CN104633954A - 一种太阳能光热光电分频利用*** - Google Patents

一种太阳能光热光电分频利用*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种太阳能光热光电分频利用***，属于太阳能热电联用技术领域。该***包括光热单元、光电单元、预热单元、聚焦太阳光的聚光单元。预热单元、光电单元、光热单元和聚光单元沿着太阳光方向从上往下依次布置。预热单元和光热单元均具有内部通道，并通过其内部通道连通，且内部通道内含有流动方向为从预热单元流向光热单元的分频流体。光电单元则粘贴在预热单元的下部，以与预热单元的内部通道中的分频流体换热。聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从光热单元穿过的太阳光并将所聚集的太阳光反射给光电单元。本发明成本较低，太阳能总转化效率高，且能够获得高品位的热能。

Description

一种太阳能光热光电分频利用***
技术领域
本发明属于太阳能热电联用技术领域，涉及一种太阳能利用***，尤其是太阳能分频利用***。
背景技术
太阳能作为新能源的一种，不仅清洁无污染，而且取之不尽、用之不竭，太阳每分钟辐射到地球上的能量相当于300亿桶石油所具有的能量。所以，在当今能源危机与环境污染的双重压力下，太阳能在能源结构中的地位越来越重要。
目前对太阳能的利用有光热转化、光电转化、光化学转化、光生物转化等方式，最为成熟的为光热转化与光电转化。为了提高太阳能的总利用率，太阳能热电联产技术得到了大力推广与应用，但是传统的太阳能热电联产技术中，光热单元的温度受限于光伏电池的许用温度，获得的热能为温度较低的废热。因此，如何在光伏电池的许用温度的限制下，充分进行光电转化以及获取高品位的热能，提高太阳能的总利用率成为业界共同面对的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能总转化效率高且能够获取高品位热能的太阳能光热光电分频利用***。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种太阳能光热光电分频利用***，包括对太阳能进行光热转换的光热单元、对太阳能进行光电转换的光电单元，还包括预热单元、聚焦太阳光的聚光单元；所述预热单元、所述光电单元、所述光热单元和所述聚光单元沿着太阳光方向从上往下依次布置；所述预热单元和所述光热单元均具有内部通道，并通过所述内部通道连通，且所述内部通道内含有流动方向为从所述预热单元流向所述光热单元的分频流体；所述光电单元则粘贴在所述预热单元的下部，以与所述预热单元的内部通道中的分频流体换热；所述聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从所述光热单元穿过的太阳光并将所述聚集的太阳光反射给所述光电单元。
所述聚光单元包括平面式折平板结构；所述折平板结构包括多个朝向所述光电单元的长条形平面反射镜；优选的，所述平面式折平板结构的反射材料采用菲涅尔材质。
所述长条形平面反射镜以所述光电单元的中垂面为中心向两边伸展或排开；优选的，所有所述长条形平面反射镜的中心线在同一个平面上；优选的，所述长条形平面反射镜的照射宽度等于所述光电单元的宽度。
所述分频流体为包含聚吡咯流体的液体。
所述预热单元包括方形管状的铝管；优选的，所述光电单元包括光伏电池片；优选的，所述光伏电池片通过粘结层粘贴在所述铝管的下部外表面上；优选的，所述铝管的侧面及上表面设有保温层。
所述光伏电池片为晶硅电池片。
所述光热单元为横截面为半圆形的石英管；优选的，所述石英管的壁部包括内外设置的两层隔层玻璃，所述两层隔层玻璃之间间隔有真空层。
所述太阳能光热光电分频利用***还包括与所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均连接的方向控制单元，以检测太阳光的方向并将所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均设置为与所述太阳光的方向垂直。
所述方向控制单元包括依次连接的检测太阳光方向的太阳光跟踪仪、接收并分析处理所述太阳光跟踪仪的检测结果的控制器和根据所述控制单元的指令执行动作的方向调节部件；所述方向调节部件连接所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元。
所述太阳能光热光电分频利用***还包括能量回收单元；所述能量回收单元还包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵；所述循环管道一端连接光热单元的内部通道，另一端连接预热单元的内部通道，以将所述预热单元、所述光热单元和所述能量回收单元构成回路。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
1)有效降低了成本。采用折平板聚光技术能够大幅度减少光伏电池的面积，降低光伏电池成本；先聚光后分频降低了光热单元流体的使用量，降低分频流体成本；相比较菲涅尔聚光透镜的聚光应用，使用多片平面镜聚光，降低聚光单元成本。
2)有效提高光电转换效率。聚光单元采用折平板聚光结构，光热单元采用半圆形中空石英管结构，有效提高了光伏电池片上光斑的均匀性，进而提高光电转化效率；采用分频流体选择性地过滤、吸收与光伏电池不匹配的电磁波，避免了这部分电磁波带来的温升，也提高了光伏电池的光电效率。
3)有效提高了光热转换效率。分频流体流经光电单元不仅对电池片进行了冷却，也是进入光热单元前的预热；同时光热单元通道与其外壁面夹有真空层，隔绝了环境与流体之间的换热。
4)有效控制电池片温度。聚光单元采用折平板聚光结构，光热单元采用半圆形中空石英管结构，有效提高了光伏电池片上光斑的均匀性，预防了电池片上局部温度过高，防止电池烧坏；光热单元通道内的分频流体先将用于发热的太阳光波段吸收掉，预热单元通道内的分频流体进一步对电池进行冷却。
5)有效提高能源品位。相比较传统PV/T***，本发明的光热单元温度独立于光电单元温度，光热产物不仅仅是40～50℃的废热，而是可远高于光伏电池的许用温度，这种中温流体不再是废热，而是可以通过斯特林循环、有机朗肯循环等技术再次转化为电能的高品位热能。
附图说明
图1为本发明实施例中太阳能光热光电分频利用***的光路示意图；
图2为本发明实施例中太阳能光热光电分频利用***的水路示意图；
图3为本发明实施例中光热单元半圆形中空石英管径向剖面图。
附图中：1、光伏电池；2、铝管；3、中空石英管；4、折平板结构；5、分频流体；6、冷却水；7、热交换器；8、流量调节阀；9、循环泵；10、内隔层玻璃；11、真空层；12、外隔层玻璃。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种基于反射式菲涅尔聚光器的太阳能光热光电分频利用***，图1为该***的光路示意图，图2为该***的水路示意图。该***包括方向控制单元、预热单元、光电单元、光热单元、聚光单元和热量回收单元。光热单元吸收太阳光的热能；光电单元对太阳光进行光电转化；预热单元对光电单元产生的热量进行回收；聚光单元聚集太阳光；热量回收单元对光热单元吸收的热量进行回收；方向控制单元则连接光电单元、光热单元和聚光单元，以控制它们相对于太阳光的方向，来最大化所能作用的太阳能。该***中，预热单元、光电单元、光热单元和聚光单元从上到下依次布置。
预热单元包括铝管2。铝管2为具有内部通道的方形管道，其内部通道中通有分频流体5。位于铝管2中的分频流体5为经过冷却后温度较低的流体。
光电单元包括光伏电池1，光伏电池1包括光伏电池片，本实施例中其光伏电池片采用晶硅电池片，通过粘结剂粘贴在铝管2的下部外表面上。该粘结剂的导热率较高，以保证由铝管2中冷却后的分频流体5均匀有效地对光伏电池1进行冷却。此外，铝管2的左右两侧及上表面还设置有保温层，以进一步防止热量流失，保证光伏电池1上产生的热量尽可能多地用于预热铝管2中的分频流体5。
光热单元包括中空石英管3。中空石英管3的横截面为半圆形，以增加光伏电池1上的光斑均匀性。图3为该中空石英管3的径向剖面示意图。中空石英管3在内部具有内部通道。中空石英管3的内部通道和铝管2的内部通道连通，因此两者内部通道中的分频流体5也相通，流动方向为从铝管2到中空石英管3。中空石英管3的壁部包括内隔层玻璃10和外隔层玻璃12，两者之间隔有真空层11，用于隔绝被加热的分频流体5与环境之间的换热。该光热单元吸收经过的太阳光中利于发热的波段并使得其他波段的太阳光透过。
聚光单元包括平面式折平板结构，折平板结构4由多个长条形平面反射镜构成，以光伏电池片1的中垂面为中心，向两边依次排开，所有平面反射镜的中心线在同一个平面上，每片平面反射镜都将接收到的所有太阳光反射到光伏电池1上，照射宽度与光伏电池1的宽度相等。上述平面式折平板结构的反射材料采用菲涅尔材质。
分频流体5为聚吡咯溶液，可采用包含聚吡咯流体的水溶液或包含聚吡咯流体的乙二醇溶液，即聚吡咯水溶液或聚吡咯乙二醇溶液，符合光热光电转换匹配要求。中空石英管3中的分频流体5将太阳光中不符合光电转换要求的波段吸收并用于产热，而允许剩余的波段辐射到光伏电池1上进行光电转换；而铝管2内的聚吡咯流体5可以对光伏电池1进行冷却。
方向控制单元(未示出)包括依次连接的太阳光跟踪仪、控制器和方向调节部件，方向调节部件与中空石英管3、折平板结构4和光伏电池1连接，以执行调节它们的方向的操作。方向控制单元中，太阳光跟踪仪检测太阳光的方向，并将检测的结果发送给控制器，控制器经过分析控制方向调节部件动作，以由方向调节部件调整光热单元、聚光单元及光电单元垂直于太阳光的方向，即调节中空石英管3的上表面、折平板结构4以及光伏电池1中光伏电池片的方向，保证中空石英管3的上表面、折平板结构4中各长条形平面反射镜的中心线所在的平面以及光伏电池1的表面与太阳光方向垂直，从而尽可能多地接收到太阳光的辐射能量。
如图2所示，该***还包括热量回收单元。该热量回收单元包括热交换器7，热交换器7在两侧包括两根独立的循环管道，一侧循环管道中的换热介质为冷却水6，另一侧循环管道的两端分别连通中空石英管3的内部通道未与铝管2连接的一端和铝管2的内部通道未与中空石英管3连接的一端，因此该侧循环管道中的换热介质也为上述分频流体5。其流动方向为从中空石英管3的内部通道流入热交换器7中，经过热交换器7后流入铝管2的内部通道。在热交换器7与铝管2之间通过循环管道还连接有流量调节阀8和循环泵9，流量调节阀8控制分频流体5的流量，循环泵9为分频流体5提供动力，保证其沿着上述流动方向流动。从中空石英管3内部通道中(即从光热单元中)流出的分频流体5温度较高，其在热交换器7中与冷却水6之间进行热交换，被冷却水6冷却，冷却后的分频流体5被送入到铝管2(即预热单元)中。
该***运行时，太阳光首先经过通有聚吡咯流体5的中空石英管3。由于波长处于300nm到1050nm之间的太阳光可以被光伏电池有效地转化为电能，而波长大于1200nm的电磁波无法在晶硅中产生光伏作用，同时本发明中分频流体5对300nm至1050nm波段的太阳光具有高透射特性，而对小于300nm或大于1050nm的其他波段的太阳光具有强烈的吸收作用，对提高太阳能利用率和所获得的能源品位具有突出的贡献。因此，中空石英管3内部通道中的分频流体5可将太阳光中不符合光电转换要求的波段吸收掉用于产热，剩余的波段辐射到光伏电池1上进行光电转换。
由于从热交换器7送入到铝管2中的分频流体5温度较低，能够对光伏电池1进行冷却；同时，由于光伏电池1与铝管2之间的粘结层具有高导热率，因此分频流体5对光伏电池1的冷却效果均匀且明显。在对光伏电池1冷却的同时，铝管2中的分频流体5由于吸收光伏电池1的热量而被加热，随后流入中空石英管3中。因此，预热单元对光电单元的冷却成为了对光热单元的预热。分频流体5在中空石英管3中被进一步加热得到高温热，之后进入换热器7中，在换热器7中与冷却水6换热后再次流入循环管路中。
本发明在已有研究的基础上，采用反射型菲涅尔聚光器对太阳光进行反射式聚焦，相比较菲涅尔透镜透射式聚光器，提高了光的均匀性。相比先分频后聚焦***，减少了分频流体的使用量，有效降低了***的占地面积、重量及建设成本。采用了聚吡咯水溶液或聚吡咯乙二醇溶液作为传热载体和太阳辐射的过滤分频流体。分频流体先经光电单元和预热单元预热后流向光热单元进行分频，使光电与光热在光谱上能够进行调节匹配，因此该***不仅降低了光伏电池温度，提高光电转换效率，同时也可以获得温度较高的高品位的可用热能，提高了太阳能的总转化率。该***产生的电能可以直接向外界输送；同时，由于该***能够产生较高品位的热能，因此其也可以通过斯特林循环或有机朗肯循环等技术进行发电。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能光热光电分频利用***，包括对太阳能进行光热转换的光热单元、对太阳能进行光电转换的光电单元，其特征在于：还包括预热单元、聚焦太阳光的聚光单元；所述预热单元、所述光电单元、所述光热单元和所述聚光单元沿着太阳光方向从上往下依次布置；
所述预热单元和所述光热单元均具有内部通道，并通过所述内部通道连通，且所述内部通道内含有流动方向为从所述预热单元流向所述光热单元的分频流体；所述光电单元则粘贴在所述预热单元的下部，以与所述预热单元的内部通道中的分频流体换热；
所述聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从所述光热单元穿过的太阳光并将所述聚集的太阳光反射给所述光电单元。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述聚光单元包括平面式折平板结构；所述折平板结构包括多个朝向所述光电单元的长条形平面反射镜；优选的，所述平面式折平板结构的反射材料采用菲涅尔材质。
3.根据权利要求2所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述长条形平面反射镜以所述光电单元的中垂面为中心向两边伸展或排开；优选的，所有所述长条形平面反射镜的中心线在同一个平面上；优选的，所述长条形平面反射镜的照射宽度等于所述光电单元的宽度。
4.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述分频流体为包含聚吡咯流体的液体。
5.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述预热单元包括方形管状的铝管；优选的，所述光电单元包括光伏电池片；优选的，所述光伏电池片通过粘结层粘贴在所述铝管的下部外表面上；优选的，所述铝管的侧面及上表面设有保温层。
6.根据权利要求5所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述光伏电池片为晶硅电池片。
7.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述光热单元为横截面为半圆形的石英管；优选的，所述石英管的壁部包括内外设置的两层隔层玻璃，所述两层隔层玻璃之间间隔有真空层。
8.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述太阳能光热光电分频利用***还包括与所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均连接的方向控制单元，以检测太阳光的方向并将所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均设置为与所述太阳光的方向垂直。
9.根据权利要求8所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述方向控制单元包括依次连接的检测太阳光方向的太阳光跟踪仪、接收并分析处理所述太阳光跟踪仪的检测结果的控制器和根据所述控制单元的指令执行动作的方向调节部件；所述方向调节部件连接所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元。
10.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用***，其特征在于：所述太阳能光热光电分频利用***还包括能量回收单元；所述能量回收单元还包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵；所述循环管道一端连接光热单元的内部通道，另一端连接预热单元的内部通道，以将所述预热单元、所述光热单元和所述能量回收单元构成回路。
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