CN101902172A - 光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统，以降低转换装置的成本和提高转换效率。所述方法包括采用一个聚光器件将太阳光聚集成一亮带；在一个类人工黑体内将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。由于在类人工黑体内，光伏电池可以反复将其中的反射能量和辐射能量转换成电能和热能，只有极少量能量从类人工黑体的狭缝溢出，因此，本发明实施例提供的光电光热一体化太阳能转换方法提高了太阳能的转换率和利用率，并且，由于是将太阳光聚集成亮带，大大减少了光伏电池的数量，从而降低了使用该转换方法的装置的成本。

Description

光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统

技术领域

本发明涉及能量转换领域，尤其涉及光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统。

背景技术

目前，将太阳能转换成热能并加以利用的装置，例如太阳能热水器已比较成熟；将太阳能转换成电能并加以利用的装置，例如太阳能光伏发电装置也已比较成熟。传统的太阳能热水器和太阳能光伏发电装置是两个分立的实体，独立地完成各自既有功能。然而，对于传统的太阳能光伏发电装置，除了少量太阳能转换为电能，大部分的太阳能转换成热能被空气带走而白白浪费，能量转换率或利用率不是很高。

针对分立的太阳能转换装置能量转换率或利用率较低的问题，业界提出将太阳能转换成热能的光热转换装置和将太阳能转换成电能的光电转换装置一体化。一种现有技术中非聚焦型光电光热一体化方法是在普通光伏电池的背面安装水冷换热装置并通以冷却水。将上述冷却水循环利用直至变热，再将变热的冷却水加以利用。为了提高光热利用的效率，上述冷却水也要被储存在保温水箱中，对水泵和管路也要采取保温措施。这种一体化方式可以在不影响发电效率的前提下，额外回收大部分的热能。

一种现有的聚焦型一体化方法是：采用阵列式聚光透镜(即由若干聚光透镜组成的一个阵列)将太阳光聚集成阵列式的光斑，将这些光斑投射到对应的光伏电池上，这些光伏电池分别接受光斑的照射后，将太阳能转换成电能。在光电转换过程中，光伏电池会发热，即产生一定的热能，必须通过水冷的方式将热能导出，即在光伏电池的背面安装水冷换热装置并通以冷却水。将上述冷却水循环利用直至变热，再将变热的冷却水加以利用。为了提高光热利用的效率，上述光伏电池被安装在一个保温箱的底部内侧，而上述阵列式聚光透镜被用做为该保温箱的透明箱盖。并且，上述冷却水被储存在保温水箱中，对水泵和管路也要采取保温措施。

然而，上述现有的一体化方法实施时有如下缺陷：阵列式聚光透镜包含若干聚光透镜，其制作难度大，成本较高，此其一；阵列式聚光透镜对放置光伏电池的保温箱体还具有玻璃罩板的作用，在阳光照射下，会引起透镜板翘曲变形，使得聚焦的光斑散乱，影响光伏电池的发电效率，此其二；其三，由于一个聚光透镜必须与一个光伏电池配套使用，所以光伏电池也必须排列成相应的光伏电池阵列，使得保温箱底部的尺寸与阵列式聚光透镜的总面积相当，从而使保温箱体的尺寸无法减小，一体化装置的成本仍然较高。

发明内容

本发明实施例提供光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统，以降低转换装置的成本和提高转换效率。

本发明实施例提供一种光电光热一体化太阳能转换方法，包括：采用一个聚光器件将太阳光聚集成一亮带；在一个类人工黑体内将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。

本发明实施例提供一种光电光热一体化太阳能转换装置，包括：一个聚光器件，用于将太阳光聚集成一亮带；一个类人工黑体，用于将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。

本发明实施例提供一种太阳能利用系统，包括：一个聚光器件，用于将太阳光聚集成一亮带；一个开有一狭缝的类人工黑体，所述狭缝用于使所述亮带照射进所述类人工黑体；一块与所述狭缝正对的光伏电池，用于将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量；一导热器件，用于传导所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能时产生的热量；一安置在所述导热器件和所述类人工黑体的外壳之间的保温体；一导电介质，用于导出所述光伏电池转换所得电能；一冷却器件，与所述导热器件连接，用于冷却所述导热器件以吸收所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能时产生的热量。

从上述本发明实施例可知，由于在类人工黑体内，光伏电池可以反复将其中的反射能量和辐射能量转换成电能和热能，只有极少量能量从类人工黑体的狭缝溢出，因此，本发明实施例提供的光电光热一体化太阳能转换方法提高了太阳能的转换率和利用率，并且，由于是将太阳光聚集成亮带，大大减少了光伏电池的数量，从而降低了使用该转换方法的装置的成本。

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性的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种光电光热一体化太阳能转换方法基本流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种光电光热一体化太阳能转换方法基本流程示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种光电光热一体化太阳能转换装置的截面图；

图4是本发明实施例四提供的一种光电光热一体化太阳能转换装置的截面图；

图5是本发明实施例提供的太阳能利用系统组成示意图。

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做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。

请参阅图1，本发明实施例一提供的一种光电光热一体化太阳能转换方法基本流程示意图，主要包括步骤：

S101，采用一个聚光器件将太阳光聚集成一亮带。

在本发明实施例中，聚光器件可以是一个柱面聚光透镜，其特性是：一束平行光照到透镜上时，在它的另一侧的某一个位置可得到一条亮线，产生亮线的这个位置叫作“焦线”。太阳光是我们能够接触到的最理想的平行光。太阳光照到柱面聚光透镜上时，我们很容易找到这条“焦线”所在位置。在距离透镜比焦线稍远的位置，我们可以得到一条亮带。离焦线越远，亮带越宽且其照度越低。假设透镜的宽度是亮线宽度10倍，则亮线的照度将接近太阳光照度的10倍。实际应用时，可取亮带宽度略大于光伏电池的宽度，而一般光伏电池的宽度可为柱面聚光透镜宽度的10％～20％。

S102，在一个类人工黑体内将聚光器件聚集的亮带携带的太阳能转换成电能，同时在转换成电能过程中生成热能。

在本发明实施例中，类人工黑体内安置有一个光伏电池，光伏电池将亮带携带的太阳能转换成电能，与此同时，由于在转换成电能过程中，光伏电池发热，因此，可以生成热能。这一过程还包括：光伏电池反复将类人工黑体内的反射能量和辐射能量转换成电能和热能。

从上述本发明实施例一可知，由于在类人工黑体内，光伏电池可以反复将其中的反射能量和辐射能量转换成电能和热能，只有极少量能量从类人工黑体的狭缝溢出，因此，本发明实施例提供的光电光热一体化太阳能转换方法提高了太阳能的转换率和利用率，并且，由于是将太阳光聚集成亮带而不是排成耗费面积的阵列形式，大大减少了光伏电池的数量并使类人工黑体的尺寸做得小巧成为可能，从而降低了使用该转换方法的装置的成本。

以下实施例二进一步详细说明光电光热一体化太阳能转换方法。

S201，采用一个聚光器件将太阳光聚集成一亮带。

在本实施例中，聚光器件可以是一个柱面聚光透镜或抛物线柱面反射镜。

S202，从类人工黑体的狭缝将亮带照射至与该狭缝正对的光伏电池上。

例如，采用柱面聚光透镜可将将太阳光聚集成一道很细的亮线，调试类人工黑体的位置，使这道亮线位于类人工黑体的狭缝处，来自透镜的光线在经过这条狭缝后就会发散，当它们照射到正对狭缝的光伏电池上时，它们已经发散为一条亮带。或者采用抛物线柱面反射镜将太阳光聚集成一道很细的亮线，并使这道亮线位于狭缝处，来自反射镜的光线经过上述狭缝处之后就会发散，当它们照射到正对狭缝的光伏电池上时，已经发散为一条亮带。

在本实施例中，可以将柱面聚光镜的透光面积设计成光伏电池面积大小的5倍，或者将抛物线柱面反射镜透的反光面积设计成光伏电池面积大小的10倍。如此，同样面积的光伏电池的发电量比现有非聚焦型一体化太阳能转换方法可多发数倍的电量，而比现有聚焦型光伏发电方法却可大大降低成本。

S203，光伏电池将亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量。

S204，类人工黑体的内表面吸收光伏电池对亮带的反射以及该类人工黑体的内表面和光伏电池辐射的远红外线。

S205，光伏电池将类人工黑体内表面吸收的能量转换成电能并再次由此产生热量。

对于步骤S204和步骤S205，需要说明的是，虽然光伏电池和可被阳光直射的类人工黑体的内表面会反射一部分照射至该类人工黑体内的太阳光能，并且，当它们的温度升高后，表面还会辐射出远红外线，然而，这些反射的太阳光能和辐射的远红外线能量必然会被类人工黑体的其他部位内表面吸收。同时，这些内表面也会反射和辐射能量，但终究只有少量的能量会由狭缝溢出，而绝大多数光能会被类人工黑体的内表面吸收，转换为热能。即，经过光伏电池和类人工黑体的内表面的吸收--反射和辐射--再吸收的无数次循环过程，最后大多能量转化为电能或热能，只有少量的能量从类人工黑体的狭缝溢出。

请参阅图3，本发明实施例三提供的一种光电光热一体化太阳能转换装置的截面图。为了便于说明，只示出了与本发明实施例相关的部分。

图3所示转换装置包括类人工黑体1和柱面聚光透镜2，其中，柱面聚光透镜2用于将太阳光聚集成一亮带，其制作难度和成本均较阵列式聚光透镜低。类人工黑体1有一外壳14，形状为一个两端封堵的柱状体，用于将柱面聚光透镜2聚集的亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。

类人工黑体1开有一狭缝12，宽度约为柱面聚光透镜2宽度的2％，其透光面积可以设计成约为类人工黑体1的导热器件16底部面积(即光伏电池面积)的10％。狭缝12是柱面聚光透镜2聚集所成亮带的通道，即，使太阳光聚集成的一道细长的亮线并使该亮线位于狭缝处，照射进类人工黑体1之后再发散为一定宽度的亮带。在狭缝12处上方设置透明盖板18，采用玻璃胶粘结在类人工黑体1的外壳14上，可以遮挡尘土等杂质从狭缝12落入类人工黑体1。外壳14由不锈钢薄板成。

类人工黑体1内安置有一块与狭缝12正对的光伏电池15，光伏电池的宽度略窄于亮带的宽度，用于将亮带的大部分光能转换成电能并由此产生热量。光伏电池15安置在一导热器件16上，导热器件16(例如，由导热片构成的内胆)具有良好的热传导性，正面(接收光线面)宜处理成黑色。导热器件16的功能主要是传导光伏电池15将太阳光能转换成电能时产生的热量。冷却器件17与导热器件16连接，用于冷却导热器件16，例如，可以在冷却器件17中通以流动的冷却液来冷却导热器件16。

为了使产生的热量不致散失，在本实施例中，可以将一保温体13安置在导热器件16和类人工黑体1的外壳14之间。例如，可以在导热器件16与外壳14之间填充硬聚氨酯泡沫塑料、珍珠岩、玻璃棉等保温材料构成保温体13。

在本实施例中，可以将柱面聚光透镜2的透光面积设计成约为光伏电池15面积的5倍，如此，同一块光伏电池15的发电量比现有技术的非聚焦型一体化太阳能转换方法可多发数倍的电量。

在本实施例中，照射到柱面聚光透镜2上的太阳光被导入类人工黑体1的空腔11后，很难再反射出来。这是因为，光伏电池15和类人工黑体1的内表面导热器件16(内胆)虽然对太阳光能就有一定的反射能力，当温度升高后，它们的表面还会辐射出远红外线，但由于它们被安装在类人工黑体1的腔体11内，它们反射的太阳光以及辐射的远红外线很难通过狭缝12泄漏到腔体11之外，即经过光伏电池15和类人工黑体1的内表面导热器件16的吸收--反射和辐射--再吸收的无数次循环过程，最后大多数能量转化为电能或热能，只有少量的能量从类人工黑体的狭缝溢出。因此，本装置大幅度提高了太阳能的转换率和利用率。

请参阅图4，本发明实施例四提供的一种光电光热一体化太阳能转换装置的截面图。为了便于说明，只示出了与本发明实施例相关的部分。

与图3所示本发明实施例三提供的光电光热一体化太阳能转换装置大致相同，不同的是，在图4示例中，聚光器件可以是一个抛物线柱面反射镜3。抛物线柱面反射镜3接收太阳光的直射，然后将太阳光聚集成亮带，反射至与狭缝12正对的光伏电池15上。在本实施例中，抛物线柱面反射镜3的镜面采用镜面反光铝板制作，狭缝12的透光面积可设计成约为类人工黑体1中光伏电池面积的20％。

由于图4和图3所示本发明实施例提供的光电光热一体化太阳能转换装置原理大致相同，因此，图4示例的光电光热一体化太阳能转换装置带来的技术效果也大致相同，此处不做赘述，可参阅前述实施例的相关说明。

请参阅图5，本发明实施例提供的太阳能利用系统组成示意图。为了便于说明，只示出了与本发明实施例相关的部分。该系统包括图3或图4示例的光电光热一体化太阳能转换装置，即包括聚光器件51(柱面聚光透镜2或抛物线柱面反射镜3)、开有一狭缝12的类人工黑体1、一块与狭缝12正对的光伏电池15、一导热器件16、安置在导热器件16和类人工黑体1的外壳14之间的保温体13。

图5示例的太阳能利用系统还包括导电介质(图中未标出)，例如，可以是包裹了绝缘物质的金属导线或金属导片，用于导出光伏电池15转换所得电能，冷却器件17与导热器件16连接，用于冷却导热器件16。

在图5示例中，冷却器件17可以是一条焊接在导热器件16上的弯曲盘绕的铜管，水泵53将储热水箱54中的水源源不断地泵送到铜管，铜管中流动的水将类人工黑体内胆(光伏电池15为主)产生而被导热器件16吸收的热量带走，送回储热水箱使水箱中水温升高。只要水箱的容积选择得合适，就可使箱中水温达到适用的温度(例如，最高温度为50摄氏度)，使之即可达到使用热水所需温度，又可满足冷却光伏电池15的需要。

以上对本发明实施例提供的光电光热一体化太阳能转换方法、装置和太阳能利用系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光电光热一体化太阳能转换方法，其特征在于，所述方法包括：

采用一个聚光器件将太阳光聚集成一亮带；

在一个类人工黑体内将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在类人工黑体内将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能还包括：

所述类人工黑体内安置的光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量；

所述光伏电池反复将所述类人工黑体内的反射能量和辐射能量转换成电能和热能。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述类人工黑体内安置的光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量具体为：

从所述类人工黑体的狭缝将所述亮带照射至与所述狭缝正对的光伏电池上；

所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量；

所述光伏电池反复将所述类人工黑体内的反射能量和辐射能量转换成电能和热能具体为：

所述类人工黑体的内表面吸收所述光伏电池对所述亮带携带的太阳能的反射以及所述类人工黑体的内表面和所述光伏电池辐射的远红外线；

所述光伏电池吸收类人工黑体内表面反射或辐射的能量，转换成电能并再次由此产生热量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚光器件是一个柱面聚光透镜，所述柱面聚光透镜以透射方式将所述亮带照射至与所述狭缝正对的光伏电池上。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚光器件是一个抛物线柱面反射镜，所述抛物线柱面反射镜以反射方式将所述亮带照射至与所述狭缝正对的光伏电池上。

6.一种光电光热一体化太阳能转换装置，其特征在于，所述装置包括：

一个聚光器件，用于将太阳光聚集成一亮带；

一个类人工黑体，用于将所述亮带携带的太阳能转换成电能并生成热能。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述类人工黑体开有一狭缝，用于使所述亮带照射进所述类人工黑体；

所述类人工黑体内安置有一块与所述狭缝正对的光伏电池，用于将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量；

所述光伏电池安置在一导热器件上，所述导热器件用于传导所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能时产生的热量；

与所述导热器件连接的冷却器件，用于冷却所述导热器件；

所述导热器件和所述类人工黑体的外壳之间安置有一保温体。

8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述聚光器件是一个柱面聚光透镜，用于以透射方式将所述亮带照射至与所述狭缝正对的光伏电池上。

9.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述聚光器件是一个抛物线柱面反射镜，用于以反射方式将所述亮带照射至与所述狭缝正对的光伏电池上。

10.一种太阳能利用系统，其特征在于，所述系统包括；

一个聚光器件，用于将太阳光聚集成一亮带；

一个开有一狭缝的类人工黑体，所述狭缝用于使所述亮带照射进所述类人工黑体；

一块与所述狭缝正对的光伏电池，用于将所述亮带携带的太阳能转换成电能并由此产生热量；

一导热器件，用于传导所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能时产生的热量；

一安置在所述导热器件和所述类人工黑体的外壳之间的保温体；

一导电介质，用于导出所述光伏电池转换所得电能；

一冷却器件，与所述导热器件连接，用于冷却所述导热器件以吸收所述光伏电池将所述亮带携带的太阳能转换成电能时产生的热量。

Images