CN102751365B - 聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，涉及光伏技术领域，具体包括气体过滤器（2）、聚光太阳能箱体（3）、气体驱动器（1）和\或叶片发电机（10）、气体管路（5）以及气体热利用装置（4）；聚光太阳能箱体（3）在气体管路（5）中构成串联、并联或多级并联的形式，且与气体驱动器（1）和\或叶片发电机（10）、气体过滤器（2）以及气体热利用装置（4）通过气体管路（5）构成一个密闭或准密闭的气体回路。本发明所要解决的技术问题是提供一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，用以使整个气体回路保持高度密闭和高度洁净，避免外界粉尘、油脂和水汽等污染物进入聚光太阳能箱体。
Description
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置。
背景技术
当前，以聚光光伏发电(HCPV)为代表的第三代光伏发电技术正在经历着快速发展，其相关技术已成为各类研究所和企业的研发热点，各种聚光光伏示范工程与规模电站也正在世界各地纷纷出现。就其主要原理而言，聚光光伏发电技术(CPV)是指使用透镜或镜面将接收到的太阳光线进行聚焦，使聚焦后的高能量密度光斑对准于小面积、高效率的硅或多结化合物太阳能电池芯片上，获得能量输出。聚光光伏技术具有转换效率高、电池用量少、环境友好、系统衰减小、使用寿命长、占地小、维护方便、可靠性高、易于大范围组合安装形成大规模光伏发电站等一系列优点。
同时，作为一类新兴技术，聚光光伏技术也存在着若干技术难点亟待解决，模组的密封及散热问题就是其中之一。
目前聚光光伏技术所使用的模组组件一般为箱式或盒式结构，箱体的上表面为聚光玻璃板或透光玻璃板，底面为安置有接收器和电气连接线路的底板，四周为箱体侧框。为避免外界灰尘、雨水、湿气等进入箱体内部，保证内部光伏电池、光学透镜以及电气连接的正常工作和长期可靠性，箱体通常采用密封设计，即使用密封粘结胶将箱体各连接处粘结，使箱体内部与外界环境隔离。但是完全密封的设计，又带来了散热与压力的问题。由于聚光太阳能长期工作在强日照高温地带，箱体密封将会带来箱体内部的热量累积，使箱体内温度升高。其结果是两方面的，一方面高温会影响光伏电池和核心部件的工作，使其效率降低；另一方面高温造成箱体内气体膨胀，造成箱体内部压力远大于大气压，形成箱体内外压差，非常容易造成箱体变形和损坏。为避免完全密封造成的压力损坏，并降低光伏电池的温度，当前的聚光组件箱体通常采用非全密封结构，往往在箱体侧面或背面开一小孔，作为透气窗。透气窗通常使用透气防水防尘材料，避免水和尘土进入，同时保证了内外压差一致。
但是，透气窗所使用的透气防水防尘材料的本身工作寿命非常有限，很难满足光伏发电系统的工作年限(25年)要求。且其在一些极端气候条件下，很容易被损坏或遭受局部损坏，使外界颗粒、水汽或油脂等进入，破坏了系统的工作环境，使光学系统透过率下降，电气连接受损并带来系统核心部件的腐蚀和氧化，造成不可恢复性的破坏。此外，透气窗面积通常很小，且为保证防水防尘需要，其透气能力非常有限，仅能满足平衡内外压差的需要，而很难使箱体内外气体流动，模组在日光照射下累积的热量不但无法得到利用，还会使箱体内部工作温度升高，影响了光伏组件的工作状态，使系统效率下降，寿命缩减。
因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明提供一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，用以使整个气体回路保持高度密闭和高度洁净，避免外界粉尘、油脂和水汽等污染物进入聚光太阳能箱体。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，具体包括：气体过滤器(2)、聚光太阳能箱体(3)、气体驱动器(1)和\或叶片发电机(10)、气体管路(5)以及气体热利用装置(4)；聚光太阳能箱体(3)在气体管路(5)中构成串联、并联或多级并联的形式，且与气体驱动器(1)和\或叶片发电机(10)、气体过滤器(2)以及气体热利用装置(4)通过气体管路(5)构成一个密闭或准密闭的气体回路。
进一步地，所述的气体驱动器(1)包括电机和叶片，是电能转化为机械能的装置，通过电能驱动叶片运动的方式在装置两端的管路内产生压力差，驱动气体管路内产生定向流动。
进一步地，所述气体过滤器(2)为吸水材料、吸油材料和\或除尘材料制成的被动式气体过滤部件。
进一步地，所述气体过滤器(2)为滤网和\或滤芯，且所述滤网和滤芯为可拆卸型。
进一步地，所述聚光太阳能箱体(3)为密封或准密封的箱体结构，与气体管路连接，聚光太阳能箱体内部含聚焦透镜或凹面反射镜类光学聚焦部件以及硅电池或化合物太阳能电池类太阳能电池组件。
进一步地，所述气体热利用装置(4)为将热量从气体传导到液体的热交换装置，其所采用的液体为纯水、盐水和\或油脂类液体。
进一步地，所述的气体管路(5)包括多段不同口径的气管及气压监测、气密性插接件和气密性检测器件。
进一步地，所述叶片发电机(10)是机械能向电能转换和输出的装置，包括叶片、转子以及电磁线圈部件。
进一步地，所述叶片发电机(10)包含由多套叶片、转子以及电磁线圈组成的机械能到电能的转换装置。
进一步地，所述聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，包含一个或多个聚光太阳能箱体。
综上，本发明所述的方案中通过建立密闭或准密闭的气体循环回路并引入气体过滤器，可以使整个气体回路保持高度密闭和高度洁净，避免了外界粉尘、油脂和水汽等污染物进入聚光太阳能箱体，进而避免了污染物可能带来的对箱体内核心部件如光学部件，太阳能电池及电气连接线路等的污染、破坏及其它不利影响，另一方面又杜绝了聚光太阳能箱体在高度密封情况下内因箱体内气体受热膨胀而产生的与外界环境的压差，以及在压差情况下可能带来的损坏等情况。
此外，本发明还可以有效的将聚光太阳能箱体内在强日光照射下产生的热量带走并加以利用，增加了能量利用途径，并提高了整个光伏系统的能量利用率。
附图说明
图1是本发明的实施例一的一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例二的一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置的结构示意图；
图3是本发明的实施例三的一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置的结构示意图；
其中，图1中，1、气体驱动器，2、气体过滤器，3、聚光太阳能箱体，4、气体热利用装置，5、气体管路，6、气体输入方向，7、气体输出方向，8、冷液流入方向，9、热液流出方向；
图2中，2、气体过滤器，3、聚光太阳能箱体，5、气体管路，6、气体输入方向，7、气体输出方向，10、叶片发电机，11、叶片发电机的电力输出线；
图3中，2、气体过滤器，3、聚光太阳能箱体，4、气体热利用装置，5、气体管路，6、气体输入方向，7、气体输出方向，8、冷液流入方向，9、冷液流出方向，10、叶片发电机，11、叶片发电机的电力输出线。
具体实施方式
本方案提供一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，包括气体过滤器(2)、聚光太阳能箱体(3)、气体驱动器(1)和\或叶片发电机(10)、气体管路(5)以及气体热利用装置(4)；聚光太阳能箱体(3)在气体管路(5)中构成串联、并联或多级并联的形式，且与气体驱动器(1)和\或叶片发电机(10)、气体过滤器(2)以及气体热利用装置(4)通过气体管路(5)构成一个密闭或准密闭的气体回路。
以下给出实际中的具体实施例：
实施例一
具体参见图1，共有三个聚光太阳能箱体3，聚光太阳能箱体3箱体通过气体管路5与气体过滤器2和气体热利用装置4连接，三个聚光太阳能箱体3之间为并联连接，气体过滤器2通过气体管路5与气体驱动器1连接，气体驱动器1的另一端通过气体管路5与气体热利用装置4连接。本实施例的气体热利用装置为一种利用热气体和冷水间的热交换，将冷水加热的装置。此外，由于本实施例中聚光太阳能箱体3数目较少，箱体内气体受热而产生的热流动效应不明显，为满足气体流动和过滤需要，采用了气体驱动器1，通过外接电力使气路在气体驱动器1两端产生压差，带动气体在气体管路内和管路所经各装置间流动。
图1中，聚光太阳能箱体3在太阳光照射工作时，箱体内的气体受热后膨胀，密度减小并上升，气体从箱体上端的接口处进入气体管路5，并有沿着气体输出方向7进行运动的趋势。此时将气体驱动器1接到电源，气体驱动器1工作后将使管路内的气体在气体驱动器1的两端产生压差，促使气体沿气体输入方向6开始运动。从气体热利用装置4处流来的气体已经过气体热利用装置4的热交换，温度较低，其在气体驱动器1的驱动下流经气体驱动器1、气体过滤器2，且在流经气体过滤器2时完成了过滤过程，除去了气体中的大部分油脂、水汽和灰尘，使气体洁净度满足聚光太阳能箱体3的要求；之后，过滤后的低温气体通过聚光太阳能箱体3下端的接口进入聚光太阳能箱体内部，带走箱体内部在太阳光照射下累积的热量，使箱体内部的工作温度保持在合理的范围内；其后，气体沿气体输出方向7从聚光太阳能箱体的上端接口处流出，并流经气体热利用装置4，该高温气体在和沿冷液流入方向8进入的冷水进行热交换后温度得到降低，之后在气体驱动器1产生的压力下，继续沿气体输入方向6和气体输出方向7运动，完成下一个流动和热交换循环，对聚光太阳能箱体进行持续降温。而在气体热利用装置4中被加热的热水将沿热液流出方向9流出，被人们加以使用。
本实施例通过将聚光太阳能箱体3与气体管路5及其他装置连接，既避免了密封的聚光太阳能箱体内气体受热膨胀对箱体可能造成的危害，还有效的将热气体加以利用；并通过气体过滤器2保持了聚光太阳能箱体内部的洁净度，可有效避免油脂、粉尘、水汽等对箱体内部工作器件的破坏。
实施例二
实施例二见图2。本实施例中，共有四组聚光太阳能箱体，每组各含十个聚光太阳能箱体3。四组聚光太阳能箱体之间以及每组十个箱体之间，都是通过气体管路5进行并联连接。四组聚光太阳能箱体3通过气体管路5与气体过滤器2、叶片发电机10连接。本实施例中由于气体回路内的聚光太阳能箱体数目较多，箱体内气体受热膨胀及气体流动效应将比较明显，可直接带动叶片发电机10发电。
图2中，聚光太阳能箱体3在太阳光照射下工作时，箱体内的气体受热后膨胀，将从箱体上端的气体管路接口处流出，当四组并联的聚光太阳能箱体内流出的热气体汇合后，气体继续向上流动，通过位于气体管路上的叶片发电机10，驱动涡轮叶片转动，获得电力输出。同时由于气体在向上流动过程中推动叶片做功，气体流速变慢，温度也将逐渐降低。而此时由于聚光太阳能箱体内部气体上升，将有新的气体从聚光太阳能箱体3的下端接口处进入补充其位置，进而在整个气体管路5内产生了沿气体输入方向6和气体输出方向7的气体流动，促使经做功冷却后的气体沿管路继续运动，经过气体过滤器2除去气体中的水汽、灰尘、油脂等污染物后，重新进入四组聚光太阳能箱体3内，受热膨胀后完成下一轮的运动循环。
本实施例通过将数十个聚光太阳能箱体3进行多级并联，使在太阳光照射下整个回路内的气体热膨胀及向上流动明显加快，并产生压差驱动气体进行自发流动，使气体获得过滤，并驱动叶片发电机的叶片转动发电。
实施例三
实施例三见图3。本实施例中，共有六组聚光太阳能箱体，每组各含十个聚光太阳能箱体3。六组聚光太阳能箱体之间以及每组十个箱体之间，都是通过气体管路5进行并联连接。六组聚光太阳能箱体3通过气体管路5与气体过滤器2和叶片发电机10连接，气体过滤器2、叶片发电机10通过气体管路5与气体热利用装置4连接。本实施例中由于连接箱体数目较多，箱体内气体受热膨胀及由于气体膨胀产生的气体流动效应将比较明显，可直接带动叶片发电机10发电，同时还可利用气体热利用装置4进行冷热交换，获得热液输出。
图3中，聚光太阳能箱体3在太阳光照射下工作时，箱体内的气体受热后膨胀，将从箱体上端与气体管路5的接口处流出。当六组聚光太阳能箱体并联支路的气体汇合后，沿着气体输出方向7按一定的速度向上运动。气体通过位于气体管路上的叶片发电机10时，驱动其涡轮叶片转动进而获得了电力输出。由于各聚光太阳能箱体内气体上升造成的压差，汇流后的气体经过叶片发电机10沿气体输出方向7继续运动，流入气体热利用装置4，并将沿冷液输入方向8进入到气体热利用装置4的冷液进行加热，获得热液输出。流经气体热利用装置4后的气体温度降低，并在通过气体过滤器2除去水汽、灰尘和油脂等污染物后，沿气体输入方向6进入箱体，开始下一轮气体流动和利用的循环。
上述各实施例中的气体驱动器1为一种电能-机械能装置，含电机、叶片等部件；可通过电能驱动叶片运动的方式使气体在该装置两端的管路内产生压力差，驱动气体管路内产生定向流动。
上述各实施例中的气体过滤器2可以为专门的自动化气体过滤设备，也可以是由吸水材料、吸油材料及除尘材料等混合制成的被动式气体过滤部件如滤网或滤芯等；气体过滤器的滤网或滤芯等功能部件可卸下进行定期换洗。
上述各实施例中的聚光太阳能箱体3为密封或准密封的箱体结构，除通过上下接口与气体管路连接外，聚光太阳能箱体与箱体外环境没有其它气体交换途径或只存在微量的气体交换；箱体内部含聚焦透镜或凹面反射镜等光学聚焦部件以及硅电池或化合物太阳能电池等太阳能电池组件。
上述各实施例中的气体热利用装置4为一种气体-液体热交换装置，其所采用的液体可以为纯水，也可以为盐水、油脂等其它液体。
上述各实施例中的气体管路5含气密性插接件、多段不同口径的气管及气压监测、气密性检测器件。
上述各实施例中的叶片发电机10为一种机械能-电能转换和输出装置，含叶片、转子、电磁线圈等部件；其可以为多级发电模式，即该装置可含多套叶片、转子、电磁线圈等机械能-电能转换装置。
以上对本发明所提供的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置进行了详细介绍，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 (8)
1.一种聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，包括气体过滤器(2)、聚光太阳能箱体(3)、气体驱动器(1)和\或叶片发电机(10)、气体管路(5)以及气体热利用装置(4)；其特征在于，
所述聚光太阳能箱体(3)之间在所述气体管路(5)中构成串联、并联或多级并联的形式，且与所述气体驱动器(1)和\或所述叶片发电机(10)、所述气体过滤器(2)以及所述气体热利用装置(4)通过所述气体管路(5)构成一个密闭或准密闭的气体回路；其中，
在所述气体回路中，所述聚光太阳能箱体(3)内的气体受热而产生热流动，带动所述叶片发电机(10)发电或者利用所述气体热利用装置(4)进行冷热交换；
所述气体过滤器(2)为吸水材料、吸油材料和\或除尘材料制成的被动式气体过滤部件；
所述气体热利用装置(4)为将热量从气体传导到液体的热交换装置，其所采用的液体为纯水、盐水和\或油脂类液体。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述气体驱动器(1)包括电机和叶片，是电能转化为机械能的装置，通过电能驱动叶片运动的方式在装置两端的管路内产生压力差，驱动气体管路内产生定向流动。
3.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述气体过滤器(2)为滤网和\或滤芯，且所述滤网和滤芯为可拆卸型。
4.根据权利要求2所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述聚光太阳能箱体(3)为密封或准密封的箱体结构，与气体管路连接，聚光太阳能箱体内部含聚焦透镜或凹面反射镜类光学聚焦部件以及硅电池或化合物太阳能电池类太阳能电池组件。
5.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述气体管路(5)包括多段不同口径的气管及气压监测、气密性插接件和气密性检测器件。
6.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述叶片发电机(10)是机械能向电能转换和输出的装置，包括叶片、转子以及电磁线圈部件。
7.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，所述叶片发电机(10)包含由多套叶片、转子以及电磁线圈组成的机械能到电能的转换装置。
8.根据权利要求1所述的聚光太阳能系统的气体冷却和热利用装置，其特征在于，包含一个或多个聚光太阳能箱体。
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