CN101771368A - 分级利用的太阳能聚光发电装置 - Google Patents

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韩玉阁
宣益民
黄金国
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Abstract

本发明涉及一种分级利用的太阳能聚光发电装置,由一个或一个以上的太阳能聚光发电装置以阵列的形式排列而成,其中每一个单一的装置包括反射式聚光器、一级光伏电池、一级滤波器、二级电池和散热器,在反射式聚光器表面上设置一级光伏电池,在该光伏电池表面上贴有一级滤波器,使得可转化波段的太阳光透过该一级滤波器到达一级光伏电池,转化为电能,可转化波段范围以外的太阳能则和其余落在聚光器表面上的太阳能一起反射向设置在聚光器光线会聚处的二级电池。本发明可显著提高对太阳能的转化效率,增大了系统效率及总的输出电功率;减少了到达二级电池的太阳能量,减小了二级电池的热负荷,降低了对散热器性能和功率的要求,从而扩展了本发明装置的适用性。

Description

分级利用的太阳能聚光发电装置
技术领域
[0001] 本发明属于光电直接转化和热电转化技术,即是一种分级利用的太阳能聚光发电
装置。 背景技术
[0002] 聚光光伏系统是将太阳能直接转化为电能的系统,其原理为:利用聚光器将太阳 光聚集于太阳能光伏电池片上,在电池片的表面贴有滤波器,使得可转化波段的太阳光可 以尽量地透射到电池片上,并被转化为电能对外输出;而其余波段的太阳光则被反射回去, 以阻止其到达光伏电池使得电池的温度过分升高而影响电池正常工作。
[0003] 热电温差电池是一种利用材料内部载流子运动实现热能和电能直接转换的发电 设备。为了获得较高的发电效率,温差电池必须有很高的热面温度和较大的温差。所以在 实际应用中,太阳能温差电池都是与聚光系统联系在一起的。利用聚光器将太阳光聚集到 温差电池上,同时要保证电池的两面有较大的温差。
[0004] 各国光伏工作者在不断地以实验结果验证聚光技术,这是在提高太阳电池转换效 率的前提下,大幅度降低电池片的消耗量和光伏发电成本的最有效方案。早在1988年, Sandia实验室就报道其GaAs太阳电池的效率已达27.8X (聚光强度比为216suns) 。 1995 年,FhG-ISE实验室报道在96倍聚光条件下,Si电池的效率可以达到26.8%。 2004年, FhG-ISE实验室在92倍聚光条件下将Si电池的效率提高到了 27. 6% 。 2001年,NREL实验 室报道其CIGS波膜电池在14倍聚光条件下的效率可以达到21. 5%。
[0005] 由此可见,太阳能聚光光伏系统相对于普通的光伏系统,效率已经有了一定的提 高,但仍然存在一定的问题:1、聚光比的增高必然引起电池热负荷的急剧增加,对散热器的 性能和功率提出了更高的要求,如果散热器达不到理想效果的话会使得电池温度升高,从 而降低电池的效率,所以对于给定的电池,聚光器的聚光比有一个上限值,通过进一步提高 聚光比以提高电池效率的措施受到限制;2、常用的聚光系统有折射聚光系统和反射聚光系 统,分别利用透镜和反射镜将太阳光聚焦到太阳能电池上。传统菲涅尔透镜存在难以实现 的高接收角、聚光后光强分布不均匀和易老化变形等问题。3、聚光器在会聚过程中不可避 免地存在着能量的损失,如果使得太阳能量在损失前就可以得到一定的利用,则必然使得 系统的效率得以提高。
[0006] 专利申请分频吸收的太阳能热光伏装置(200710132772.0)提供了一种解决上 述问题的方法,即利用反射式聚光器将光线会聚于一个热光伏装置,在聚光器表面设置 有光伏电池,该光伏电池和热光伏装置产生的电能共同输出构成总的输出电能。专利 200710132772. 0提出了分两级利用太阳能的思想,但其聚光器采用点聚焦抛物面型,使得 在聚光器表面设置光伏电池比较困难;同时,采用热光伏装置,需要将热光伏装置中的辐射 器升高到上千度的高温,这对保温措施提出了很高的要求;另外,采用热光伏装置,需要先 将太阳能转化为热能,然后通过辐射器将热能以辐射能的形式辐射到光伏电池进行发电, 层层转化导致效率难以提高。发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种系统效率及输出功率高的分级利用的太阳能聚光发 电装置,着眼于太阳能的高效利用。
[0008] 实现本发明目的的技术方案为:一种分级利用的太阳能聚光发电装置,由一个或 一个以上的太阳能聚光发电装置以阵列的形式排列而成,其中每一个单一的装置包括反射 式聚光器、一级光伏电池、一级滤波器、二级电池和散热器,在反射式聚光器表面上设置一 级光伏电池,在该光伏电池表面上贴有一级滤波器,使得可转化波段的太阳光透过该一级 滤波器到达一级光伏电池,转化为电能,可转化波段范围以外的太阳能则和其余落在聚光 器表面上的太阳能一起反射向设置在聚光器光线会聚处的二级电池。
[0009] 本发明与现有技术相比,其显著优点是:采用两级电能转化装置,可显著提高对太 阳能的转化效率,增大了系统效率及总的输出电功率。当本发明装置的二级电池选用光伏 电池时,与普通的聚光光伏装置相比,利用一级光伏电池吸收了部分太阳光,有以下两个好 处:(l)采用同样的聚光器的时候,本装置减少了到达二级电池的太阳能量,减小了二级电 池的热负荷,降低了对散热器性能和功率的要求,从而扩展了本发明装置的适用性;(2)采 用同样的散热器的时候,本装置可以采用聚光比更高的聚光器会聚太阳光,即可以在更宽 的聚光比范围内选择聚光器。二级电池可选用光伏电池也可选用热电温差电池,使得本发 明的结构应用范围更加广泛,同时,不同能量形式之间的转化次数较少,更有利于提高装置 的效率。本发明可以应用于航空、航天、生活等领域,为飞行器及日常生活等提供充足的电 能,应用前景广泛。
[0010] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。 附图说明
[0011] 图1是本发明二级电池为光伏电池时,分级利用的太阳能聚光发电装置的剖面及
光路图。
[0012] 图2是本发明的分级利用的太阳能聚光发电装置立体示意图。 [0013] 图3是本发明以阵列形式排列的太阳能聚光发电装置示意图。
具体实施方式
[0014] 结合图l,本发明分级利用的太阳能聚光发电装置,由一个或一个以上的太阳能聚 光发电装置以阵列的形式排列而成,其中每一个单一的装置1包括反射式聚光器2、一级光 伏电池3、一级滤波器4、二级电池6和散热器7,在反射式聚光器2表面上设置一级光伏电 池3,在该光伏电池3表面上贴有一级滤波器4,使得可转化波段的太阳光透过该一级滤波 器4到达一级光伏电池3,转化为电能,可转化波段范围以外的太阳能则和其余落在聚光器 2表面上的太阳能一起反射向设置在聚光器2光线会聚处的二级电池6。其中,二级电池6 可以选用比一级光伏电池3禁带波长更高的光伏电池,此时,该光伏电池表面上贴有二级 滤波器5,并在二级光伏电池的背面装有散热器7。 二级电池6可以选用热电温差电池,此 时,该热电温差电池面向聚光器2的一面涂黑,并在热电温差电池的背面装有散热器7 。 [0015] 根据上述内容,也就是本发明分级利用的太阳能聚光发电装置包括两种实施例:[0016] 实施例1主要包括一个聚光器,如线聚焦抛物线型,在聚光器的表面和光线会聚 位置处分别设置一级光伏电池(如Si电池)和二级光伏电池(如GaSb电池),两级电池的 表面都设置有滤波器,以达到透过可转化波段太阳能和反射非转化波段太阳能的目的。在 二级电池的背面设置一个散热器。
[0017] 实施例2与实施例1的结构基本相同,也包括一个聚光器,例如线聚焦抛物线型, 在聚光器的表面设置一级光伏电池,而在光线会聚位置则设置二级热电温差电池,如三元 层结构热电温差电池。 一级光伏电池的表面须设置有滤波器,其作用与第一套方案中的相 同,而二级热电温差电池的表面则不需要设置有滤波器。温差电池面向聚光器的一面要涂 黑,以提高表面的吸收比,尽可能多地吸收会聚光能量。在二级电池的背面设置散热器。 [0018] 本发明的原理是:采用反射式聚光器对太阳光进行会聚,在聚光器的表面设置一 级光伏电池,在聚光器的光线会聚位置处设置二级光伏电池或热电温差电池。 一级光伏电 池表面设置具有滤波作用的滤波器,对于可转化波段的太阳光,滤波器具有很高的透射率, 一般会达到90%左右;对于其他波段的太阳光则具有极高的反射率。所以一级电池可转化 波段的大部分太阳光可以透过滤波器到达电池表面,直接转化为电能;未透过滤波器部分 的太阳光则被反射到二级电池,以继续利用。二级电池放置于聚光器的光线会聚位置处。对 于第一套方案,由于能量比较集中,所以电池工作温度比较高,为保证光电池处于正常的工 作温度下,在电池的背面设置一个散热器以消除电池工作过程中产生的废热。对于第二套 方案,可以采用一个表面涂黑的多元层结构热电温差电池作为二级电池,电池的背面设置 一个散热器以保证电池的两面具有较大的温差。两级电池产生的电功率的和即为装置输出 的总的电功率。这样,实现了太阳能的分级高效利用。
[0019] 结合图1 ,本发明的分级利用的太阳能聚光发电装置,包括反射式聚光器2,其型 式和大小可以根据需要适当选取。在聚光器2表面设置一级光伏电池3,如Si电池,在一级 光伏电池3表面贴有一级滤波器4,使得可转化波段的太阳光可以透过该滤波器到达电池, 转化为电能,此波段范围以外的太阳能则和其余落在聚光器表面上的太阳能一起反射向设 置在聚光器光线会聚处的二级电池6,可转化波段的太阳光不可能都透过滤波器4而到达 一级电池表面,即滤波器的透射率是达不到100%的,这就导致一部分可转化波段的太阳能 不可避免地被反射了出去,这一部分能量和可转化波段以外的太阳光一起射向二级电池继 续产生电能。上述二级电池6可以为比一级电池禁带波长更高的光伏电池,如GaSb电池,其 表面贴有二级滤波器5,作用和4相同,即透过可转化波段太阳光反射非转化波段太阳光。 在二级光伏电池的背面设置散热器7,其作用是消除电池工作过程中产生的废热。 [0020] 由滤波器5、二级光伏电池6组成的二级电池也可以用一个多元层结构热电温差 电池来代替,该热电温差电池面向反射式聚光器2的一面涂黑,以提高表面的吸收比,尽可 能多地吸收会聚光能量;结构中可以省去滤波器,电池的背面设置散热器7,以保证电池的 两面具有较大的温差。典型的三元层热电温差电池为SiGe-PbTe-Bi2Te3电池。第一层为 SiGe层,首先接触会聚光,在温差电池中SiGe层工作温度最高;第二层为PbTe层,工作在 次高温度下;第三层为BiJ^层,工作温度最低。单级热电温差电池效率较低,采用三层联 级的结构,电池的效率可以显著提高。利用上述结构,我们可以实现太阳能的充分高效利 用。
[0021] 结合图2,聚光器2表面上设置一级光伏电池,按照每层最多可能设置的数量进行
5设置,以使得聚光器表面尽量被电池布满。电池的数量由聚光器的大小决定。本发明装置 可加工成图2所示的结构,只有一个聚光器以及相对应的一级、二级电池,整个装置由支架 7支撑。
[0022] 结合图3,本发明分级利用的太阳能聚光发电装置也可加工成由若干个上述的单 一的装置1组合而成的形式。各单一装置产生的电功率的和即为输出的总的电功率。
6

Claims (3)

  1. 一种分级利用的太阳能聚光发电装置,其特征在于:由一个或一个以上的太阳能聚光发电装置以阵列的形式排列而成,其中每一个单一的装置[1]包括反射式聚光器[2]、一级光伏电池[3]、一级滤波器[4]、二级电池[6]和散热器[7],在反射式聚光器[2]表面上设置一级光伏电池[3],在该光伏电池[3]表面上贴有一级滤波器[4],使得可转化波段的太阳光透过该一级滤波器[4]到达一级光伏电池[3],转化为电能,可转化波段范围以外的太阳能则和其余落在聚光器[2]表面上的太阳能一起反射向设置在聚光器[2]光线会聚处的二级电池[6]。
  2. 2. 根据权利要求l所述的分级利用的太阳能聚光发电装置,其特征在于:二级电池[6] 选用比一级光伏电池[3]禁带波长更高的光伏电池,此时,该光伏电池表面上贴有二级滤 波器[5],并在二级光伏电池的背面装有散热器[7]。
  3. 3. 根据权利要求l所述的分级利用的太阳能聚光发电装置,其特征在于:二级电池[6] 选用热电温差电池,此时,该热电温差电池面向聚光器[2]的一面涂黑,并在热电温差电池 的背面装有散热器[7]。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103825534A (zh) * 2014-03-22 2014-05-28 云南师范大学 一种新型聚光光伏半导体温差发电装置
CN104734566A (zh) * 2015-03-26 2015-06-24 广州市香港科大霍英东研究院 一种槽式聚光太阳能温差发电器
CN105633188A (zh) * 2016-03-11 2016-06-01 苏州大学 太阳能供电装置

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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20100707