CN102570910A

CN102570910A - 一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统

Info

Publication number: CN102570910A
Application number: CN2011103604921A
Authority: CN
Inventors: 吴志浩; 李洋; 陈长清; 方妍妍; 戴江南; 熊辉; 田玉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统，该系统包括聚光模组、跟踪支架、换热器单元、跟踪控制部分；聚光模组安装于跟踪支架上，跟踪支架接受跟踪控制系统的控制实现跟踪太阳，换热器单元通过循环管道与聚光模组的中央汇聚管道相连，可独立安装于跟踪支架附近。本发明的优点在于：具有较高的整体效率，实现单位面积能量产率最大化，同时应具有较低的生产，安装，维护成本，在系统寿命期内具有易升级的特点。

Description

一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统

技术领域

本发明涉及光伏太阳能综合利用，尤其是一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统。

背景技术

目前，聚光系组件主要与太阳能电池结合用于发电，或者与工作介质（液体或气体，简称工质）结合实现热能收集。在以上的两种方式中，相当一部分可利用的太阳能资源被浪费。例如，在聚光太阳能电池发电系统中，一部分太阳能以热能的形式散失到周围的环境中。通过收集利用这部分热能，可以提高系统的整体效率，提升单位面积能量产率。

已有人提出一些光伏光热综合系统，这些系统多采用槽式反射设计，光线被抛物线形反射槽反射聚焦在焦线上。然而，槽式聚光设计只能获得相对较低的聚光倍数（一般低于100倍，典型值为10到40倍）。另外，槽式聚光单元难以精确跟踪光源，这会对降低系统效率。这些系统一般采用效率较低的硅太阳能电池，其能量转换效率较低。因此，传统系统仍有很大的改进空间。

也有人提出采用点聚焦的光伏光热利用系统，但这些系统一般光线收集效率较低。因为它们的接收单元在一级聚光单元表面产生较大阴影，使其反射的光线数量减少，最终使得系统的效率不高。另外，为了产生足够的电能，点聚焦系统一般会被组装成阵列，配以精确的跟踪系统工作。这就增加了系统组建的复杂度，并使得整个系统的成本偏高。其次，一般这种阵列组件间隙较大，使单位面积的能量产率下降。

当前聚光系统另外的一个问题是组件的维护，升级问题。许多系统并没有经过严格的可靠性测试，不能保证在实际情况中长期高效的运行。此外，尽管某些系统已具有较高可靠性，但其并非为大批量生产设计，这些系统的生产，安装和维护成本几倍高于传统能源系统，不具有实际可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统，该系统工质循环通道通过对工质的传输，吸收利用热能。

本发明的技术方案为：一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统，该系统包括聚光模组、跟踪支架、换热器单元、跟踪控制部分；聚光模组安装于跟踪支架上，跟踪支架接受跟踪控制系统的控制实现跟踪太阳，换热器单元通过循环管道与聚光模组的中央汇聚管道相连，可独立安装于跟踪支架附近；聚光模组包括一次聚光系统、接收系统，一次聚光系统由多个旋转抛物面反射区构成，反射表面能将入射光线反射至相应的焦区；接收系统由二次光学单元，多结太阳能电池，热交换室及进出热交换室的管道构成；接收系统接收来自一次聚光系统的光线，由二次光学单元引导光线至太阳能电池表面，光能被转化为电能和热能；当工质在热交换室中时，流经散热片充分吸收光线汇聚发电后剩余热能，然后通过输出管道输送至换热器单元；作为接收系统的一部分，二次光学单元与太阳能电池都安装在中心支撑柱上，热交换室位于支柱顶部。所述的一次聚光系统由一系列旋转抛物面反射区构成，每一个区域能将入射的光线反射汇聚至相应的焦区。所述的中心支撑柱端固定在一次聚光单元的中心处，沿中心轴线一直延伸至一次聚光单元的焦区集中位置附近，以便安装接收单元。所述的二次光学单元由三层漏斗状反射区构成，集中安装在中心支撑柱上，其内表面能对光线进行有效反射，与其对应的一次聚光单元方向保持一致，能有效的将光线导引至太阳能电池表面。所述的太阳能电池选用高效率的多结太阳能电池，能将光能充分转化为电能。太阳能电池通过导热粘合剂固定在二次光学单元底部的安装槽中。所述的工质热交换室盖子与中心支撑柱上部边缘通过螺钉连接构成密闭腔室，在太阳能电池背部对应位置均有一套散热片，在工质入口与出口间有一段隔离壁，以促进工质在室内的充分流动，增强工质与散热片间接触，以便充分吸收剩余热能。

本发明的优点在于：具有较高的整体效率，实现单位面积能量产率最大化，同时应具有较低的生产，安装，维护成本，在系统寿命期内具有易升级的特点。

附图说明

图1是本发明的系统所采用聚光模组的侧视图；

图2是图1模组的截面图；

图3是图1中反射聚光单元工作示意图；

图4和图5是二次光学单元的工作示意图；

图6是二次光学单元的截面图；

图7是图1聚光组件中接收系统截面图；

图8是图7中顶部工质热交换室的侧视图；

图9是由聚光模组阵列构成的聚光系统图；

图10是能量转换系统示意图。

其中：1为热交换室、2为中心支撑柱、3为二次光学单元、4为一次聚光单元、5为透明外罩、6为入射光线、7为反射面、8为散热片、9为太阳能电池、10为工质、11为聚光模组单元、12为跟踪支架、13为光源定位单元、14为跟踪控制单元、15为换热器单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1，一种聚光光伏与光热综合利用模组。包括：一次聚光单元，二次光学单元和接收系统。图2为图1中模组的对角线截面。如图3，光线入射到一次聚光单元的某一个表面，通过反射汇聚到相应的焦区，再通过二次光学单元收集利用。

如图4、图5，二次光学单元可以工作在两种状态。当一次聚光单元的焦区与二次光学单元的中心重合时，光线可直接入射到能量转换模块上。当一次聚光单元的焦区与二次光学单元中心存在一定偏移时，也即一次聚光单元与光源间存在一些对准误差，光线经过二次光学单元的引导，部分光线将经过多次反射，最后均匀照射至太阳能电池表面。太阳能电池表面的光线分布将直接影响其吸收的热能，太多的热量会降低太阳能电池的转换效率和寿命。通过增加的二次光学单元可以增加整个聚光模组的接收角范围，同时使太阳能电池表面的光能分布均匀化。图6是二次光学单元的截面图。二次光学单元具有漏斗状的反射内表面，其入射部分可以为开口式也可以封闭，通过密封可以很好的防止灰尘和雨水进入污染反射面。在本设计中，由于模组已有透明外罩提供保护，故此处不需要封闭。本设计中，二次光学单元包括三个漏斗状反射区。它们的作用是反射口径内的入射光线最终导引至太阳能电池表面，通过这种方式有效的增加聚光模组的接收角。例如，当跟踪角度与实际太阳角度偏离一定范围内时，二次光学单元将通过几次反射导引光线至电池表面并使光线以较理想的方式分布。光线在电池表面的均匀分布可以有效减少其表面效率较低的高温点。

如图7，系统接收部分主要包括中心支撑柱部分和顶部区。顶部装在中心支撑柱上。顶部外围有一系列的凹槽区以安装二次光学单元和太阳能电池，凹槽的位置应保证二次光学单元安装后正对一个完整的一次聚光单元。图中二次光学单元与中心轴成一定的角度，这样二次光学单元可以沿顶部一周集中安装以接收来自不同反射区的汇聚光线。太阳能电池通过导热粘合剂固定在槽中。安装槽的位置应在二次光学单元的正后方以便通过二次光学单元的光线能够全部照射在电池上。图8是顶部的侧视图。顶部中间形成一个流体腔。中心部分有一根由底部延伸出的立柱。腔壁具有突出的边缘部分，可以和盖子通过螺钉连接以形成密闭的腔室。另外，顶部还有两根管道，以备工质出入。输出管道位于立柱的中间，通过在立柱上开孔与腔室连接。腔内，在正对电池的背部设置一套散热片，以加快工质对热量的吸收。在热交换室的入口和出口间设置隔离壁以控制工质的流向，加强工质在散热片间的流动。工作时工质由输入管道进入顶部的腔室，形成一个热交换室。工质在热交换室中吸收太阳能电池释放的的热能，在流经每一套散热片发生充分热交换后，通过输出管道流出。工质通过支撑柱内置的管道流出可以减少热量的散失。

图9是聚光系统的整体效果图。该聚光系统由一系列聚光模组组成。多个聚光模组组成一个阵列，再将阵列安装在跟踪支架上。跟踪系统可以通过倾斜和旋转调节聚光模组的方向使其对准光源。跟踪支架包括倾斜的网状平台、圆形导轨和一系列连接两者的支撑杆。倾斜的网状平台主要用于安装聚光模组。跟踪支架可由任意坚固的材料制造，例如塑料、钢材、铝型材等。圆形导轨上装有伺服马达使其可沿竖直轴旋转。每一个聚光阵列单元都安装在可俯仰旋转底座上，旋转底座上装有另一伺服马达可使聚光阵列在垂直轴与水平轴所构成的平面内旋转。图10是整个光伏光热综合系统原理图。系统中的所有聚光模组均连入工质循环回路。整个系统还包括确定光源位置的定位单元。该部分可采用传感器探测光源，也可采用内置基于安装位置、日期时间计算的内置天文表方式。定位单元发送与太阳实时位置相关的信息至跟踪控制单元。跟踪控制单元又与伺服马达连接。跟踪控制单元可以储存聚光模组当前方向信息。当控制单元收到来自定位单元的位置信息后，判断聚光模组当前方向是否对准光源。如果当前方向不是对准光源，控制系统将命令伺服马达倾斜或旋转，使聚光模组的方向对准光源。工质的流动方向已在图中由箭头标出。系统还包括换热器单元。换热器单元接收高温工质并将其吸收的热量转化为水蒸气等形势加以利用。换热器单元主要由泵机、阀门、储存罐等部分组成。

Claims

1.一种聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：该系统包括聚光模组、跟踪支架、换热器单元、跟踪控制部分；聚光模组安装于跟踪支架上，跟踪支架接受跟踪控制系统的控制实现跟踪太阳，换热器单元通过循环管道与聚光模组的中央汇聚管道相连，可独立安装于跟踪支架附近；聚光模组包括一次聚光系统、接收系统，一次聚光系统由多个旋转抛物面反射区构成，反射表面能将入射光线反射至相应的焦区；接收系统由二次光学单元，多结太阳能电池，热交换室及进出热交换室的管道构成；接收系统接收来自一次聚光系统的光线，由二次光学单元引导光线至太阳能电池表面，光能被转化为电能和热能；当工质在热交换室中时，流经散热片充分吸收光线汇聚发电后剩余热能，然后通过输出管道输送至换热器单元；作为接收系统的一部分，二次光学单元与太阳能电池都安装在中心支撑柱上，热交换室位于支柱顶部。

2.根据权利要求1所述聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的一次聚光系统由一系列旋转抛物面反射区构成，每一个区域能将入射的光线反射汇聚至相应的焦区。

3.根据权利要求1或2所述聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的中心支撑柱端固定在一次聚光单元的中心处，沿中心轴线一直延伸至一次聚光单元的焦区集中位置附近，以便安装接收单元。

4.根据权利要求1或2所述聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的二次光学单元由三层漏斗状反射区构成，集中安装在中心支撑柱上，其内表面能对光线进行有效反射，与其对应的一次聚光单元方向保持一致，能有效的将光线导引至太阳能电池表面。

5.根据权利要求1或2所述聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的太阳能电池选用高效率的多结太阳能电池，能将光能充分转化为电能；太阳能电池通过导热粘合剂固定在二次光学单元底部的安装槽中。

6.根据权利要求1或2所述聚光光伏光热太阳能综合利用系统，其特征在于：所述的工质热交换室盖子与中心支撑柱上部边缘通过螺钉连接构成密闭腔室，在太阳能电池背部对应位置均有一套散热片，在工质入口与出口间有一段隔离壁，以促进工质在室内的充分流动，增强工质与散热片间接触，以便充分吸收剩余热能。