入口连接有供水装置，水箱出口连通所述烟囱式空气换热发电***中的热水池。

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