CN113137770A - 一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，装置整体分为聚光、高品位循环集热、发电、低品位循环集热四部分。利用聚光器配合凹透镜将太阳光线聚集并引入黑体腔内，吸收反射涂层可吸收引入聚集光线中的短波和长波部分，并转化为高品位热能由相变集热装置完成捕获；将其余聚集光线中的中波段部分反射至黑体腔内的太阳能电池板实现发电，黑体腔内的气体循环可捕获其余低品位热能，再结合外部循环换热装置，实现整个装置的聚光、发电、循环集热一体化。本发明在提高太阳光捕获率的前提下，可使绝大部分的光能在腔体内用于发电和集热，实现对太阳能综合高效利用。

Description

一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置
技术领域
本发明涉及太阳能转化利用领域，具体涉及一种基于黑体腔的聚光发电集热一体装置。
背景技术
目前在绝大多数太阳能发电工程中，采用太阳光直接照射在太阳能电池板上完成发电，由于一部分光线被反射，此部分太阳光能量白白散失，导致有效辐照度降低，引起太阳能电池板输出电流减少；此外在发电的过程中会产生大量热能，导致太阳能电池板温度的升高，引起太阳能电池的输出电压下降，两方面综合来看，会降低发电效率。
目前对太阳能的利用主要有两种方式：一是直接利用太阳能的热能，即太阳能集热；二是利用半导体材料的光生伏打效应发电，即太阳能发电。大部分的太阳能集热或发电都是独立应用的，有研究表明：独立的太阳能集热或发电使得太阳能的转化率较低，且利用率都不高，仍有大量的太阳光能量白白散失。
目前太阳能发电-集热一体综合装置虽然已经有相关的技术发明，但是其中大部分对太阳光的捕获利用率仍然不高，如何最大化提高太阳光的捕获率是本领域需要解决的问题。
发明内容
为解决现有太阳能发电工程中对太阳光利用率不高以及太阳能利用方式相对单一等问题，本发明的目的在于提供一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，该装置使太阳能集热和发电两者结合在一起，通过黑体腔实现太阳光的高效捕集，并同步用于集热和发电，在提高太阳光捕获率的前提下，提升太阳光能的利用率。
为达到这一目的，本发明采用如下技术方案：一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，具体包括：黑体腔1、保温层2、聚光器3、凹透镜4、相变集热器5、吸收反射涂层6、相变集热器液相管7、液体回流管8、相变集热器气相管9、相变换热器10、储水箱11、液体泵12、太阳能电池板13、绝缘导线14、连通管Ⅰ15、连通管Ⅱ16、气体换热器17、鼓风机18。
所述聚光器3安装在黑体腔1上方，用以聚光；所述黑体腔1为硬圆柱体腔，其顶部一侧开有小孔用以安装凹透镜4，安装后恰好封闭黑体腔，聚光器3与凹透镜4两者的主光轴共线且共焦点，相互配合将相对大面积的太阳光聚集并变换为高辐照度的平行光射入体积较小的黑体腔1中；所述外部保温层2均匀敷设在黑体腔1的外表面，用于隔热保温。
所述相变集热器5为耐压三棱柱体，安装于黑体腔1的底部并位于凹透镜4下方；所述吸收反射涂层6均匀喷涂在相变集热器5的斜面上，可吸收聚集光线中的短波部分与长波部分并将两部分光能转化为内能传导至相变集热器5，将聚集光线中的中波部分反射到黑体腔1内表面。
所述相变集热器5底部连接相变集热液相管7与液体回流管8，侧面上部连接相变集热气相管9，相变集热液体介质可为水或其他相变液体介质。
所述相变集热液器相管7伸入相变集热器5内部，其顶部封闭且伸入部分均匀分布有雾化喷头，底部连接于液体泵12。
所述液体回流管8套于相变集热器液相管7外部，分别与相变集热器5底部和储水箱11相接，使未相变的液体回流到储水箱11中。
所述储水箱11与液体回流管8相连，内部装有液体泵12加压输送，液体回流管回流的液体流进储水箱11。
所述相变换热器10与导出高温气体的相变集热器气相管9相连接，对相变后的高温气体的热量进行利用。
所述太阳能电池板13固定在黑体腔1内表面，吸收利用反射后的中波部分的光进行发电，其正、负极由绝缘导线14经黑体腔1底部的开孔引出。
所述连通管Ⅰ15与位于距离腔体一侧侧壁下部三分之一至四分之一处较大孔相连，且连通管Ⅰ15内通入低温气体介质，连通管Ⅱ16与位于距离腔体对侧侧壁上部三分之一至四分之一处孔相连，且连通管Ⅱ16内导出高温气体介质，用于循环换热。
所述气体换热器17和鼓风机18通过管道与黑体腔1相连，对黑体腔1内捕获的低品位热进行利用，并完成气体循环。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果。
1.黑体腔1结构：本发明基于黑体模型设计的黑体腔1，利用聚光器与凹透镜将相对大面积的太阳光聚集并变换为平行光射入体积较小的黑体模型中，整个过程的能量散失较小，所捕获的太阳光能中绝大多数的能量在腔体内用于太阳能发电和集热，极大的提高了对太阳光的利用率。
2.太阳能光热一体化：本发明将太阳能组件和光热组件结合到一起，实现了太阳能发电和集热一体化设计，聚光发电的同时解决太阳能电池板的散热问题，有效的提高了发电集热效率。
附图说明
图1为基于黑体腔的聚光发电集热一体装置的整体示意图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明进行清楚、完整的描述，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
参阅图1所示，本发明是一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，包括：黑体腔1、保温层2、聚光器3、凹透镜4、相变集热器5、吸收反射涂层6、相变集热器液相管7、液体回流管8、相变集热器气相管9、相变换热器10、储水箱11、液体泵12、太阳能电池板13、绝缘导线14、连通管Ⅰ15、连通管Ⅱ16、气体换热器17、鼓风机18。
所述聚光器3安装在黑体腔1上方，用以聚光；所述黑体腔1为硬圆柱体腔，其顶部一侧开有小孔用以安装凹透镜4，安装后恰好封闭黑体腔，聚光器3与凹透镜4两者的主光轴共线且共焦点，相互配合将相对大面积的太阳光聚集并变换为高辐照度的平行光射入体积较小的黑体腔1中；所述外部保温层2均匀敷设在黑体腔1的外表面，用于隔热保温。
所述相变集热器5为耐压三棱柱体，安装于黑体腔1的底部并位于凹透镜4下方；所述吸收反射涂层6均匀喷涂在相变集热器5的斜面上，可吸收聚集光线中的短波部分与长波部分并将两部分光能转化为内能传导至相变集热器5，将聚集光线中的中波部分反射到黑体腔1内表面。
所述相变集热器5底部连接相变集热液相管7与液体回流管8，侧面上部连接相变集热气相管9，相变集热液体介质可为水或其他相变液体介质。
所述相变集热液器相管7伸入相变集热器5内部，其顶部封闭且伸入部分均匀分布有雾化喷头，底部连接于液体泵12。
所述液体回流管8套于相变集热器液相管7外部，分别与相变集热器5底部和储水箱11相接，使未相变的液体回流到储水箱11中。
所述储水箱11与液体回流管8相连，内部装有液体泵12加压输送，液体回流管回流的液体流进储水箱11。
所述相变换热器10与导出高温气体的相变集热器气相管9相连接，对相变后的高温气体的热量进行利用。
所述太阳能电池板13固定在黑体腔1内表面，吸收利用反射后的中波部分的光进行发电，其正、负极由绝缘导线14经黑体腔1底部的开孔引出。
所述连通管Ⅰ15与位于距离腔体侧壁下部三分之一至四分之一处较大孔相连，且连通管Ⅰ15内通入低温气体介质，连通管Ⅱ16与位于距离腔体侧壁上部三分之一至四分之一处孔相连，且连通管Ⅱ16内导出高温气体介质，用于循环换热。
所述气体换热器17和鼓风机18通过管道与黑体腔1相连，对黑体腔1内捕获的低品位热进行利用，并完成气体循环。
装置工作过程为：太阳光通过聚光器3和凹透镜4将太阳光变为高辐照度的平行光后引入黑体腔。射入黑体腔1的高辐照度的光线首先照射在相变集热器5表面的吸收反射涂层6上，吸收反射涂层6可吸收引入的聚集光线中的短波部分与长波部分，并将两部分光能转化为内能传导至相变集热器5，将其余中波段的光反射到太阳能电池板13上用于发电。被反射的中波部分光线在腔体内进行反射以及漫反射，照射在黑体腔内表面上敷设的太阳能电池板进行发电。相变集热器5底面连接的相变集热器液相管9伸入相变集热器5内部并与相变集热器5的斜面平行，伸入内部的连通管上均匀分布有喷头，相变集热器液相管9内为导入的液体，液体经由喷头喷至相变集热器5的吸热斜面，液滴吸热后相变为气体，连通管Ⅱ16内导出集热相变后的气体,具有高品位热能的气体通过外部气体换热器17进行利用，喷出的液体未相变的部分由液体回流管8回流到储水箱11中，再由液体泵12抽送，完成循环相变集热。
根据黑体腔模型假设，只有极少数的能量从开孔处散失，绝大部分的能量都在黑体腔中被利用，极大的提高对太阳光的捕获利用率。

Claims (6)

1.一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，包括黑体腔（1）、保温层（2）、聚光器（3）、凹透镜（4）、相变集热器（5）、吸收反射涂层（6）、相变集热器液相管（7）、液体回流管（8）、相变集热器气相管（9）、相变换热器（10）、储水箱（11）、液体泵（12）、太阳能电池板（13）、绝缘导线（14）、连通管Ⅰ（15）、连通管Ⅱ（16）、气体换热器（17）、鼓风机（18），所述聚光器（3）安装在黑体腔（1）上方，所述黑体腔（1）顶部一侧开有小孔用以安装凹透镜（4），聚光器（3）与凹透镜（4）两者的主光轴共线且共焦点，相互配合将相对大面积的太阳光聚集并变换为高辐照度的平行光射入体积较小的黑体腔（1）中；所述相变集热器（5）为耐压三棱柱体，安装于黑体腔（1）的底部并位于凹透镜（4）下方，其侧面上部连接相变集热气相管（9）；所述相变集热液器相管（7）伸入相变集热器（5）内部，底部连接于液体泵（12）；所述液体回流管（8）套于相变集热器液相管（7）外部，分别与相变集热器（5）底部和储水箱（11）相接；所述相变换热器（10）与导出高温气体的相变集热器气相管（9）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，其特征在于所述外部保温层（2）均匀敷设在黑体腔（1）的外表面，用于隔热保温。
3.根据权利要求1所述的一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，其特征在于所述吸收反射涂层（6）均匀喷涂在相变集热器（5）的斜面上，可吸收聚集光线中的短波部分与长波部分并将两部分光能转化为内能传导至相变集热器（5），将聚集光线中的中波部分反射到黑体腔（1）内表面。
4.根据权利要求1所述的一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，其特征在于所述太阳能电池板（13）固定在黑体腔（1）内表面，吸收利用反射后的中波部分的光进行发电，其正、负极由绝缘导线（14）经黑体腔（1）底部的开孔引出。
5.根据权利要求1所述的一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，其特征在于所述连通管Ⅰ（15）与位于距离腔体一侧侧壁下部三分之一至四分之一处较大孔相连，且连通管Ⅰ（15）内通入低温气体介质，连通管Ⅱ（16）与位于距离腔体对侧侧壁上部三分之一至四分之一处孔相连，且连通管Ⅱ（16）内导出高温气体介质，用于循环换热。
6.根据权利要求1所述的一种基于黑体腔的聚光发电集热一体化装置，所述气体换热器（17）和鼓风机（18）通过管道与黑体腔（1）相连，对黑体腔1内捕获的低品位热进行利用，并完成气体循环。
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