CN101783630A - 一种太阳能发电集热方法及其专用装置 - Google Patents

一种太阳能发电集热方法及其专用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能发电集热方法及其专用装置。该方法包括：聚光方法；接收方法为将聚光系统聚集的太阳光聚焦至焦点中心III-V族化合物光伏电池片上，产生电能经过逆变器并网或使用蓄电池收集，产生热能利用循环水路进行收集热量；以及自动追踪方法。该专用装置包括聚光系统、接收系统和自动追踪系统。本发明采用小聚光镜片反光，使反光效率达到95％，大镜面聚集聚焦，使得太阳光的光能密度大大提高至1000倍以上，选用砷化镓太阳能电池组件，转换效率提高，可以产生普通光伏电池2-3倍电能，使用自动追踪系统，采用使得整个系统的发电量高于传统固定式系统达到30％以上。另外可以采用移动和固定两种安装方式，适用面更广阔。

Description

一种太阳能发电集热方法及其专用装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电集热系统，尤其涉及一种太阳能发电集热方法及其专用装置。
背景技术
目前，随着传统能源的日益紧缺和全球环境的日益恶化，各国对于可再生能源的重视程度不断提高。而在诸多的可再生能源中，只有太阳能取之不尽，用之不竭且没有污染，是最具有发展潜力的可再生能源。太阳能的利用形式包括光伏、光热等。
近年来随着转化效率的不断提高及电池厚度的日益降低，晶硅太阳能电池逐渐占据市场的主流。但是晶硅电池的快速发展却导致了硅原料的短缺且硅电池在生产过程中产生大量的资源消耗。使得光伏发电的成本居高不下，而且光转化效率不到20％，光能利用率差和增加环保负担，也不能产生热能。因此，如何寻找新材料、新结构来提高太阳能使用效率，降低成本，成为太阳能技术得到大规模普及应用所必须解决的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种太阳能发电集热方法。本发明的另一目的是提供这种方法的专用装置，以实现具有结构简单，光电转化效率高，光能利用率高达70％以上，环境适用性强等优点，能够在光伏发电的同时，收集光热从而提供热水，热能利用率达到40％以上。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种太阳能发电集热方法，包括聚光方法、接收方法和自动追踪方法；所述的聚光方法为采用小聚光镜片反光，球状抛物面形状的镜面将反射的太阳光聚集进入接收器；所述的接收方法为将聚光系统聚集的太阳光聚焦至焦点中心III-V族化合物光伏电池片上，产生电能经过逆变器并网或使用蓄电池收集，产生热能通过散热器散出，利用循环水路进行收集热量，进入集水箱；散热器上的温差电池芯片利用水循环冷却系统产生温度差而产生电能。所述的自动追踪方法包括水平方向追踪和垂直方向追踪，通过传感器感应太阳的位置，将数据传入控制器，通过控制器控制水平方向追踪机构和垂直方向追踪机构，实现自动追踪太阳光。
一种上述的太阳能发电集热方法的专用装置，包括聚光系统、接收系统和自动追踪系统。所述的聚光系统至少包括一个聚光单元，所述的聚光单元包括具有球状抛物面形状的镜面，所述的镜面由若干个小聚光镜片组成。所述的接收系统包括III-V电池组件、高温层压散热器和无阻集热传输装置，III-V电池组件与高温层压散热器相连，在所述的高温层压散热器上设置有温差电池芯片，在III-V电池组件上设置有输出电极，在所述的温差电池芯片和输出电极上均设有线路与逆变器或蓄电池相连。所述的自动追踪系统包括机械或液压式追踪器、传感器、PLC自动控制器和驱动系统；在该装置的主支撑架上设置有机械或液压式追踪器，该机械或液压式追踪器与聚光系统的支撑架相连，并通过传感器、PLC自动控制器和驱动系统的相互配合作用，实现对太阳光的自动追踪。所述的镜面将太阳光聚集后，反射入接收系统，通过III-V电池组件的发电集热，电能通过电极传入蓄电池，热能通过散热器而被收集。
所述的小聚光镜片阵列在复合强化塑料上，所述的复合强化塑料设置在具有网状球形抛物面的支撑结构上。所述的复合强化塑料为抗紫外线的复合强化塑料，经过高精度抛磨，在其上涂有反光涂层。
所述的III-V电池组件是通过在砷化镓衬底片上进行外延单层、双层多层外延层，制作成为单层、双层多级电池。所述的III-V电池组件嵌入无阻传导集热器，无阻传导集热器与高温层压散热器相连；在III-V电池组件上设置有输出电极；所述的无阻集热传输装置包括设置在高温层压散热器上的进出水口和与集水器相通的进出水管，通过进出水管的最小限度流阻实现最大换热能力，从而实现集热。在所述的高温层压散热器上设置有温差电池芯片，温差电池芯片利用水循环冷却系统产生温度差而产生电能；在输出电极和温差电池芯片上均设有线路与逆变器或蓄电池相连。
所述的机械或液压式追踪器包括机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构；所述的机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构通过各自的线路与驱动系统相连接，所述的控制器连接着传感器和驱动系统；所述的传感器感应太阳的方位及风速信号传给控制器，由控制器控制驱动系统来驱动机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构，使太阳能发电集热专用装置实现水平方向回转252°方位角和垂直方向旋转94°方位角。
III-V电池组件：选用大尺寸砷化镓片材经过高度磨抛后，通过MOCVD技术在其表面外延单、双层外延层，并经过切割、划线等太阳能制作工艺制成高光电转化效率的砷化镓光伏电池，聚光后所产生的电能由电极导出。
将生产的砷化镓光伏电池通过特殊的层压技术，层压至无阻传导集热器上。其中层压适用瑞士进口层压机械，采用先进的激光焊接艺术，一次成型，制成太阳能光伏光热结合组件。无阻传导集热器为膨胀系数与砷化镓电池相近的陶瓷基础材料加上热传媒传导技术制成。
选用特殊抗紫外线复合强化塑料作为聚光小镜片基材，经过高精度研磨抛光后，在表面增加特殊纳米反光涂层，使反光效率达到95％以上。然后安装至已经设计好的大型曲面上。
聚光系统经过精密计算，将太阳光经曲面反射聚光，照射在焦点中心砷化镓电池上。为了保证曲面的抗风性和焦点光斑的均匀性，采用多镜片划分技术，使用小型镜片进行光反射，其中聚光小镜片支撑采用复合强化网格塑料，制成球状曲面结构。
聚光系统与追踪系统相连接。主要由主支撑结构、方位角跟踪结构、仰角跟踪结构组成。聚光系统是由采用多个矩形钢管紧贴球状抛物面，制成网状球形托架。此结构重量轻，抗风能力强。该球形托架既与聚光系统固定，又与平衡臂用螺栓固定。
平衡臂与横担支架钢管用螺栓联接。横担支架钢管与仰角跟踪结构相联接，仰角跟踪机构是一种机械式丝杆传动结构形式当仰角跟踪结构中的电机驱动时，横担支架钢管在仰角跟踪结构电机驱动下，将力矩传递到平衡臂上，而平衡臂带动托架及聚光系统在垂直方向(南北向)94°方位角旋转。
主支撑结构采用钢管支架，下端面与地脚螺栓相固定，支架上端面与方位角跟踪结构联接。当方位角跟踪结构中的电机驱动后，电机输出轴带动小齿轮传动主支承结构上的大齿轮，大齿轮在平面轴承的作用下带动齿轮箱、仰角跟踪结构、横担支架钢管、平衡臂、托架及聚光系统实现水平方向(东西向)252°的方位角旋转。既水平方向回转又垂直方向旋转始终将太阳光垂直于球状抛物面从而达到最高效率。使得整个系统的发电量高于传统固定式系统，达到30％以上。
控制器与传感器能连续根据时间和地点计算太阳位置，并根据接受的风速信号，通过自动编程装置进行程序控制，启动电机控制系统。从而保证整套系统安全性和整个太阳跟踪定位控制系统对太阳位置测定的精确度。
无阻传导集热器与水冷系统结合，通过低耗水泵是水路循环，经无阻传导集热器加热后的热水经过蓄水箱，将蓄水箱中的水加热，留作使用。
机械式跟踪机构是在控制器接受到传感器的信号下，发出控制信号驱动方位角跟踪器电机，电机输出轴带动小齿轮传动主支承结构上的大齿轮，大齿轮在平面轴承的作用下带动齿轮箱、横担支架钢管、平衡臂、及聚光系统水平旋转252°方位角。与此同时，仰角跟踪器驱动电机接受到控制器的信号，使仰角跟踪器实行南北方向94°摆动。
液压式跟踪机构通过传感器感应太阳的方及风速信号，由控制器控制液压式跟踪机构的驱动电机，驱动电机通过液压传动使聚光系统实行水平方向和垂直方向旋转。
追踪太阳光聚光系统可分固定式和移动式两种。
固定式是将主支承结构用地脚螺栓固定在水泥地基上。这种固定方法稳定性好，抗风能力强。移动式是用三个三角架固定在主支承结构上，利用三角形具有稳定性原理增加与地面的接触面积，使整个系统具有稳定性，放置于平坦的地面上即可。
聚光系统是一种接近正方形(带圆弧形)球状抛物面。这种形状的聚光系统最大采光面积可达52平方米。外圆弧是抗紫外线复合强化塑料，内为多个弧形抛物面小镜片经过纳米热媒技术加以紧固。这种弧形抛物面小镜片产生很强反射光。在太阳光照射下，经过弧形抛物面镜片反射聚焦将太阳光的光能密度大大提高(1000倍以上)。可使砷化镓太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅上获得大的电流且集热可持续产生很高温度。
有益效果：本发明的太阳能发电集热方法及其专用装置，结构简单，安装方便。采用特制材料制作的小聚光镜片反光，使反光效率达到95％，大镜面聚集聚焦，使得太阳光的光能密度大大提高至1000倍以上，选用砷化镓太阳能电池组件，转换效率提高，可以产生普通光伏电池2-3倍电能，使用自动追踪系统，采用使得整个系统的发电量高于传统固定式系统达到30％以上。另外可以采用移动和固定两种安装方式，使得该太阳能发电集热专用装置的适用面更广阔。
附图说明
图1是本发明的太阳能发电集热专用装置结构示意图。
图2是本发明的双聚光单元的太阳能发电集热专用装置结构示意图。
图3是本发明的多聚光单元的太阳能发电集热专用装置结构示意图。
图4是本发明的太阳能发电集热专用装置垂直工作时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的解释。
一种太阳能发电集热方法，包括聚光方法、接收方法和自动追踪方法；所述的聚光方法为采用小聚光镜片反光，球状抛物面形状的镜面将反射的太阳光聚集进入接收器；所述的接收方法为将聚光系统聚集的太阳光聚焦至焦点中心III-V族化合物光伏电池片上，产生电能经过逆变器并网或使用蓄电池收集，产生热能通过散热器散出，利用循环水路进行收集热量，进入集水箱；散热器上的温差电池芯片利用水循环冷却系统产生温度差而产生电能；所述的自动追踪方法包括水平方向追踪和垂直方向追踪，通过传感器感应太阳的位置，将数据传入控制器，通过控制器控制水平方向追踪机构和垂直方向追踪机构，实现自动追踪太阳光。
如图1、图2、图3和图4所示，为本发明的太阳能发电集热专用装置。其中，图1是单聚光单元的太阳能发电集热专用装置，图2是双聚光单元的太阳能发电集热专用装置，图3是多聚光单元的太阳能发电集热专用装置。该太阳能发电集热专用装置，包括聚光系统1、接收系统和自动追踪系统。
聚光系统1至少包括一个聚光单元，所述的聚光单元包括具有球状抛物面形状的镜面，所述的镜面由若干个小聚光镜片组成。所述的小聚光镜片阵列在复合强化塑料上，所述的复合强化塑料设置在具有网状球形抛物面的支撑结构上。所述的复合强化塑料为抗紫外线的复合强化塑料，经过高精度抛磨，在其上涂有反光涂层。该支撑结构由采用多个矩形钢管紧贴球状抛物面，制成网状球形托架10。此结构重量轻，抗风能力强，达8级以上。
聚光系统经过精密计算，将太阳光经曲面反射聚光，照射在焦点中心砷化镓电池上。为了保证曲面的抗风性和焦点光斑的均匀性，采用多镜面划分技术，使用小型镜面进行光反射，其中镜面支撑网格采用复合强化塑料，制成球状曲面结构。
聚光单元是一种接近正方形(带圆弧形)球状抛物面。这种形状的聚光单元最大采光面积可达52平方米。外圆弧是抗紫外线复合强化塑料，内为多个弧形抛物面小镜片经过纳米热媒技术加以紧固。这种弧形抛物面小镜片产生很强反射光。在太阳光照射下，经过弧形抛物面镜片反射聚焦将太阳光的光能密度大大提高(1000倍以上)。可使砷化镓太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅上获得大的电流且集热可持续产生很高温度。
接收系统包括III-V电池组件7、高温层压散热器6和无阻集热传输装置8，III-V电池组件7与高温层压散热器6相连，在高温层压散热器6上设置有无阻集热传输装置8的进出水口。III-V电池组件7是通过在砷化镓衬底片上进行外延单层、双层多层外延层，制作成为单层、双层多级电池。所述的II-V电池组件7与高温层压散热器6相连，首先是III-V电池组件7嵌入无阻传导集热器，无阻传导集热器再与高温层压散热器相连；在高温层压散热器上还设有温差电池芯片，温差电池芯片利用水循环冷却系统产生温度差而产生电能，在III-V电池组件7上设置有输出电极，在输出电极和温差电池芯片上均设有线路与逆变器或蓄电池相连接。无阻集热传输装置8包括设置在高温层压散热器6上的进出水口和与集水器相通的进出水管，通过进出水管的最小限度流阻实现最大换热能力，从而实现集热。
III-V电池组件7：选用大尺寸砷化镓片材经过高度磨抛后，通过MOCVD技术在其表面外延单、双层外延层，并经过切割、划线等太阳能制作工艺制成高光电转化效率的砷化镓光伏电池，聚光后所产生的电能由电极导出。将生产的砷化镓光伏电池通过特殊的层压技术，层压至无阻传导集热器上。其中层压适用瑞士进口层压机械，采用先进的激光焊接艺术，一次成型，制成太阳能光伏光热结合组件。无阻传导集热器为膨胀系数与砷化镓电池相近的陶瓷基础材料加上热传媒传导技术制成。
自动追踪系统包括机械或液压式追踪器、传感器、PLC自动控制器5和驱动系统；在该装置的主支撑架2上设置有机械或液压式追踪器，该机械或液压式追踪器与聚光系统的网状球形托架10相连接，并通过传感器、PLC自动控制器5和驱动系统的相互配合作用，实现对太阳光的自动追踪。机械或液压式追踪器包括机械或液压式方位角追踪机构3和机械或液压式仰角追踪机构4；所述的机械或液压式方位角追踪机构3和机械或液压式仰角追踪机构4通过各自的线路与驱动系统相连接，所述的PLC自动控制器5连接着传感器和驱动系统；所述的传感器感应太阳的方位及风速信号传给PLC自动控制器，由PLC自动控制器控制驱动系统来驱动机械或液压式方位角追踪机构3和机械或液压式仰角追踪机构4，使太阳能发电集热专用装置实现水平方向(东西方向)回转252°方位角和垂直方向(南北方向)旋转94°方位角。
聚光系统1与自动追踪系统相连接。主要由主支撑结构2、机械或液压式方位角跟踪结构3、机械或液压式仰角跟踪结构4组成。球形托架10既与聚光系统1固定，又与平衡臂11用螺栓9固定。
主支撑结构2采用钢管支架，下端面与地脚螺栓相固定，支架上端面与机械或液压式方位角跟踪结构3连接。当机械或液压式方位角跟踪结构3中的驱动系统驱动后，电机输出轴带动小齿轮传动主支承结构2上的大齿轮，大齿轮在平面轴承的作用下带动齿轮箱、机械或液压式仰角跟踪结构4、横担支架钢管12、平衡臂11、球形托架10及聚光系统1实现水平方向(东西向)252°的方位角旋转。平衡臂11与横担支架钢管12用螺栓连接。横担支架钢管11与机械或液压式仰角跟踪结构4相连接，机械或液压式仰角跟踪结构4是一种机械式丝杆传动结构形式，当机械或液压式仰角跟踪结构4中的电机驱动时，横担支架钢管12在机械或液压式仰角跟踪结构4电机驱动下，将力矩传递到平衡臂11上，而平衡臂11带动球形托架10及聚光系统1在垂直方向(南北向)94°方位角旋转。既水平方向回转又垂直方向旋转始终将太阳光垂直于球状抛物面从而达到最高效率。使得整个系统的发电量高于传统固定式系统，达到30％以上。
PLC自动控制器5与传感器能连续根据时间和地点计算太阳位置，并根据接受的风速信号，通过自动编程装置进行程序控制，启动电机控制系统。从而保证整套系统安全性和整个太阳跟踪定位控制系统对太阳位置测定的精确度。
机械式追踪器是在控制器接受到传感器的信号下，发出控制信号驱动方位角跟踪器电机，电机输出轴带动小齿轮传动主支承结构上的大齿轮，大齿轮在平面轴承的作用下带动齿轮箱、横担支架钢管12、平衡臂11、及聚光系统水平旋转252°方位角。与此同时，仰角跟踪器驱动电机接受到控制器的信号，使仰角跟踪器实行南北方向94°摆动。
液压式追踪器通过传感器感应太阳的方及风速信号，由控制器控制液压式跟踪机构的驱动电机，驱动电机通过液压传动使聚光系统实行水平方向和垂直方向旋转。
该太阳能发电集热专用装置可分固定式和移动式两种。固定式是将主支承结构用地脚螺栓固定在水泥地基上。这种固定方法稳定性好，抗风能力强。移动式是用三个三角架固定在主支承结构上，利用三角形具有稳定性原理增加与地面的接触面积，使整个系统具有稳定性。
另外，本专用装置的无阻传导集热器与水冷系统结合，通过低耗水泵是水路循环，经无阻传导集热器加热后的热水经过蓄水箱，将蓄水箱中的水加热，留作使用。水循环冷却系统，包括冷却蓄水池、热水蓄水箱、低耗水泵以及相关水路管道系统。光伏发电并网和储存使用系统，包括逆变器、蓄电池、智能并网计流设备、电线电缆等。

Claims (10)

1.一种太阳能发电集热方法，其特征在于：包括聚光方法、接收方法和自动追踪方法；所述的聚光方法为采用小聚光镜片反光，球状抛物面形状的镜面将反射的太阳光聚集进入接收器；所述的接收方法为将聚光系统聚集的太阳光聚焦至焦点中心III-V族化合物光伏电池片上，产生电能经过逆变器并网或使用蓄电池收集，产生热能通过散热器散出，利用循环水路进行收集热量，进入集水箱；散热器上的温差电池芯片利用水循环冷却系统产生温度差而产生电能；所述的自动追踪方法包括水平方向追踪和垂直方向追踪，通过传感器感应太阳的位置，将数据传入控制器，通过控制器控制水平方向追踪机构和垂直方向追踪机构，实现自动追踪太阳光。
2.一种权利要求1所述的太阳能发电集热方法的专用装置，包括聚光系统、接收系统和自动追踪系统，其特征在于：所述的聚光系统至少包括一个聚光单元，所述的聚光单元包括具有球状抛物面形状的镜面，所述的镜面由若干个小聚光镜片组成；所述的接收系统包括III-V电池组件、高温层压散热器和无阻集热传输装置，III-V电池组件与高温层压散热器相连，在所述的高温层压散热器上设置有温差电池芯片，在III-V电池组件上设置有输出电极，在所述的温差电池芯片和输出电极上均设有线路与逆变器或蓄电池相连；所述的自动追踪系统包括机械或液压式追踪器、传感器、PLC自动控制器和驱动系统；在该装置的主支撑架上设置有机械或液压式追踪器，该机械或液压式追踪器与聚光系统的支撑架相连，并通过传感器、PLC自动控制器和驱动系统的相互配合作用，实现对太阳光的自动追踪；所述的镜面将太阳光聚集后，反射入接收系统，通过III-V电池组件的发电集热，电能通过电极传入蓄电池，热能通过散热器而被收集。
3.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的小聚光镜片阵列在复合强化塑料上，所述的复合强化塑料设置在具有球形抛物面的支撑结构上。
4.根据权利要求3所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的复合强化塑料为抗紫外线的复合强化塑料，经过高精度抛磨，在其上涂有反光涂层。
5.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的III-V电池组件是通过在砷化镓衬底片上进行外延单层、双层多层外延层，制作成为单层、双层多级电池。
6.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的无阻集热传输装置包括设置在高温层压散热器上的进出水口和与集水器相通的进出水管。
7.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的III-V电池组件与高温层压散热器相连，是III-V电池组件嵌入无阻传导集热器，无阻传导集热器再与高温层压散热器相连。
8.根据权利要求7所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的无阻传导集热器为膨胀系数与砷化镓电池相近的陶瓷基础材料制成。
9.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：所述的机械或液压式追踪器包括机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构；所述的机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构通过各自的线路与驱动系统相连接，所述的控制器连接着传感器和驱动系统；所述的传感器感应太阳的方位及风速信号传给控制器，由控制器控制驱动系统来驱动机械或液压式方位角追踪机构和机械或液压式仰角追踪机构，使太阳能发电集热专用装置实现水平方向回转252°方位角和垂直方向旋转94°方位角。
10.根据权利要求2所述的太阳能发电集热方法的专用装置，其特征在于：该装置分固定式和移动式两种；所述的固定式是将主支承结构用地脚螺栓固定在水泥地基上；所述的移动式是用三个三角架固定在主支承结构上，放置于平坦的地面上。
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