CN104901625B - 一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合*** - Google Patents

一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***。该***包括聚光装置、光伏电池组件和分频集热装置，所述分频集热装置设置在所述聚光装置的聚光位置上方，以及所述光伏电池组件位于所述聚光装置上和所述分频集热装置的正下方，所述分频集热装置包括分频装置和集热管；入射到所述聚光装置上的太阳光反射并聚集到所述分频集热装置上，所述分频装置将所述太阳光分频为近红外光和紫外光、可见光，所述近红外光和紫外光直接从分频装置透射到所述集热管并被其吸收，转变为热能，所述分频装置将所述可见光反射到所述光伏电池组件，由所述光伏电池组件转变为电能。采用本发明，可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个***的能量转换效率。

Description

一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***。
背景技术
据国际能源机构IEA预测，至2050年，太阳能发电在全球电力供应中份额将达到30％，而目前占比不到5％，太阳能发电产业蕴藏巨大的市场。面对全球能源尤其是清洁能源需求的巨大缺口，太阳发电产业从来都不存在“过剩”的说法，只是因为没有成本足够低，能量转换效率高的技术出现。
在太阳光全谱范围内目前单结太阳能电池转换效率的理论极限约为30％，因此太阳能光谱中将超过50％的能量无法得到有效利用。光伏光热综合利用是现在太阳能利用的一个大趋势，例如已公布的中国专利申请第1022589159A号“真空管光伏光热复合抛物面聚光器”，目的是复合抛物面聚光镜和光伏光热相结合的方式，利用冷却介质将光伏电池产生的热能以及未能被光伏电池吸收的太阳光吸收转化为热能，提高太阳能的有效利用率。但是由于光伏光热与真空管集成在同一模块上，相互影响，造成了大部分不能光伏电池利用的光损失掉，同时也由于聚光造成光伏电池产生一定的温升，影响了光电转换效率。
目前，光伏光热综合利用装置主要采用太阳光直射光伏电池并在光伏电池背面加装冷却***，由于占太阳能45％的可见光照射到光伏电池上产生电能和热能，占太阳能50％的近红外光照射到光伏电池上仅产生热能，因此近红外光照射到光热电池上，大幅度增加了光伏电池的热负荷和温升，使光伏电池发电效率降低，增加了光伏电池冷却量。例如已公布的中国专利申请第102779885A号“一种太阳能聚光分频光伏光热联产装置”，采用了复合抛物面聚光器和太阳能分频玻璃，目的是将太阳光中的近红外光在照射到光伏电池前，过滤并回收，从而降低光伏电池的温升，提高光电转换效率。但该发明装置侧重于提高光电转换效率，光热装置在其中只是辅助装置，其光热的功能未能得到充分的利用和发挥，从而未能很好的提高太阳能光伏光热***整体的能量转换效率。
在保证光伏电池转换率提升的情况下，如何充分利用太阳光全谱的能量，提高整个***的能量转换效率成为了光伏光热综合利用领域迫切的技术需求。
发明内容
本发明提供了一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***，以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个***的能量转换效率。
本发明提供的太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***包括聚光装置、光伏电池组件和分频集热装置，所述分频集热装置设置在所述聚光装置的聚光位置上方，以及所述光伏电池组件位于所述聚光装置上和所述分频集热装置的正下方，所述分频集热装置包括分频装置和集热管；
入射到所述聚光装置上的太阳光反射并聚集到所述分频集热装置上，所述分频装置将所述太阳光分频为近红外光和紫外光、可见光，所述近红外光和紫外光由所述集热管吸收，转变为热能，所述分频装置将所述可见光反射到所述光伏电池组件，由所述光伏电池组件转变为电能。
优选地，所述聚光装置包括槽形反光镜，所述槽形反光镜为连续式的或分联式的，所述槽形反光镜的内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜，所述槽形反光镜的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
优选地，所述集热管由同心的内管和外管组成，所述内管和外管之间是真空的。
优选地，所述聚光装置包括蝶式聚光器，所述蝶式聚光器的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
优选地，所述分频集热装置还包括位于所述集热管上方的真空玻璃罩，所述真空玻璃罩与所述集热管之间形成真空。
优选地，所述集热管为涡旋线状的玻璃管，所述集热管的进出管分别与所述真空玻璃罩的进出口连接。
优选地，所述聚光装置还包括支撑装置，所述支撑装置支撑所述槽形反光镜或蝶式聚光器。
优选地，所述支撑装置包括支撑架、转动连接件、固定支撑组件和跟踪及驱动装置，所述支撑架支撑所述聚光装置，所述转动连接件连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置连接所述聚光装置和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置根据所述检测到的所述太阳光的入射角，调节所述聚光装置的角度。
优选地，所述光伏电池组件与所述槽形反光镜或蝶式聚光器之间设置有冷却管道。
优选地，所述集热管中注满集热介质。
可见，根据本发明提供的一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***，与现有技术相比，具有如下的优点和特点：
采用太阳光谱分光技术，通过光谱分光器件将可见光与太阳光中的红外光和紫外光分离开来。
通过聚光装置，将太阳光进行聚集，提高能量密度。对光伏电池来说可以减小电池面积，同时提高转换效率；对于光热转换而言可以提高集热效率，进而提高高温热源温度。
先通过聚光装置将太阳光子聚焦到太阳光谱分光器件上，获得高能量密度的光子流。光子流经过太阳光谱分光器件的分光之后，可见光波段光子反射出来，照射到光伏电池上，获得吸收；紫外和红外光子则透过，被集热器所吸收。从而实现了太阳光谱中不同波段的光子的分段有效利用。
本发明装置能独立控制光伏和光热转换，主动有效利用占太阳光谱50％以上的红外光和紫外光作为集热源，同时将剩余的可见光光子用于光伏电池，充分各部分波段光子的各自优势。同时能将光伏和光热有机结合在整个***中，从而可以最大限度的获得更优化的太阳能转换效率。
本发明将太阳光谱分光器件和集热器件结合在一起，光伏组件和聚光镜面结合在一起，可以高效低损耗的分离和吸收太阳光子，从而保障了总体能量转换效率。
本发明采用的聚光装置为具有广泛应用前景的槽式和锅式聚光器件，以及配备的单轴太阳跟踪***，在保障必要的聚光倍数情况下，具有较大成本优势或成本下降潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图；
图2为图1所示光伏光热联合***的剖面图；
图3为本发明实施例提供的另一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图；
图5为图4所示光伏光热联合***的局部示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图5，对本发明提供的太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***进行详细描述：
请参阅图1和图2，为本发明实施例提供的一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图及其剖面图，该***包括聚光装置、光伏电池组件21和分频集热装置，分频集热装置设置在聚光装置的聚光位置上方，以及光伏电池组件21位于聚光装置上和分频集热装置的正下方，分频集热装置包括分频装置31和集热管322；
入射到聚光装置上的太阳光被反射并聚集到分频集热装置上，分频装置31将太阳光分离为近红外光和紫外光、可见光，近红外光和紫外光直接透过分频装置31被集热管322吸收，转变为热能，分频装置31将可见光反射到光伏电池组件21，由光伏电池组件21转变为电能。
该光伏光热联合***与水平面具有一定的角度，其角度范围：0°-90°，该角度可通过手动进行调节。
该聚光装置包括槽形反光镜11和支撑装置，该支撑装置支撑该槽形反光镜11。
该槽形反光镜11的截面形状可以但不限于抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。在图1所示的实施例中，该槽形反光镜11是连续式的，其内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜。
该支撑装置包括支撑架12、转动连接件13、固定支撑组件和跟踪及驱动装置，该支撑架12为槽形面支撑架，该固定支撑组件包括：底座142，在底座142上设有支撑立柱141，在支撑立柱141上方设有支撑板140，在支撑立柱141上端还设有跟踪及驱动装置。该跟踪及驱动装置包括在支撑立柱141上端设有的旋转电机151、止推轴承150和太阳光跟踪检测器152，其旋转电机151通过转动连接件13与支撑架12进行刚性连接。该跟踪及驱动装置可根据太阳光跟踪检测器检测到的太阳光入射角，通过旋转电机的旋转带动，自行调节聚光装置的角度，确保太阳光和槽形反光镜保持最佳的入射角度。
分频装置31基于光学薄膜或光学元件的折射、干涉或衍射而产生光谱分光/分频功能，该光学薄膜或光学元件包括但不限于：薄膜滤光片/膜，高折射率n1与低折射率n2介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交叠排列，或者折射率随厚度渐变的介电薄层材料；全息光栅；衍射微光学元件。
集热管322一般是真空的，由两根同心玻璃管320和321组合而成，其中，内管321外表面覆盖了太阳光选择性吸收涂层，在内外玻璃管之间是真空层，可有效防止热量的散失，提高光热利用率。该选择性吸收涂层的材料为太阳能热利用中常见的高吸收率低反射率材料。集热管322中注满集热介质，其集热介质通过自然循环作用促使介质传输热能到蓄热***中。该集热介质可以但不限于水、油等液态物质和石蜡、铝合金、无机盐等固态物质。
光伏电池组件21可采用但不限于晶硅薄膜太阳能电池组件。
光伏电池组件21与槽形反光镜11之间设有冷却管道22，可大幅度降低光伏电池的温升，提高光电转换效率。
该光伏光热联合***的工作原理如下：反光镜面是由玻璃制造的槽型曲面，其内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜，可将入射到抛物线槽内的太阳光全部汇聚到焦线上，太阳光中的近红外和紫外光照射到光伏电池组件前，通过太阳光分频调控技术，由集热管吸收并转变为热能，该热能最终由真空集热管中的集热介质吸收并传输到蓄热***中储存起来，分频装置基于光学薄膜或光学元件的折射、干涉或衍射而产生光谱分光/分频功能。其可见光则通过分频装置的反射而垂直照射到光伏电池组件上转变为电能，直接提供用户使用，光伏电池采用多晶硅薄膜太阳能电池组件。固定支撑组件、支撑架以及活动连接件构成承载平台，支撑上述各部件，跟踪及驱动装置用以保证太阳能光的入射角度，提高太阳能的利用效率。
请参阅图3，为本发明实施例提供的另一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图，该实施例所示的光伏光热联合***与图1、图2所示的光伏光热联合***的区别在于，该槽形反光镜82是分联式的，由大小一致的弧形槽条组成。
请参阅图4和图5，为本发明实施例提供的又一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***的结构示意图及局部示意图，与图1-图3所示的光伏光热联合***的区别在于，该聚光装置包括蝶式聚光器43和支撑装置，该支撑装置支撑该蝶式聚光器43，分频集热装置还包括真空玻璃罩45，支撑装置的结构相应为蝶式支撑装置。
该蝶式聚光器43的截面形状可以但不限于抛物线面、复合抛物线面和自由曲面，其内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜。
集热管41由涡旋线状的玻璃管组合而成，其外表面覆盖了太阳光选择性吸收涂层。在玻璃罩45与分频装置43之间是真空层，可有效防止热量的散失，提高光热利用率。集热管41的进出管42和44通过玻璃罩的进出口46和47与外部的真空集热管连接起来。
光伏电池组件61与聚光器之间设有冷却管道，可大幅度降低光伏电池的温升，提高光电转换效率。
在本实施例中，相应的支撑架为蝶式支撑架。
本实施例的光伏光热联合***的工作原理如下：蝶式聚光器，其内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜，可将入射到蝶式聚光器内的太阳光全部汇聚到焦点上，在焦点位置设置有分频集热装置，太阳光中的近红外和紫外光照射到光伏电池前，通过太阳光分频调控技术，由集热管吸收并转变为热能，该热能最终由集热管中的集热介质吸收并传输到蓄热***中储存起来，分频装置4.3基于光学薄膜或光学元件的折射、干涉或衍射而产生光谱分光/分频功能，其可见光则通过分频装置的反射而垂直照射到光伏电池上转变为电能，直接提供用户使用，光伏电池组件采用多晶硅薄膜太阳能电池组件。固定支撑组件、支撑架以及活动连接件构成承载平台，支撑上述各部件，跟踪及驱动装置用以保证太阳能光的入射角度，提高太阳能的利用效率。
根据以上实施例提供的太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***，与现有技术相比，具有如下的优点和特点：
采用太阳光谱分光技术，通过光谱分光器件将可见光与太阳光中的红外光和紫外光分离开来。
通过聚光装置，将太阳光进行聚集，提高能量密度。对光伏电池来说可以减小电池面积，同时提高转换效率；对于光热转换而言可以提高集热效率，进而提高高温热源温度。
先通过聚光装置将太阳光子聚焦到太阳光谱分光器件上，获得高能量密度的光子流。光子流经过太阳光谱分光器件的分光之后，可见光波段光子反射出来，照射到光伏电池上，获得吸收；紫外和红外光子则透过，被集热器所吸收。从而实现了太阳光谱中不同波段的光子的分段有效利用。
本发明装置能独立控制光伏和光热转换，主动有效利用占太阳光谱50％以上的红外光和紫外光作为集热源，同时将剩余的可见光光子用于光伏电池，充分各部分波段光子的各自优势。同时能将光伏和光热有机结合在整个***中，从而可以最大限度的获得更优化的太阳能转换效率。
本发明将太阳光谱分光器件和集热器件结合在一起，光伏组件和聚光镜面结合在一起，可以高效低损耗的分离和吸收太阳光子，从而保障了总体能量转换效率。
本发明采用的聚光装置为具有广泛应用前景的槽式和锅式聚光器件，以及配备的单轴太阳跟踪***，在保障必要的聚光倍数情况下，具有较大成本优势或成本下降潜力。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能全光谱分频调控的光伏光热联合***，其特征在于，所述***包括聚光装置、光伏电池组件和分频集热装置，所述分频集热装置设置在所述聚光装置的聚光位置上方，以及所述光伏电池组件位于所述聚光装置上和所述分频集热装置的正下方，所述分频集热装置包括分频装置和集热管；
入射到所述聚光装置上的太阳光反射并聚集到所述分频集热装置上，所述分频装置将所述太阳光分频为近红外光和紫外光、可见光，所述近红外光和紫外光由所述集热管吸收，转变为热能，所述分频装置将所述可见光反射到所述光伏电池组件，由所述光伏电池组件转变为电能；
所述集热管由同心的内管和外管组成，所述内管和外管之间是真空的；
所述分频集热装置还包括位于所述集热管上方的真空玻璃罩，所述真空玻璃罩与所述集热管之间形成真空，所述集热管中注满集热介质；
所述集热管为涡旋线状的玻璃管，所述集热管的进出管分别与所述真空玻璃罩的进出口连接。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述聚光装置包括槽形反光镜，所述槽形反光镜为连续式的或分联式的，所述槽形反光镜的内表面采用全反射银表面或镀铝薄膜，所述槽形反光镜的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述聚光装置包括蝶式聚光器，所述蝶式聚光器的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
4.如权利要求2-3任意一项所述的***，其特征在于，所述聚光装置还包括支撑装置，所述支撑装置支撑槽形反光镜或蝶式聚光器。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述支撑装置包括支撑架、转动连接件、固定支撑组件和跟踪及驱动装置，所述支撑架支撑所述聚光装置，所述转动连接件连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置连接所述聚光装置和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置根据检测到的所述太阳光的入射角，调节所述聚光装置的角度。
6.如权利要求2-3任意一项所述的***，其特征在于，所述光伏电池组件与槽形反光镜或蝶式聚光器之间设置有冷却管道。
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