CN102347711A - 太阳能热、电联合吸收器 - Google Patents

Abstract

本专利是一种太阳能热、电联合吸收器。本专利的太阳能热、电联合吸收器利用一个内装光电池的光能热、电吸收腔，将太阳能转换为电能和热能，且提高了光-电和光-热的转换率。本吸收器可提供100℃以上的高温，从而可提高储热的质和量。本吸收器结构较紧凑，体积较小，可作为家用太阳能装置，或以集群方式工作。

Description

太阳能热、电联合吸收器

技术领域：本发明的太阳能吸收器是一种太阳能热、电联合吸收器。

背景技术：目前的家用太阳能热水器是一种直晒式常压热水装置，水温不超过100℃。一次加热只能提供1、2天的家用热水。

目前的光电池是一种较常见的太阳能发电设备，但其对太阳能的利用率却很低。

发明内容：本发明提供了一种高效的太阳能热、电联合吸收器。这是一种可获得较高的工作温度，并可同时获得电流，且其光电池利用的综合效率也会高于普通光电池的利用方式的太阳能设备。

本发明是这样工作的：先利用聚光装置汇聚阳光，然后注入一个太阳能热、电联合吸收腔(下称光能吸收腔)内，在获得热能内的同时，也获得电能。

附图说明与具体实施方式：

图1.聚光装置光学原理图；

图2.热、电联合吸收腔原理图；

图3.吸收装置结构原理图；

图4.太阳能热、电联合吸收器结构原理图；

图5.超温安全装置结构原理图

图1.：聚光装置，其断面形状如漏斗，其中，A-B-C与A`-B`-C`是聚光装置的两面反光体，漏斗底口A`-A是聚光装置的受光面宽为a，两反光体对置于与入射光线平行的中轴线(下称中轴线)，反光体有两段或多于两段，并由外向受光面倾斜，每段相对于中轴线的倾角(下称倾角)亦不同。图中带箭头的直线为入射光线或其反射线，虚线(f)为反光体的法线。

当反光体由多于两段反光体组成时，其第三段及以后各段反光体的宽度会迅速增加，从而导致聚光装置体积和材料的迅速增加，现以由两段反光体A-B-C及A`-B`-C`组成的聚光装置进行分析。

先考察一面反射体A-B-C第一段A-B，已知底口的受光面宽为a，设反光体的倾角为α₁，反光体A-B的宽为m₁，其可获得的等效光照面宽为b₁，反射光与受光面A-A`的夹角为β₁。

在A-B段上的最远端B点上，当反光体与入射光的夹角由0变大时，其反射线与A-A`的连线的交点o点也将从A点向A`移动直至与A`重合。如果α继续增大，反射光将不能进入受光面，即此时的α即为α₁是宽为m₁的反射体的最大倾角。

∵  β₁＝π/2-2α₁

而  a/sinα₁＝m₁/sinβ₁

    b₁＝m₁.sinα₁；

＝＞m₁＝a.cos2α₁/sinα₁

    b₁＝a.cos2α₁；

对于第二段反光体B-C，其下端与A-B段连接，上端为C点。设第二段反光体的倾角为α₂，C点反射的光线到达接受面A`点，其与受光面所成夹角为β₂，该段反射体宽为m₂，等效光照面宽为b₂。

在B点处，欲使该点的反射光线以最小角度，即沿着第一段反光体表面到达受光面，则该段反光体之倾角α₂必为α₁的一半。

即：α₂＝1/2α₁

过B点做A`-A的平行线，与C点的反射线交于B``，有：

β₂＝π/2-2α₂

∵  a/sinα₂＝m₂/sinβ₂

    b₂＝m₂.sinα₂

＝＞m₂＝a.cosα₁/sin(1/2α₁)

    b₂＝a.cosα₁

当α₁足够小时，将第二段反光体的宽度增加m₃，使其最高点D的反射光经反光体A`-B`反射后到达A点，将再增加一等效受光面b₃。

过C点做C-C``//A-A`及C-D``//A`-B`，C-D`与D点的反射线交于一点D`，取C-C``＝a，连接点D`与点C``得一△CC``D`。可以证明，△CC``D`≌△AA``D`。

由△CC``D`与△CDD`及：

   γ＝π-(α₁+2α₂)＝π-2α₁

   δ＝α₁+2α₂＝2α₁

   θ＝π/2-(α₁+δ)＝π/2-3α₁

有：d＝a.sinθ/sinδ；

    m₃＝d.sinγ/sinα₂；

    b₃＝m₃.sinα₂；

＝＞b₃＝a.sinθ.sinγ/sinδ

∴  b₃＝a.cos3α₁；

综合以上三段反光体的有效光照面可得到聚光装置总的有效光照面设为H。则：H＝a+2(b₁+b₂+b₃)＝a+2a(coscα₁+cos2α₁+cos3α₁)；

若令：α1＝30°   25°    20°    15°    10°

则：   H≈3.7a    4.6a    5.4a    6.1a    6.6a

       m1≈a      1.5a    2.2a    3.3a    5.4a

       m2≈3.3a   4.2a    5.4a    7.4a    11.3a

综合上述可知，为获得较高的等效光照面，可取较小的α₁(但α₁如果取值过小，会使反射体的材料增加很多，且对工艺的要求也将提高)，且第二段反光体的最佳倾角应是第一段反光体倾角的一半，第一段反光体的倾角不应大于30°。

当α₁等于20°时的聚光装置可获得超过自然光照面近5倍的等效光照，m₁、m₂也比较适中，其综合效果较好。这种聚光装置结构紧凑，工艺简单，成本较低，适用于单户型或其它规模的太阳能***。

图2.：光能吸收腔(下称：吸收腔)，吸收腔内径为D，位于聚光装置之下，光线入射窗口(下称：光窗口)即为漏斗型聚光装置的底口，宽度为a。其横断面近似圆形。其中第一个实施例除窗口为透明材料，其余均可用金属材料制作，第二个实施例用透明材料制作。其中：(1)-光窗口；(2)-反光体；(3)-光电池电源线：(4)真空套管；(5)-吸热管；(6)-光电池；(7)-光能吸收腔；(8)-锯齿状内壁；(9)-光窗口透明盖玻；(10)-盖玻气密组件；(11)-光电池电源线套管；f_y-圆形管壁法线；f_c-齿形管壁面法线；g_r-入射光，边上所标数字为入射光束的角度；g_f-反射光，边上所标数字为其原始入射光束的角度，带上标“`”的是经锯齿状壁矫正的反射光束。

光能吸收腔是本发明的核心部件，其工作原理是，使注入光能吸收腔的阳光被多次反射并吸收，从而提高对光能的总的吸收率。在光能吸收腔中，只要按一定比例调整其中敷设的光电池板，即可实现不同的热、电吸收比例，或者增加第一个实施例敷设光电池板的腔壁的光反射率，则可获得加强型的光电池吸收腔。

设若材料对光能的吸收率(下称吸收率)为ρ，则其总的吸收率设为ρ_Z，注入吸收腔的光能总量为w_z，而w_n为发生n次光反射后被吸收的光能(其中n＝1、2、3.....n为自然数)，ρ_n是n次反射后的总吸收率则：

ρ_n＝(w₁+w₂+w₃+w₄+......+w_n)/w_z

∵w₁＝ρw_z

w₂＝(w_z-w₁)ρ＝(ρ-ρ²)w_z

w₃＝(w_z-w₁-w₂)ρ＝(ρ-2ρ²+ρ³)w_z

w₄＝(w_z-w₁-w₂-w₃)ρ＝(ρ-3ρ²+3ρ³-ρ⁴)w_z

w₅＝(w_z-w₁-w₂-w₃-w₄)ρ＝(ρ-4ρ²+6ρ³-4ρ⁴+ρ⁵)w_z

相应的，有：

ρ₁＝ρ

ρ₂＝(w₁+w₂)/w_z＝2ρ-ρ²；

ρ₃＝(w₁+w₂+w₃)w_z＝3ρ-3ρ²+ρ³

ρ₄＝(w₁+w₂+w₃+w₄)/w_z＝4ρ-6ρ²+4ρ³-ρ⁴

ρ₅＝(w₁+w₂+w₃+w₄+w₅)/w_z＝5ρ-10ρ²+10ρ³-5ρ⁴+ρ⁵

ρ₆＝(w₁+w₂+......+w₆)/w_z＝6ρ-15ρ²+20ρ³-15ρ⁴+6ρ⁵-ρ⁶

设材料对光能的吸收率ρ分别为0.15、0.3、0.5、0.8，可求得：

ρ	ρ1	ρ2	ρ3	ρ4	ρ5	ρ6
							0.15	0.15	0.28	0.38	0.48	0.56	0.62
0.3	0.3	0.51	0.657	0.76	0.831	0.898
							0.5	0.5	0.75	0.875	0.937	0.968	0.984
0.8	0.8	0.96	0.992	0.998	0.999	0.999

从上述计算可知，当材料本身的ρ值不高时，当其在光能吸收腔内进行了6次或以上的反射吸收后，其总的吸收率较之原值将有数倍的提高。而当材料的吸收率在0.5以上时，总吸收率已近于1。

本发明的高效光能吸收腔就是根据上述原理设计，见图2.所示。当光能吸收腔的内径D与光窗口的宽度a之比D/a＞3时，比较容易达到上述要求，但D过大不但使装置体积增大，还使实际光照密度下降到自然光照甚至更低的水平。

本设计采用的D/a＜2。采用较低的D/a比，一是保证了较高的光照密度，二是可获得较小的装置体积。但在图中可以看到，在较低的D/a比之下，如果采用不加修改的纯圆形内壁的光能吸收腔，很大部分光线会在经一或两次反射即反射出光能吸收腔外。为达到提高入射光在光能吸收腔内的反射次数，又不加大光能吸收腔直径目的，本发明将光能吸收腔的内壁按一定规律(由具体采用的D与a值确定)设置成锯齿状。从而使大部分入射光在光能吸收腔内的反射次数大大增加，使总吸收率也大幅增加。

图3.为吸收装置，根据使用的不同光能吸收腔可分为两种实施例。图中：(12)-高温工质汇流总管；(13)-高温工质汇流支管；(14)-保温层；(15)-低温工质输送支管；(16)-过渡段；(17)-高温工质输送软管；(18)-软管保温层；(19)-低温工质输送软管；(20)-低温工质分配总管；

图4.为太阳能光、电联合吸收器，图中：(21)-安装架；(22)-太阳跟踪传感器；(23)-聚光装置安装座；(24)-跟踪装置驱动轮；(25)-半圆形轨道；(26)-电动驱动器；(27)-倾角调整装置；(28)-回转轴；(29)-控制器；(30)-台架；(31)-聚光装置；(32)-聚光装置上固定器；(33)-排水管；(34)超温安全装置。

图5.为超温安全装置结构原理图，该安全装置的卷帘与护罩安装在聚光装置上端，作动筒安装在集热器的高温汇流腔内。装置由以下构件组成：(35)-摆臂回位弹簧(36)-摆臂；(37)-卷帘罩；(38)-卷帘；(39)-报警微动电开关；(40)-活塞；(41)-钢丝绳；(42)-滑轮；(43)-形状记忆合金弹簧；(44)-液面；(45)-导杆；(46)-作动筒。

太阳能热、电联合吸收器是这样工作的：聚光装置(31)将汇聚的日光注入其下的光能吸收腔(7)，进入光能吸收腔的阳光，在腔内被多次反射、吸收，其中部分光能被光电池(6)吸收，产生的电流由电源线(3)送出。另一部分光能则加热吸热管(5)内的工质，热工质上升经高温工质汇流支管(13)进入高温工质汇流总管(12)，再经高温工质输送软管(17)送入储热装置中。而低温工质则经由低温工质输送软管(19)，进入低温工质分配总管(20)，再经由低温工质分配支管(15)、过渡段(16)补充到吸热管内。

对太阳的跟踪由太阳跟踪传感器(22)、电动驱动器(26)与控制器(29)配合完成，晚间，太阳跟踪装置将使太阳能热、电联合吸收器回到早晨的初始位置。当光能吸收腔的温度过高时，控制器应使装置往前偏离最佳对日位置。

吸收装置的倾角可由倾角调整装置(27)调整。

在发生***失电故障时，如果此时***温度超过极限温度，则超温安全装置将动作，避免***温度进一步上升。安全装置是这样工作的：当高温工质汇流总管(12)的温度超过极限温度时，安装在汇流总管内的超温安全装置作动筒(46)内的形状记忆合金弹簧(43)伸长，推动滑套在导杆(45)上的活塞

(40)向前滑动并牵引钢丝绳(41)，通过钢丝绳带动摆臂(36)转动，抬起卷帘罩(37)释放出卷帘罩内的卷帘(38)，展开的卷帘遮挡住聚光装置(31)，从而使***温度不再上升。卷帘滑落时压下报警微动开关(39)，当***重新得电时即可向用户报警，卷帘在排除故障后可手动复位。

Claims (6)

1.一种太阳能热、电联合吸收器，吸收器即能获得高温亦可同时获得电流，其特征是：吸收器的光能吸收腔(7)横剖近似圆形，其上安置一漏斗型聚光装置(31)，其中第一个实施例光能吸收腔除光窗口(1)外，均可用金属制作，而光电池(6)敷设在光能吸收腔内壁，第二个实施例由透明材料制作，其光电池敷设在光能吸收腔的外壁上，聚光装置将汇聚的阳光经光口注入光能吸收腔，在腔内可被多次反射、吸收。

2.根据权利要求1.的太阳能热、电联合吸收器，其特征是：光能吸收腔的直径与其光窗口(1)的宽度之比小于2，且光能吸收腔具有可矫正入射光的反射路径，使光线在腔内的反射次数大大增加的锯齿状内壁(8)。

3.根据权利要求1.的太阳能热、电联合吸收器，其特征是：光能吸收腔(7)的光窗口(1)上安置的聚光装置由对置的两组由数段有不同的倾角的由外向光窗口倾斜的反光体(2)构成。

4.根据权利要求1.和3.的太阳能热、电联合吸收器，其特征是：聚光器(31)的反光体(2)的第一段的倾角不大于30度，第二段的最佳倾角等于第一段的倾角的一半，聚光器的有效光照面H与光窗口的宽度a、反光体第一段的倾角α₁之间满足下式：H＝a+2a(cosα₁+cos2α₁+cos3α₁)。

5.根据权利要求1.的太阳能热、电联合吸收器，其特征是：聚光装置(31)上端之安装架(21)上安装有超温安全装置(34)，当太阳能热电联合吸收器温度超过上限时，安全装置将展开卷帘遮挡聚光装置。

6.根据权利要求1.和5.的太阳能热、电联合吸收器，其特征是：安装在高温工质汇流总管(12)里的安全装置作动筒(46)内，装有形状记忆合金弹簧(43)，并通过钢丝绳(41)带动摆臂(36)以操纵卷帘罩(37)。

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