CN102957345B - 高倍聚光光伏发电供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高倍聚光光伏发电供热系统，包括太阳能光伏电池组件、高热流密度散热器、高倍可调聚光装置和双轴自动跟踪装置等，高倍可调聚光装置安装在双轴自动跟踪装置主框架上，通过实时跟踪太阳将太阳光反射聚焦在太阳能光伏电池组件上；太阳能光伏电池组件位于高倍可调聚光装置的焦点位置，并与高热流密度散热器直接层压相连，将太阳能转化成电能的同时，通过散热器将剩余的热能带走，实现太阳能光电光热综合利用。本发明解决了高倍聚光中太阳光强分布不均匀、聚光比不可调节以及光伏电池温度过高导致的效率低下甚至电池损坏等问题；结构简单且聚光倍数可调节，防风性能和稳定性好；发电的同时提供热水，大幅度提高了聚光系统的综合效率。

Description

高倍聚光光伏发电供热系统

技术领域

本发明涉及太阳能光电光热综合利用的技术领域，尤其是一种高倍聚光光伏发电供热系统。

背景技术

传统的太阳能光伏发电系统是采用大面积的光伏电池进行发电，此类系统发电成本很高，而且效率低下。为了节约成本，人们开始采用跟踪聚光的方式来增大电池表面的太阳辐照强度，提高系统的性价比。

太阳能聚光形式可分为反射和折射两种。国内外采用的折射方式一般都为菲涅尔透镜聚光（如专利ZL97204018.8），缺点是系统透光率难以提高，光强分布均匀性较差。另一种反射形式大多为槽式和碟式聚光。槽式聚光（如专利ZL200520076826.2）一般只能获得低于100倍的聚光倍数，而且大多采用晶硅类太阳能电池，发电效率较低,经济效益不明显。而碟式聚光大多采用大型抛物面反射形式，这种抛物面制造难度大，容易碎裂，整体防风性能及稳定性差。也有人提出一些留有间隙的阵列结构，有一定的实用价值，但结构的变动容易导致光伏电池表面光强分布不均匀，出现系统局部过热现象，不能保证系统的长期可靠运行；同时此类系统一般聚光比固定，不易调节，灵活性、适应性较差。而且在聚光太阳能光伏发电系统中，有一部分太阳能以热能的形式散布到周围环境中，光伏电池会因此温度过高而效率下降甚至损坏，若能妥善收集利用这部分热能，可以很大程度上提高系统的整体综合效率。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中存在的不足，提出一种高倍聚光光伏发电供热系统，该系统采用结构简单，聚光倍数可调节的聚光跟踪装置及高热流密度散热装置，发电的同时获得热媒，根本上解决系统聚光不均匀及聚光后系统光伏组件温度过高等问题，提高系统的光电光热综合效率，降低系统成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高倍聚光光伏发电供热系统，该系统包括：底座、高热流密度散热器、太阳能光伏电池组件、高倍可调聚光装置、双轴自动跟踪装置、蓄电池和水箱；所述的双轴自动跟踪装置包括俯仰传动构件、水平传动构件、控制箱、光敏元件；所述的高倍可调聚光装置包括主框架、铝条支架、竖杆、平面反射镜阵列和托台；所述的水平传动构件安装在底座上，由电机和转盘组成；俯仰传动构件安装在主框架上，由电机和推杆组成；光敏元件固定在主框架上，与平面反射镜阵列的整个水平面相垂直；控制箱则通过螺丝固定在底座上，控制箱内通过传输控制信号给俯仰传动构件、水平传动构件和光敏元件，随时根据太阳光强的变化来调整系统的方位角和高度角，保证系统准确实时的跟踪太阳方向；所述的高倍可调聚光装置安装在所述的主框架上，通过实时跟踪太阳将太阳光反射聚焦在所述的太阳能光伏电池组件上；所述的太阳能光伏电池组件位于所述高倍可调聚光装置的焦点位置，并与所述的高热流密度散热器直接层压相连；所述的高热流密度散热器固定在所述的托台上，通过循环管道与系统外边缘竖杆顶端的进出水口相连。

所述的高倍可调聚光装置是由平面反射镜阵列组成，安装在所述双轴自动跟踪装置的主框架上。

所述的平面反射镜阵列通过万向节与铝条支架相连，各平面镜间留有一定的防风空隙。

高倍可调聚光装置的聚光倍数可以通过铝条支架结构和平面镜的数量进行调节，一般可达500-1000倍聚光。

所述的铝条支架固定在所述双轴自动跟踪装置的主框架上，形成类似抛物面的形状，铝条间间隔大于一个平面镜的宽度。

所述的万向节上表面与平面镜相连，底部用螺丝固定在铝条支架上，可以通过调节中间的耦合球栓在三维空间内改变平面镜的位置。

所述的太阳能光伏电池组件的光伏电池板背面与所述的高热流密度散热器直接层压相连，避免了用硅胶类材料而形成的导热热阻。

所述的太阳能光伏电池组件的光伏电池板是由砷化镓（GaAs）电池通过串并联与二级管直接焊接在一块电池基板上。

所述的高热流密度散热器是一种中空铝盒结构，内部排列一定比例的肋片，上表面开有进出水口与系统的循环管道相连，下表面直接与所述的太阳能光伏电池组件层压固定。

本发明的设计思想以及原理主要在于：

本发明所述的一种高倍聚光光伏发电供热系统，包括太阳能光伏电池组件、高热流密度散热器、高倍可调聚光装置、双轴自动跟踪装置、蓄电池和水箱。所述的光伏电池组件的光伏电池板背面与所述的高热流密度散热器直接层压相连，四边采用低温焊接，边缘处可用导热硅胶密封，输出端可通过电线与蓄电池相连；这样避免了光伏电池板与散热器之间的传热热阻，大大提高了系统的换热效率。

所述的光伏电池组件中的光伏电池板由砷化镓电池、二极管和基板组成；砷化镓电池通过串并联与二极管直接层压在基板上，表面涂有高透光的胶保护层，保证整块光伏电池板的透光、导热以及绝缘性能；砷化镓电池的串并联方式、砷化镓电池数目及砷化镓排版形式需根据系统聚光情况进行计算确定。

所述的高倍可调聚光装置是将反射平面镜阵列安装在所述的双轴自动跟踪装置的主框架上，在主框架上相应的螺孔位置安装铝条支架，螺孔间距大于一个平面镜的宽度，保证平面镜之间互不遮挡，同时螺孔间距过大会导致系统总面积过大，加大系统耗材，影响系统的稳定性。铝条支架在主框架上形成类似抛物面的结构，表面用万向节与反射平面镜相连，通过万向节的调节可以使每块平面镜的反射光准确落在光伏电池板上，从而既可以获得较为均匀的光强分布，又可以控制聚光倍数的大小，使得聚光倍数可以调节。

所述的万向节上端为一圆台，可以与平面反射镜背面粘连；下端为一套筒，底部打孔并通过螺丝固定在铝条支架上；中间是可以用螺母锁紧的耦合球栓，球栓通过弹簧压入套筒内。

所述的万向节可以在三维空间内任意角度转动，以便调整平面反射镜的位置，最后可用螺母锁紧固定。

所述的高倍可调聚光装置通过主框架的循环管道与所述的高热流密度换热装置的进出口管道相连。

所述的双轴自动跟踪装置是由水平传动构件、俯仰传动构件、控制箱、光敏元件组成的双轴跟踪系统。

所述的水平传动构件是通过电动转盘来跟踪太阳在方位角上的变化。

所述的俯仰传动构件是通过电动推杆来跟踪太阳在高度角上的变化。

所述的光敏元件安装在主框架上与系统的整个反射镜平面相垂直。

所述的控制箱与水平传动构件、俯仰传动构件、光敏元件相连接，通过光敏控制程序和逐时机械控制程序等主程序输出控制信号，自动、实时、准确地跟踪太阳的位置。

所述的高热流密度散热器是一种带有一定肋片分布的中空铝盒，上表面开有4个进出水口，分别与所述高倍可调聚光装置支架上的进出口相连，下表面与所述太阳能光伏电池组件直接层压相连。

所述的高热流密度散热器安装在所述高倍可调聚光装置的托台上，托台位于外边缘竖杆顶端的中间位置，即系统的焦点位置。由平面反射镜反射的太阳光到达位于焦点的光伏电池组件上，光能被转化成电能和热能，电能通过连接在电池板上的导线输出到蓄电池中，而高热流密度散热器能充分带走剩余的大部分热能，通过输出管道输送到水箱中，最后通过循环回路，系统可持续循环工作。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明采用平面镜反射聚光，使得光强分布均匀，解决了传统聚光光伏发电系统聚光光强分布不均匀问题；

2.本发明中的高热流密度散热器直接与光伏电池组件层压相连，避免了传统工艺中用硅胶类材料粘合所带来的传热热阻，能有效降低光伏电池组件的表面温度，提高光伏的光电转化效率，同时获得一定的热能，具有较高的光电光热综合效率；

3.本发明中的光伏电池组件根据高倍聚光系统严格设计电池片串并联、排版及封装形式，大幅提高了光伏组件的光电性能及稳定性；

4.本发明中可以控制并调节系统的聚光倍数，一般可达到500-1000倍以上；

5.本发明采用普通平板玻璃代替抛物曲面镜，大大降低了系统成本；

6.本发明结构紧凑，安装方便，大幅度提高了聚光系统的防风性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施方案高倍聚光光伏发电供热系统的基本结构示意图；

图2为图1所示系统的侧视图；

图3为图1所示高热流密度散热器部件的一种结构示意图；

图4为图1所示太阳能光伏电池组件的一种结构示意图；

图5为图1所示系统的光路分布示意图；

图6为图1所示系统中万向节的一种结构示意图；

图7为本发明能量循环转换系统示意图。

附图标记说明：1为底座；2为主框架；3为高热流密度散热器；4为太阳能光伏电池组件；5为俯仰传动构件；6为水平传动构件；7为控制箱；8为光敏元件；9为铝条支架；10为竖杆；11为平面镜反射阵列；12为托台；13为进水口；14为出水口；15为肋片；16为连接口；17为散热器外壁；18为二极管；19为正负电极；20为GaAs电池片；21为圆台；22为螺母；23为耦合球栓；24为弹簧；25为套筒。

具体实施方式

下面结合附图和典型实施例对本发明作进一步说明。但为了突出本发明，众所周知的特征可能被省略或简化。

如图1、图2和图3所示，本发明高倍聚光光伏发电供热系统包括底座1、双轴自动跟踪装置、高倍可调聚光装置、太阳能光伏电池组件4和高热流密度散热器3等。双轴自动跟踪装置包括俯仰传动构件5、水平传动构件6、控制箱7、光敏元件8；其中高倍可调聚光装置包括主框架2、铝条支架9、竖杆10、平面反射镜阵列11和托台12。

系统的底座1过低容易导致系统镜面撞击地面或地面上的障碍物；过高容易影响系统的稳定性，一般底座1比系统整个镜面宽度的一半高出40cm即可。

所述双轴自动跟踪装置的水平传动构件6安装在底座1上，由电机和转盘组成；俯仰传动构件5安装在主框架2上，由电机和推杆组成；光敏元件8固定在主框架2上，与平面反射镜阵列11的整个水平面相垂直；控制箱7则通过螺丝固定在底座1上，控制箱内通过可编程序传输控制信号给俯仰传动构件5、水平传动构件6和光敏元件8，随时根据太阳光强的变化来调整系统的方位角和高度角，保证系统准确实时的跟踪太阳方向。

所述主框架2为不锈钢材质，要满足系统的强度要求。铝条支架9通过螺丝固定在主框架2上；四根竖杆10的一端也固定在主框架2上，另一端固定在托台12上；而平面反射镜阵列11则通过万向节固定在铝条支架9上；平面反射镜阵列11由普通平面玻璃镜组成，两块玻璃镜之间留有空隙，由于玻璃间空隙过小会产生遮挡情况，过大则影响系统面积，扩大成本，因此需根据具体聚光系统的光路结构进行计算，在本实施例中经计算空隙大小为3cm即可；而每块平面镜都可以通过万向节的二维调节，使其所反射的太阳光都落在托台12上，即托台12位于整个系统的焦点位置。每块平面镜的表面积与太阳能光伏电池组件4的光伏电池表面积相等，保证所有的平面镜都等份的反射在光伏电池表面上，达到光强分布均匀的效果。高热流密度散热器3固定在托台12上，其下表面直接与太阳能光伏组件4层压相连，保证系统工作时能及时带走太阳能光伏电池组件4上的热能，降低光伏电池表面温度，提高系统的光电转化效率。

图3是本发明高热流密度散热器部件的一种结构示意图。如图所示，该散热器包括散热器外壁17、连接口16、肋片15、两个进水口13和两个出水口14.其中太阳能光伏电池组件4的背面直接层压在散热器开口位置，四周通过胶密封以及螺钉与散热器腔壁连接，形成密闭的腔体。通过腔体内部压力以及进出口之间的肋片来控制工质液体的流向，实现光伏电池的均匀散热，同时内部肋片可进一步强化传热，降低光伏组件发电过程中的电池表面温度，提高光伏电池的光电转化效率，获得更多电能。本实施例通过直接冷却光伏电池的同时不仅能大大降低电池温度，通过对热量的收集，还能获得较高的光电光热综合效率。

图4是本发明太阳能光伏电池组件的一种结构示意图。如图所示，太阳能光伏电池组件4是由四块光伏电池板串并联而成，具体串并联形式可根据系统电压或电流限制的需要而定，从而构成一套电功率更大、性价比更高的光伏电池组件。每块光伏电池板由GaAs电池片20、二极管18、正负电极19等直接层压在一块带有金属层、陶瓷绝缘层等多层结构的基板上，同时光伏电池板表面镀有一层高透光率的硅胶粘合层；保证光伏电池组件的透光性、导热性及绝缘性。在本实施例中是一块光伏电池板式由30块GaAs电池片串联而成，而每块GaAs电池片长宽均为1cm，每一横排5块电池片均并联一个二极管，最后在光伏电池板正负电极之间再并联一个二极管，从而保证不会因为单片电池而影响整个光伏组件的性能。

图5是本发明高倍可调聚光装置中万向节的一种结构示意图。如图所示，万向节是由圆台21、螺母22、耦合球栓23、弹簧24和套筒25组成。圆台21上表面与平面反射镜粘连；套筒24底部打孔，用螺丝固定在铝条支架9上；通过耦合球栓23将弹簧24压入套筒25中，并用螺母22稍微固定，然后可以在三维空间中调节万向节的方向，使得入射到平面镜上的光全部反射到光伏电池表面，最后再锁紧螺母22。通过这样的简单调节，能使得每块平面镜的光都等份得反射到光伏电池表面，达到高倍聚光并且光强分布均匀的效果。

如图6所示，光路示意图中没有画出所有的光线，仅通过几条典型的光线进行描述。本实施例采用的反射镜为平面玻璃反射镜，聚光比为500倍（上述实施例的聚光比可以通过调节平面镜的数量进行改变）。平面反射镜阵列11通过万向节固定在铝条支架上；各铝条支架之间的距离大于平面玻璃镜的宽度，保证平面镜之间互不遮挡。如图中平面镜A、B、C、D、E、F、G、H的镜面方向逐次改变，形成类似抛物线的结构，使得太阳光束S照射在镜面的光强能够一一等份的反射在太阳能光伏电池组件4的表面，保证光伏电池表面接收的光强较为均匀，同时防止热斑效应的发生，损坏电池。

图7是本发明系统能量循环转换示意图。系统中并不仅限一套高倍聚光光伏系统，可以将多个这样的聚光系统都连入工质循环回路，通过泵机和流量计的控制，实验整套系统的正常稳定运行。

通过上述对本发明实施例的详细描述，可以看出本发明切实解决了光伏发电在高倍太阳聚光下光强分布不均匀及温度过高导致电池损坏等问题，同时大幅度提高了系统的光电转化效率及光电光热综合效率，且系统成本低下、安装便利、聚光比可调，具有突出的性能效果。当然，上述实施例仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，所以凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：该系统包括：底座(1)、高热流密度散热器(3)、太阳能光伏电池组件(4)、高倍可调聚光装置、双轴自动跟踪装置、蓄电池和水箱；所述的双轴自动跟踪装置包括俯仰传动构件(5)、水平传动构件(6)、控制箱(7)、光敏元件(8)；所述的高倍可调聚光装置包括主框架(2)、铝条支架(9)、竖杆(10)、平面反射镜阵列(11)和托台(12)；所述的水平传动构件(6)安装在底座(1)上，由电机和转盘组成；俯仰传动构件(5)安装在主框架(2)上，由电机和推杆组成；光敏元件(8)固定在主框架(2)上，与平面反射镜阵列(11)的整个水平面相垂直；控制箱(7)则通过螺丝固定在底座(1)上，控制箱(7)内通过传输控制信号给俯仰传动构件(5)、水平传动构件(6)和光敏元件(8)，随时根据太阳光强的变化来调整系统的方位角和高度角，保证系统准确实时的跟踪太阳方向；所述的高倍可调聚光装置安装在所述的主框架(2)上，通过实时跟踪太阳将太阳光反射聚焦在所述的太阳能光伏电池组件上；所述的太阳能光伏电池组件(4)位于所述高倍可调聚光装置的焦点位置，并与所述的高热流密度散热器(3)直接层压相连；所述的高热流密度散热器(3)固定在所述的托台(12)上，通过循环管道与系统外边缘竖杆顶端的进出水口相连。

2.根据权利要求1所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的平面反射镜阵列通过万向节与铝条支架相连，各平面镜间留有一定的防风空隙。

3.根据权利要求2所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：高倍可调聚光装置的聚光倍数可以通过铝条支架结构和平面镜的数量进行调节，可达500-1000倍聚光。

4.根据权利要求2所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的铝条支架固定在所述双轴自动跟踪装置的主框架上，形成类似抛物面的形状，铝条间间隔大于一个平面镜的宽度。

5.根据权利要求2所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的万向节上表面与平面镜相连，底部用螺丝固定在铝条支架上，可以通过调节中间的耦合球栓在三维空间内改变平面镜的位置。

6.根据权利要求1所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的太阳能光伏电池组件的光伏电池板背面与所述的高热流密度散热器直接层压相连，避免了用硅胶类材料而形成的导热热阻。

7.根据权利要求6所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的太阳能光伏电池组件(4)的光伏电池板是由砷化镓(GaAs)电池通过串并联与二级管直接焊接在一块电池基板上。

8.根据权利要求1所述的高倍聚光光伏发电供热系统，其特征在于：所述的高热流密度散热器(3)是一种中空铝盒结构，内部排列一定比例的肋片，上表面开有进出水口与系统的循环管道相连，下表面直接与所述的太阳能光伏电池组件层压固定。