CN101373942A - 光电、光热一体化的太阳电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种光电、光热一体化的太阳电池发电系统。该系统由发电装置、太阳跟踪装置组成，其特点是系统上还有由贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成的光热利用装置。在将太阳光能转变成电能的同时，该光热利用装置不断地移出太阳电池因受光照所产生的热量，在光电转换的过程中使太阳电池工作在最佳状态，并将这些移出热量加以利用供应生活用热水，实现了光电、光热一体化，将发电和热利用效率叠加，大大提高了太阳能利用的整体效率。

Description

光电、光热一体化的太阳电池发电系统

所属技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种光电、光热一体化的太阳电池发电系统，

背景技术

随着世界经济的发展，电力能源的供应日趋紧张，传统用燃料生产的电力能源，一方面面临着煤炭、石油的储藏量越来越少的威胁，而另一方面，利用燃料生产电力的同时，对环境造成了严重的污染。由于太阳能是最干净的能源，它随处可见，而且它永远存在。因而越来越多的人把注意力转向利用太阳能发电，特别是基于光电转换的太阳电池发电系统，利用太阳电池发电最重要的就是提高太阳电池的光电转换效率。人们为此做了很多的努力，利用聚光镜提高阳光强度，使聚焦在太阳电池板上，为了进一步提高太阳电池板的光电转换效率，还为太阳电池板装上自动跟踪太阳装置，无论太阳和地球的相对运动使它们之间的相对位置怎样变化，太阳电池板可以一直保持正对太阳，因而太阳电池板的采光面可以采到尽可能多的太阳光。但太阳电池板的光电转换效率一方面随着采集到的太阳光能的增加而增加，而另一方面位于聚光面上的太阳电池板在采光的同时，其自身的温度也在不断升高，太阳电池板的光电转换效率会随着其自身温度的上升而下降的特性，这就难于使太阳电池板的效率进一步提高，而且在光电转换的同时太阳辐射产生的热量也白白地浪费了。

本发明的目的在于提供一种光电、光热一体化的太阳电池发电系统，该系统在提高光电转换效率的同时将太阳辐射到太阳电池上的热量回收，用来提供热水。

本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统，由太阳电池板及其安装架构成的发电装置、太阳跟踪装置组成，所述太阳跟踪装置包括驱动机构、机械传动机构和控制驱动机构的跟踪控制电路，其特点是系统上还有由贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成的光热利用装置，所述太阳电池板依次由太阳电池组、导热绝缘树脂胶及与热管为一体的吸热翅片组装而成，与太阳电池相接触的吸热翅片的面积大于、等于太阳电池组采光面面积，热管的蒸发段在太阳电池组的背面，热管的冷凝段插入与贮水箱相通的水管内，热管的冷凝段一端与水管密封并活动连接，其另一端与装在安装架上的下支承件活动连接；由N块太阳电池板、太阳电池板背面的N个热管、与贮水箱相通的水管、下支承件被装在安装架上构成一个光电、光热一体化的太阳电池发电单元，其中N≥1，该系统由一个以上的光电、光热一体化的太阳电池发电单元组成，两个相邻单元的水管由连接管件连接，最外侧的进水管接进水开关，靠近贮水箱一侧的水管通过温控开关连接贮水箱。

本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统工作原理如下：由太阳电池板及其安装架构成电站的核心发电装置，太阳跟踪装置使太阳电池板跟踪太阳，从而更进一步提高了太阳电池的光电转换效率，但由于太阳跟踪装置使太阳电池板始终正对太阳，这也使太阳电池采光面的温度升高，当太阳电池的工作温度升高时，由于热激发所产生的少数载流子增多，漂移的“暗”电流也增大，所以会影响其输出功率。本发明在太阳电池发电系统中设置了由贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成的光热利用装置，太阳电池组由导热绝缘树脂胶粘贴在与热管为一体的吸热翅片上成为太阳电池板，与太阳电池相接触的吸热翅片的面积大于、等于太阳电池组采光面的面积，一方面与热管为一体的吸热翅片承担起支承太阳电池组的作用，另一方面太阳辐射到太阳电池上的热量可以通过导热绝缘膜传到吸热翅片上，并迅速地将热量传到与其一体的热管中，使热管蒸发段的工质受热蒸发，插入水管中的热管冷凝段不断地向水管内的水释放热量，将水管内的水变热后经温控开关流入水箱，温控开关用来控制热水的温度达到或超过所设置的温度后再进入水箱。所述的热管的冷凝段一端与水管密封并活动连接，其另一端与装在安装架上的下支承件活动连接，是为了在太阳跟踪装置的带动下太阳电池板可以方便自如地跟踪太阳。本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统中的光热利用装置，将太阳辐射到太阳电池上的热量采用热管及其吸热翅片高效地移出并加以利用，在光电转换的过程中使太阳电池采光面的温度始终保持在60℃以下，使太阳电池工作在最佳状态，提高太阳电池光电转换效率的同时，提供生活用热水。实现了光电、光热的综合利用。

本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统，在将太阳光能转变成电能的同时，不断地移出太阳电池因受光照所产生的热量，将这些热量加以利用供应生活用热水，在光电转换的过程中始终使太阳电池的采光面的温度保持在60℃以下，使太阳电池工作在最佳状态，提高了太阳电池的光电转换效率，同时实现了光电、光热的综合利用，将发电和热利用效率叠加，提高了太阳电池发电系统的整体效率。不仅降低了太阳能发电成本，而且拓展了系统功能。本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统尤为适合做屋顶光伏电站，它有效地解决了屋顶光伏电站楼宇居民热水供应的难题。本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统可以并网使用，也可以采用白天给蓄电池充电，晚上由蓄电池供电的方式供电。

附图说明

图1、本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例一的结构示意图(俯视图)；

图2为图1所示实施例中的一个发电单元结构图(立体图)；

图3为图2所示发电单元中水管、热管、下支承件连接图；

图3-1热管活动方向示意图；

图3-2为图3中I部分的局部剖视放大图；

图3-3为图3中II部分的局部剖视放大图；

图3-4为图3中太阳电池板的纵向剖视图；

图4本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例二的结构图；

图4-1为图4中①部分蜗杆与蜗轮啮合的局部放大图；

图5为图4所示光电、光热一体化的太阳电池发电系统中太阳跟踪装置中跟踪控制电路的工作原理框图；

图6为图4所示光电、光热一体化的太阳电池发电系统中太阳跟踪装置中跟踪控制电路的电原理图；

图7所示为本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。图1所示为本发明所提供的光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例一的结构示意图(俯视图)。该图所示的光电、光热一体化的太阳电池发电系统由两个发电单元构成，每个发电单元由安装架1和装在安装架1上的三块太阳电池板6、太阳电池板6上方的柱面菲涅耳透镜2、水管4、热管5、下支承件3构成，两个发电单元的水管4分别由连接管件4’连接，最外侧的进水管4a接进水开关SK1，水管通过温控开关8进入贮水箱7，由贮水箱7、与其相通的水管4、热管5及与热管为一体的吸热翅片(太阳电池组由导热绝缘树脂胶粘贴在吸热翅片上成为太阳电池板6，图1中只能看到太阳电池板6)构成了光热利用装置。图2为图1所示实施例中的一个发电单元。这个发电单元的安装架1上安装3个太阳电池板6，还在太阳电池板6的上方用固定架2.1安装了用柱面菲涅耳透镜2构成的聚光装置(为便于看清，这里只在一块太阳电池板上画了柱面菲涅耳透镜和固定柱面菲涅耳透镜用的固定架)，二者距离为柱面菲涅尔透镜的焦距，柱面菲涅尔透镜的条形聚焦斑落在其下方的太阳电池板上。贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成了光热利用装置。跟踪太阳装置的机械传动机构由在安装架的背面、与安装架水平方向平行的连动杆9与分动杆10组成，分动杆10的数目与太阳电池板同，分动杆10的一端固定在每个太阳电池板背面的热管上，其另一端与连动杆活动连接，连动杆的动作由跟踪控制电路和电机控制。参见图3、图3-1可知；热管5与水管4密封并活动连接，与下支承件3活动连接。图3-2、图3-3是活动连接处的局部剖视图，由图可知：热管5的冷凝段5.1插入与贮水箱相通的水管4上与其相应的盲孔4.1内，热管5的下部有与其紧密配合的套管11，热管5的下部由挡圈15、堵头14、轴承座13围住滚针轴承16，轴承座13固定在下支承件3的上表面上，由于热管的冷凝段一端与水管密封并活动连接，其另一端与装在安装架上的下支承件3活动连接，热管可以在连动杆和分动杆的带动下运转。图3-4是太阳电池板的纵向剖视图，可以看出，太阳电池板由与热管5为一体的吸热翅片6.3、导热绝缘树脂膜6.2、太阳电池组6.1构成，太阳电池板的下面是保温板6.4。该发电单元中用柱面菲涅耳透镜构成的聚光装置，菲涅尔透镜的面积为其下方的太阳电池板面积的8倍，焦距为400mm，将8倍面积的太阳光聚集在太阳电池上，由太阳跟踪装置使太阳电池板跟踪太阳，从而更进一步提高了太阳电池的光电转换效率，但由于聚光装置聚集阳光的作用，太阳跟踪装置使太阳电池板始终正对太阳，这也使太阳电池采光面的温度升高，由于太阳电池组安装在与热管为一体的吸热翅片上成为太阳电池板，太阳电池组与吸热翅片之间有导热绝缘膜，一方面与热管为一体的吸热翅片承担起支承太阳电池的作用，另一方面太阳辐射到太阳电池上的热量可以通过导热绝缘膜传到吸热翅片上，并迅速地将热量传到与其一体的热管中，热管的冷凝段5.1插入与贮水箱相通的水管4上与其相应的盲孔4.1内，将水管中的冷水变成热水后再经温控开关进入贮水箱，为防止热量散发，在太阳电池板的下面设置了保温板6.4，采用实施例一所示的光电、光热综合利用的发电单元组成的发电系统在将光能转变成电能的同时，将所产生的热量用来使冷却水加热供应生活用水，在光电转换的过程中始终使太阳电池的采光面的温度保持在60℃以下，使太阳电池可以工作在最佳状态，使系统的光电转换效率提高了5倍以上，同时，提供45—60℃的生活用水。该实施例中安装架1、固定柱面菲涅耳透镜2用的固定架2.1、连动杆9与分动杆10采用钢材制作，太阳电池采用非晶硅太阳电池，非晶硅太阳电池组用绝缘树脂胶粘贴于采用铝板做成的吸热翅片上。在水管的外面包有保温材料，该实施例中水管、热管采用铝材制作。在该实施例中如不装菲涅耳透镜，采用相同的跟踪方法可使相同面积非晶硅太阳电池提高25％～40％的发电量，并将照射在太阳电池表面的60％以上的太阳辐照转化为热量加以利用，使得太阳能的整体转换收益达到65％～70％。本实施例中太阳电池采用非晶硅太阳电池，也可采用单晶硅、多晶硅太阳电池。

图4为本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例二的结构图，图4-1为图4中①部分蜗杆与蜗轮啮合的局部放大图。在这个实施例中光电、光热一体化的太阳电池发电系统由一个发电单元构成，该发电单元的基本结构与实施例一中的发电单元相同，不同的是该光电、光热一体化的太阳电池发电系统的发电单元中有6个太阳电池板，未设聚光装置，在安装架上装有GPS接收机GPS、在太阳电池板上安装倾角传感器SEN1。该实施例的机械传动机构由在安装架的背面、与安装架水平方向平行的蜗杆中心轴9’和与其上蜗杆9.1’啮合的蜗轮9.2’组成，所述蜗轮9.2’安装在每个热管的上部、在太阳能板与热水管之间的位置上，所述蜗杆中心轴9’上蜗杆9.1’的数量与蜗轮9.2’数量相同、位置相应，一个发电单元中蜗杆连动杆上的蜗杆和与其啮合的蜗轮均为6个。该系统中太阳跟踪装置的驱动机构采用直流电机(图中省略)。

图5为实施例二中控制驱动机构工作的跟踪控制电路的工作原理框图。由图可知：该跟踪控制电路由GPS接收机、倾角传感器及单片机电路组成，GPS接收机、倾角传感器的输出信号进入单片机电路，单片机电路的输出控制方位角驱动电机的工作。由GPS接收机负责接收全球定位系统卫星发送的导航电文和时间信息，经计算求出接收机的位置，并向单片机电路输出时间信息和GPS接收机精密位置信息；单片机电路在程序的控制下计算各时刻太阳在地平坐标系中的位置，即太阳高度角和太阳方位角，倾角传感器将太阳电池板的朝向传送给单片机电路，单片机电路在程序的控制下计算出太阳电池板的朝向与正对太阳方向的差值，并据此发出控制信号，控制电机带动机械传动机构将太阳电池板调整至正对太阳的位置。图6所示为该跟踪控制电路的电原理图。该跟踪控制电路由GPS接收机GPS、倾角传感器SEN1、单片机电路由单片机U1、存储器U2、U3(FLASH、SDRAM)及通讯接口电路U4组成，GPS接收机GPS、倾角传感器SEN1通过通讯接口电路U4接单片机U1、单片机电路U1的输出通过开关管Q1、Q2，继电器J1、J2接方位角驱动电机M1，控制方位角驱动电机M1的正向、反向运转，从而驱动蜗杆中心轴9’带着其上的蜗杆9.1’转动，安装在每个热管的上部与蜗杆9.1’啮合的蜗轮9.2’转动，带动太阳电池板东西向跟踪太阳。由GPS接收机负责接收、运算并输出时间信息和精密位置信息给单片机电路；单片机电路计算各时刻太阳在地平坐标系上的位置，即高度角及方位角，对太阳电池板来说，某一时刻太阳相对于它的位置可以用太阳高度角α_s和太阳方位角γ_s来表示。它们都定义在地平坐标系上。地平坐标系规定观测点O，即太阳电池板所在点，为坐标原点，水平面的垂直方向为Z轴，地理正南方为X轴，地理正东方为Y。太阳高度角α_s是观测点O到太阳S的视线矢量与当地水平的夹角，取值范围是0°～90°；太阳方位角γ_s是该视线失量在当地水平面上的投影与地理正南方的夹角，并规定正南方为零度，向西为正，向东为负，取值范围是-180°～+180°。

太阳高度角和太阳方位角不仅与观测点的地理位置有关，还是时间的函数。这里的时间用太阳时角ω表示。ω的变化周期为一昼夜，变化范围为±180°。规定正午12时ω＝0，每隔一小时增加15°，上午为正，下午为负。例如，上午10点相对于ω＝2×15°＝30°。太阳高度角和太阳方位角可分别由下式表示：

sin α_s＝sinlsinδ+coslcosδ cosω

$\sin {\mathrm{\γ}}_s=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\ω}}{\cos {\mathrm{\α}}_s}$

式中l表示观测点地理纬度，δ表示太阳赤纬，ω表示太阳时角。安装在太阳能板上的倾角传感器将太阳电池板的朝向传送给单片机电路，安装在太阳能板上的倾角传感器采用双轴倾角传感器，该实施例中太阳电池板的俯仰角采用手动调节安装架的倾斜角度解决，单片机电路在程序的控制下计算出太阳电池板的朝向与正对太阳方向的差值传送给单片机电路；单片机电路发出控制信号，通过控制开关管Q1或Q2的导通、截止，控制继电器J1或J2的通、断，从而控制方位角驱动电机M1驱动方位角传动机构带动太阳电池板东西方向跟踪太阳。由于GPS接收机在完成初始化后，在保持锁定的状态下可以最快每秒传送一次位置修正信息，这对于跟踪太阳来说是足够精确的，倾角传感器提供了可靠的分辨率、动态响应时间和精确度，因此在本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统中采用这种跟踪系统可以使太阳电池板保持跟踪太阳，从而更进一步提高了太阳电池的光电转换效率，再加上由贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成的光热利用装置，使太阳电池可工作在最佳状态，使系统的光电转换效率高，同时，还可提供45—60℃的生活用水。

图7所示为本发明所提供光电、光热一体化的太阳电池发电系统实施例三的结构示意图。在这个实施例中光电、光热一体化的太阳电池发电系统由一个发电单元构成，其基本结构与实施例一中的发电单元相同，不同的是该发电单元中有8个太阳电池板，在安装架上装有GPS接收机GPS、在太阳电池板上安装倾角传感器SEN1，该实施例的太阳跟踪装置中驱动太阳电池板东西向跟踪太阳的驱动机构采用液动缸，跟踪控制电路由GPS接收机、倾角传感器SEN1和单片机电路构成，该实施例的机械传动机构由在安装架的背面、与安装架水平方向平行的连动杆9与分动杆10组成，分动杆10的数目与太阳电池板同，分动杆10的一端固定在每个太阳电池板6背面的热管5上，其另一端与连动杆活动连接，由跟踪控制电路和液动缸控制连动杆9、分动杆10带动太阳电池板东西方向跟踪太阳，太阳电池板的俯仰角可以手动调节安装架1的俯仰角度。该实施例中由GPS接收机负责接收全球定位系统卫星发送的导航电文和时间信息，经计算求出接收机的位置，并向单片机电路输出时间信息和GPS接收机精密位置信息；单片机电路在程序的控制下计算各时刻太阳在地平坐标系中的位置，即太阳高度角和太阳方位角，倾角传感器将太阳电池板的朝向传送给单片机电路，单片机电路在程序的控制下计算出太阳电池板的朝向与正对太阳方向的差值，并据此发出控制信号，控制液动缸的电磁阀的工作状态，液动缸的活塞杆带动连动杆9、分动杆10、太阳电池板东西向运动跟踪太阳。

Claims (3)

1.一种光电、光热一体化的太阳电池发电系统，由太阳电池板及其安装架构成的发电装置、太阳跟踪装置组成，所述太阳跟踪装置包括驱动机构、机械传动机构和控制驱动机构的跟踪控制电路，其特征在于系统上还有由贮水箱、与其相通的水管、热管及与热管为一体的吸热翅片构成的光热利用装置，所述太阳电池板依次由太阳电池组、导热绝缘树脂胶及与热管为一体的吸热翅片组装而成，与太阳电池相接触的吸热翅片的面积大于、等于太阳电池组采光面面积，热管的蒸发段在太阳电池组的背面，热管的冷凝段插入与贮水箱相通的水管内，热管的冷凝段一端与水管密封并活动连接，其另一端与装在安装架上的下支承件活动连接；由N块太阳电池板、太阳电池板背面的N个热管、与贮水箱相通的水管、下支承件被装在安装架上构成一个光电、光热一体化的太阳电池发电单元，其中N≥1，该系统由一个以上的光电、光热一体化的太阳电池发电单元组成，两个相邻单元的水管由连接管件连接，最外侧的进水管接进水开关，靠近贮水箱一侧的水管通过温控开关连接贮水箱。

2.根据权利要求1所述的光电、光热一体化的太阳电池发电系统，其特征在于所述的太阳跟踪装置中机械传动机构由在安装架的背面、与安装架水平方向平行的蜗杆中心轴，装于其上的蜗杆以及与其上蜗杆啮合的蜗轮组成，所述蜗轮安装在每个热管的上部、在太阳能板与水管之间的位置上，所述蜗杆中心轴上蜗杆的数量与蜗轮数量相同、位置相应。

3.根据权利要求1所述的光电、光热一体化的太阳电池发电系统，其特征在于所述的太阳跟踪装置中的控制驱动机构的跟踪控制电路由GPS接收机、倾角传感器及单片机电路组成，GPS接收机、倾角传感器的输出信号进入单片机电路，单片机电路的输出通过驱动机构控制机械传动机构的工作，GPS接收机、倾角传感器安装在太阳电池板上，所述的驱动机构是电机或液动缸。

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