CN102868324B - 反射式聚光聚风单元、太阳能风能一体发电组件及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式聚光聚风单元、太阳能风能一体发电组件及系统，聚光聚风单元包括反射聚光器、位于反射聚光器外围且与反射聚光器构成环形聚风风道的聚风罩；聚风罩的内径大于反射聚光器的外径；反射聚光器包括反射镜和与反射镜的中心线呈平行放置的导风侧壁；导风侧壁与反射镜的开口沿相连且朝反射镜的底部方向延伸。本发明提高了单位发电组件对可再生能源的利用效率；通过反射聚光单元将太阳光汇聚至光伏发电模块后进行光伏发电；同时还可以将风能浓缩后引导给风能发电模块进行聚风风能发电，利用有效的风能汇聚效应使得风能发电机发电更高效，从而提高整个系统的效率和平均有效发电时间。

Description

反射式聚光聚风单元、太阳能风能一体发电组件及系统

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电和风能发电领域，更具体地，涉及一种反射式聚光聚风单元、太阳能风能一体发电组件及系统。

背景技术

面向21世纪，人类文明将永无止境地继续向前发展，在文明发展的过程中，能源科学和技术是保障文明发展的重要的科学技术之一。太阳能和风能将是我们所需要的对地球环境无害且取之不尽用之不竭的绿色能源。尽管近年来太阳能和风能发电都得到了很大的发展，但两边都是各自为营。

普通的聚光型太阳能光伏发电组件在有风的情况下整个装置运行的稳定性和精确性都会下降，当风力实在太大时，有些厂家的产品甚至将聚光器放平，放弃发电。而这样就造成了发电的不连续性，尤其是在夜晚和阴雨天气。另一方面，普通的风能发电组件，虽然在大多数情况下能够连续发电，但在微风的时候不容易发出电来，特别是对大功率的风能发动机，启动风力需要足够大。而且在装了这些大功率风能发电机的地方，太阳能发电组件往往不方便同时安装。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供反射式聚光聚风单元、太阳能风能一体发电组件及系统，旨在解决现有技术中发电不连续、聚光太阳能和聚风风能不能同时同地利用的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种反射式聚光聚风单元，包括反射聚光器、位于所述反射聚光器外围且与所述反射聚光器构成环形聚风风道的聚风罩；所述聚风罩的内径大于所述反射聚光器的外径；所述反射聚光器包括反射镜和与所述反射镜的中心线呈平行放置的导风侧壁；所述导风侧壁与所述反射镜的开口沿相连且朝所述反射镜的底部方向延伸。

更进一步地，所述聚风罩包括内表面、外表面、尾竖面和尾斜面；所述聚风罩的内表面与所述导风侧壁构成所述环形聚风风道，所述内表面前端位于来流侧且与所述外表面前端相连，所述尾竖面与所述反射镜的中心线垂直，所述尾竖面与外表面尾端连接，所述尾竖面的尾端与内表面的尾端之间所张的面为聚风罩的尾斜面。

更进一步地，所述反射镜为抛物线形、双曲线形或者半球形的碟状或槽状结构。

更进一步地，所述导风侧壁的长度为所述反射镜深度的1-5倍。

更进一步地，所述聚风风道尾部呈半喇叭形出口。

更进一步地，所述反射式聚光聚风单元还包括设置于所述环形聚风风道内且将所述聚风风道分割成多个分区的聚风导流板。

本发明还提供了一种太阳能风能一体发电组件，包括聚光聚风单元以及与所述聚光聚风单元连接的光伏发电模块和风能发电模块；所述聚光聚风单元为上述的聚光聚风单元。

本发明还提供了一种太阳能风能一体发电系统，还包括切换控制模块，分别与所述切换控制模块连接的并联输出单元、追日传感模块、风能监控模块和跟踪控制模块；所述跟踪控制模块还与聚光聚风单元连接，所述并联输出单元的一端与光伏发电模块和风能发电模块连接，另一端用于连接外部电路；当系统处于追日模式时，所述切换控制模块根据所述风能监控模块提供的风力大小数据计算切换到追风模式后产生的风能发电量，并与当时实际所产生的光伏发电量和风能发电量的总和进行比较，根据比较结果确定是否切换到追风模式；当系统处于追风模式时，所述切换控制模块根据所述追日传感模块提供的太阳方位及强弱数据计算切换到追日模式后产生的光伏发电量与风能发电量的总和，并与当时实际所产生的风能发电量进行比较，根据比较结果确定是否切换到追日模式。

本发明将聚光太阳能发电和聚风风能发电巧妙结合，共用一套跟踪系统和支架系统，有效提高了空间利用率；在风力较大时，聚风单元可以有效减轻对聚光反射单元机械结构的强度要求，这样既减小了系统造价，也改善了系统对安装环境的适应性。另一方面因为聚风单元的导风作用，风力被有效会聚，只需要较小的扇叶就可以有效捕获风能，即便是风很小的时候，风道出口处也可以有风电产生，克服了光伏和风机发电间歇性的缺点。另外，本发明中的光伏发电模块、风能发电模块可以共享同一套输变电系统或者蓄能电池，在有效延长了平均发电时间的同时使得本发明的单位发电成本得到有效下降。

附图说明

图1为本发明实施例提供的反射式聚光聚风单元的正面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反射式聚光聚风单元的反面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的风和光的路径示意图；

图4为本发明实施例提供的太阳能风能一体发电系统处于追日模式的运行示意图；

图5为本发明实施例提供的太阳能风能一体发电系统处于追风模式的运行示意图；

图6为本发明实施例提供的聚光聚风单元、光伏发电模块和风能发电模的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的太阳能风能一体发电系统的模块结构原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1、图2示出了本发明实施例提供的反射式聚光聚风单元1的结构；反射式聚光聚风单元1包括反射聚光器8、位于反射聚光器8外围且与反射聚光器8构成一环形聚风风道的聚风罩9；聚风罩9的内径大于反射聚光器8的外径；聚风罩9可以与反射聚光器8位于同一平面，聚风罩9也可以比反射聚光器8更靠近来流方向；当聚风罩9比反射聚光器8更靠近来流方向时，可以汇聚更多的风能。

如图3所示，反射聚光器8包括：反射镜801和与反射镜801的中心线呈平行放置的导风侧壁802；导风侧壁802与反射镜801的开口沿相连且朝反射镜801的底部方向延伸。其中，反射镜801可以是抛物线形、双曲线形或者半球形的碟状或槽状结构，反射镜801与导风侧壁802可以是一体成型的，也可以是拼装而成的；反射镜801与导风侧壁802的材料可以是铝材，反射镜801的反射面镀有稳定的宽光谱高反材料，比如银。导风侧壁802与反射镜801的中心线或对称面平行，且与反射镜801的开口沿相连，并朝反射镜801的底部方向延伸，长度为反射镜801深度的1-5倍。

聚风罩9共心环抱在反射聚光器8的外围，可以比反射聚光器8更靠近来流方向。聚风罩9的内径比反射聚光器8的外径大，聚风罩9的内表面901与反射聚光器8的导风侧壁802构成环形聚风风道。内表面901前端靠近来流侧且与聚风罩9的外表面902前端相连，内表面901与反射聚光器8中心线平行；外表面902呈外扩形，且外表面902尾端超过内表面901的尾端。与外表面902尾端连接的是垂直朝向反射镜801的中心线或对称面的尾竖面903，其宽度不超过内表面901的位置。尾竖面903的尾端与内表面901的尾端之间所张的面为聚风罩9的尾斜面904。其中，聚风罩9的内表面901和尾斜面904之间可以用圆弧过渡。聚风风道尾部呈半喇叭形出口。

在本发明实施例中，聚光光伏发电比普通光伏发电大大减少了电池片的用量，生产电池片的很多材料，如锗、镓、砷、碲等，地球储量非常少，有的材料或者其化合物还有毒，都不宜大量使用，而且这些材料不仅是电池片的原料，整个半导体行业都要用到，资源是非常紧缺的，所以聚光光伏发电对节约稀有资源是有很大贡献的。另外，聚光光伏发电的转换效率比普通光伏发电要高很多，而且聚光后再分光发电的话效率会更高。

在本发明实施例中，如图4、图5所示，当聚光聚风单元1正对风场时，环形聚风风道前方对应的环形风场中的风会直接进入风道内，而反射聚光器8前方的风在靠近反射镜801时，会向离反射镜801开口沿近的一侧转弯，并顺着反射镜801的弧形反射面向开口沿行进，等这些风越过反射镜801的开口沿后因受到前面所述的环形风场的推力而拐向风道内部，接着又受到聚风罩9的内表面901的阻挡而连同前面所述的环形风场一起顺着聚风风道前行。至此原本聚风罩9内径那么大的风场被压缩成仅有聚风风道那么大的风场，实现聚风效果的主要部分。当风场行进到尾斜面904时，风道变成半喇叭形，形成扩散效果，气压逐渐降低，并在尾竖面903的后面形成低压漩涡，这样一来聚风风道出口外气压远低于风道内部气压，形成内高外低的内外压力梯度差，使得出口风速进一步增大。当聚光聚风单元1正对太阳时，太阳光直射到反射镜801的反射面，经反射后被汇聚成一个焦斑，落在光伏发电模块2内。由于聚风效应将大面积的风场浓缩到较小的区域，使风速增大，而风功率与风速的三次方成正比，风功率可以明显增加。不仅可以降低风能发电机对自然风场的风速要求，更可以大幅提升对风能的利用效率，使风力发电的应用地域更广阔，尤其是风能资源比较匮乏的低风速区。经过反射聚光器8、聚风罩9引导后的风场比较整齐，使风叶不易被折断，保证风机稳定运作。

作为本发明的一个实施例，环形聚风风道内还可以设置聚风导流板10将其分割成若干个分区。聚风导流板10位于环形聚风风道内部，从侧面看近似呈“∧”形，尖顶朝向来流方向，并与反射镜801的开口沿齐平。“∧”形的张角一般不超过90度。“∧”形的尾部延伸至聚风风道的出口。聚风导流板10的宽度正好是聚风风道的宽度。并且可以将反射聚光器8、聚风罩9之间的连接件隐藏于聚风导流板10的“∧”形内部，以避免对风场造成影响。聚风导流板10的存在不会对反射聚光器8的聚光效果造成负面影响。当聚光聚风单元1正对风场时，没有聚风导流板10的位置气流按前面所述通过聚风风道，而设有聚风导流板10的位置，来自其正前方的气流和反射镜801的绕流会被“∧”形的尖顶分成两半，分别沿“∧”形的外斜面到达聚风风道的出口。两种气流在聚风风道出口汇合，进一步将风场浓缩，出口风速更大。

在本发明实施例中，反射式聚光聚风单元1、光伏发电模块2和风能发电模块3一起构成了太阳能风能一体发电组件。如图6所示，光伏发电模块2可以设置于反射聚光器8的焦斑附近。风能发电模块3可以设置于聚风风道的出口。光伏发电模块2的外侧面为顺着气流的流线型，以降低其对风场的影响。光伏发电模块2内可以直接放置太阳能电池进行光伏发电，或将汇聚光束分光后用不同的电池进行光伏发电，效率更高。风能发电模块3可以选用小功率风能发电机阵列或中大功率风能发电机。

作为本发明的一个实施例，小功率风能发电机阵列可以直接置于环形聚风风道出口内，也可以置于被聚风导流板10划分的各分区出口内。由于小功率风能发电机所需的启动风速相对比较低，而设有聚风导流板10时的出口风速又相对更高，所以可以最大限度地利用微弱的风能，比较适合于风能资源贫乏的地域。其中，小功率风能发电机的轴向与反射聚光器8的中心线平行或成不超过60度的小角度。小功率风能发电机的风轮扫掠直径为聚风风道宽度一般大小。

作为本发明的一个实施例，中大功率风能发电机位于环形聚风风道出口且轴向与反射聚光器8的中心线重合，其风轮的扫掠直径为聚风罩的内径一般大小。中大功率风能发电机的风轮上将风能转化为机械能的最主要区域为环形聚风风道对应的区域，正好是风轮上扇叶的远端。根据杠杆原理，将力施于远端亦即增大了力臂，在力大小不变的情况下力矩就会增大，也就是风轮的转矩增大，即获得的机械能变大。更进一步，又由于聚风效应，聚风后环形聚风风道内的风功率会比聚风前聚风罩9内径对应范围内的风功率大，即将更大的力作用在更上的力臂上，很显然将获得更大的力矩。这不仅可以降低风能发电机对自然风场的风速要求，更可以大幅提升对风能的利用效率。若是相同功率的风能发电机也能缩小风轮尺寸，节省材料和空间。

图7示出了本发明实施例提供的太阳能风能一体发电系统的模块结构；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

太阳能风能一体发电系统包括：太阳能风能一体发电组件11、并联输出单元12、追日传感模块4、风能监控模块5、切换控制模块6和跟踪控制模块7；其中，太阳能风能一体发电组件11用于汇聚太阳能和浓缩风能，并将其以较高的效率转换成电能，并联输出单元12用于调整优化系统的电路输出参数，使光伏电和风电以相同参数并联输出给外电路，并将输出的发电量数据传递给切换控制模块6，追日传感模块4用于获取实时的太阳能强度数据和太阳位置数据，并传递给切换控制模块6，风能监控模块5用于获取实时的风向数据和风速数据，并传递给切换控制模块6，切换控制模块6用于决策太阳能风能一体发电系统的工作模式，并将决策结果和相关的太阳位置数据或风向数据传递给跟踪控制模块7，跟踪控制模块7用于控制太阳能风能一体发电系统的工作模式并根据太阳位置数据或风向数据进行自动跟踪。

当反射式聚光和聚风一体发电系统处于追日模式时，切换控制模块6根据风能监控模块5提供的风速大小数据，并结合系统自身的风电转换效率计算出系统切换到追风模式后能够产生的风能发电量；并将之与当时系统实际所产生的光伏发电量和风能发电量的总和相比较，如果计算值大于实际值，则切换到追风模式，若计算值小于实际值，则保持原状，不做切换。当反射式聚光和聚风一体发电系统处于追风模式时，切换控制模块6根据追日传感模块4提供的太阳光强数据并结合系统自身的光电转换效率计算出系统切换到追日模式后能产生的光伏发电量，并将之与当时系统实际所产生的风能发电量相比较，如果计算值大于实际值，则切换到追日模式，若计算值小于实际值，则保持原状，不做切换。

其中，切换控制模块6还会接收来自风能监控模块5的风向数据和追日传感模块4的太阳方位和高度数据。如果确定不做切换，那么当系统处于追风模式时切换控制模块6提供本次风向数据给跟踪控制模块7自动跟踪，当系统处于追日模式时提供本次太阳方位和高度数据给跟踪控制模块7自动跟踪。如果确定切换，那么当系统处于追风模式时切换控制模块6提供本次太阳方位和高度数据给跟踪控制模块7切换跟踪，当系统处于追日模式时提供本次风向数据给跟踪控制模块7切换跟踪。

太阳能风能一体发电组件11包括聚光聚风单元1以及与聚光聚风单元1连接的光伏发电模块2和风能发电模块3。其中光伏发电模块2和风能发电模块3并联发电；光伏发电模块2和风能发电模块3以相同的参数并联输出给外部电路200并将输出发电量的检测值传递为切换控制模块6，供其判断是否切换时使用。聚光聚风单元1的具体结构前面已经详述，在此不再赘述。

在本发明实施例中，反射式聚光和聚风一体发电系统集聚光光伏发电和聚风风力发电于一身，共用一套跟踪系统和支架系统，有效提高了空间利用率。该系统还具备几乎全天候不间断发电能力，对于晴朗的白天，系统约有8小时可以进行太阳能聚光光伏发电，其余的时间和阴雨天可以用来聚风发电，可以说只要阳光和风二者有一，系统就能发电，将可再生能源的利用率进一步扩大。

本发明提高了单位发电组件对可再生能源的利用效率；通过反射聚光单元将太阳光汇聚至光伏发电模块后进行光伏发电，或者将汇聚光分光后再送至光伏发电模块进行光伏发电；同时还可以将风能浓缩后引导给风能发电模块进行聚风风能发电，利用有效的风能汇聚效应使得风能发电机发电更高效，从而提高整个系统的效率和平均有效发电时间。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种反射式聚光聚风单元，其特征在于，包括反射聚光器、位于所述反射聚光器外围且与所述反射聚光器构成环形聚风风道的聚风罩；所述聚风罩的内径大于所述反射聚光器的外径；所述聚风罩的前端迎向来流方向突出于所述反射聚光器的前端；

所述反射聚光器包括反射镜和导风侧壁，所述导风侧壁的中心轴线与所述反射镜的中心轴线平行；所述导风侧壁与所述反射镜的开口沿相连且朝所述反射镜的底部方向延伸；

所述聚风罩包括内表面、外表面、尾竖面和尾斜面；

所述聚风罩的内表面与所述导风侧壁构成所述环形聚风风道，所述内表面前端位于来流侧且与所述外表面前端相连，所述尾竖面与所述反射镜的中心线垂直，所述尾竖面前端与外表面尾端连接，所述尾竖面尾端与内表面的尾端之间所张的面为聚风罩的尾斜面。

2.如权利要求1所述的反射式聚光聚风单元，其特征在于，所述反射镜为抛物线形、双曲线形或者半球形的碟状或槽状结构。

3.如权利要求1所述的反射式聚光聚风单元，其特征在于，所述导风侧壁的长度为所述反射镜深度的1-5倍。

4.如权利要求1所述的反射式聚光聚风单元，其特征在于，所述聚风风道尾部呈半喇叭形出口。

5.如权利要求1所述的反射式聚光聚风单元，其特征在于，所述反射式聚光聚风单元还包括设置于所述环形聚风风道内且将所述聚风风道分割成多个分区的聚风导流板。

6.一种太阳能风能一体发电组件，包括聚光聚风单元以及与所述聚光聚风单元连接的光伏发电模块和风能发电模块；其特征在于，所述聚光聚风单元为上述权利要求1-5任一项所述的聚光聚风单元。

7.一种包括权利要求6所述的发电组件的太阳能风能一体发电系统，还包括切换控制模块，分别与所述切换控制模块连接的并联输出单元、追日传感模块、风能监控模块和跟踪控制模块；所述跟踪控制模块还与聚光聚风单元连接，所述并联输出单元的一端与光伏发电模块和风能发电模块连接，另一端用于连接外部电路。