CN103258894A - 太阳能电热利用装置及其利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能电热利用装置及其利用方法，是针对解决现有同类产品结构欠合理，太阳能利用方式较为单一、效率较低的技术问题而设计。其包括菲涅尔透镜、镀膜分频镜、光伏电池、热接收器、聚光反射镜，其设计要点在于菲涅尔透镜、镀膜分频镜位于光伏电池、热接收器之间，菲涅尔透镜、镀膜分频镜接受聚光反射镜的聚光光束，光伏电池、热接收器两者其一位于菲涅尔透镜的聚焦处，另一者位于镀膜分频镜反射聚光光束的聚焦处。本发明结构原理简单，设计灵活，制造成本低，适用范围广，可根据实际需要，合理分配光利用和热利用，有效提高了太阳能电利用和热利用的效率，适合应用于太阳能利用领域，或同类产品的结构改进。

Description

太阳能电热利用装置及其利用方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用，是一种太阳能电热利用装置及其利用方法。

背景技术

目前，太阳能主要有热利用和电利用两个方面。热利用是指将太阳光的光能转变为热能，如太阳能热水器。电利用主要有光伏发电和光热发电，光伏发电的原理是光生伏打效应，当太阳光照射光伏电池时，将产生电动势，接上负载产生电能。光热发电的原理是利用吸收器吸收太阳光作为高温热源，热工质吸收热，进入下一步动力循环，常见的有蒸汽轮机和燃气轮机等，产生机械能，带动发电机发电。光热发电的常见形式有碟式、槽式和塔式系统。

现有技术，如中国专利文献刊载的授权公告号CN202364156U，授权公告日2012年8月1日，实用新型名称为“太阳能模组结构”，其主要包括有模组箱体、菲涅尔透镜组、遮阳板及接收器组件，模组箱体包括一由底板与两侧边板成型的中部铝板和两端铝板组成，中部铝板底板上设有接收器组件。

还有如中国专利文献刊载的授权公告号CN201918922U，授权公告日2011年8月3日，实用新型为“便携式菲涅尔透镜太阳能自动跟踪发电加热两用装置”，其主要结构在于菲涅尔透镜可卸性的装在支架上，支架固装在二维实时自动跟踪装置上，还具有位于菲涅尔透镜的焦点部位附近的集热功能体，其一面为光伏电池，另一面为全反射镜，集热功能体装在位于机架上的功能转换轴上，转动该轴能实现发电与集热之间的相互转换。

从以上两件文献不难看出，现有的太阳能利用装置大都仅实现某一种方式的利用，而并没有实现多种方式综合利用，故太阳能利用效率较低。除此以外，现有的太阳能利用装置在电利用时，直接由菲涅尔透镜将太阳光聚焦至光伏电池进行发电，但根据爱因斯坦的光子能量方程，短波的光子具有较高的能量，长波光子能量就相对较低。对于光伏电池，这种效应就体现得非常明显，因为波长大于光伏电池半导体材料禁带宽度的光子，将完全不能利用。这也就是说，太阳光中的某些光子对于光伏电池不但没有利用价值，反而因光热升高了光伏电池的温度，降低了光伏电池效率。所以，现有的太阳能利用装置不管是在结构方面，还是利用方式上都存在不足，有待改进。

发明内容

为克服上述不足，本发明旨在向本领域提供一种太阳能电热利用装置及其利用方法，使其解决现有同类产品结构欠合理，太阳能利用方式较为单一、效率较低的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

该太阳能电热利用装置包括菲涅尔透镜、镀膜分频镜、光伏电池、热接收器、聚光反射镜，其结构要点在于所述菲涅尔透镜、镀膜分频镜位于所述光伏电池、热接收器之间，所述菲涅尔透镜、镀膜分频镜接受所述聚光反射镜的聚光光束，所述光伏电池、热接收器两者其一位于所述菲涅尔透镜的聚焦处，另一者位于所述镀膜分频镜反射所述聚光光束的聚焦处。与现有技术相比，本发明通过结合聚光反射镜(一次镜)、菲涅尔透镜(二次镜)和镀膜分频镜，主要为了实现以下目的：1、通过增设镀膜分频镜，达到太阳光分频、分级利用的目的，可有效提高太阳能利用效率。2、通过聚光反射镜与菲涅尔透的组合，实现二次聚光，使得聚焦处的光斑强度达到设计要求，而且均匀性更好，能够提高光伏电池的效率，防止因出现热点而损坏光伏电池。3、聚光系统一般都配合太阳光跟踪系统使用，但由于实际设计制造过程的问题，使得跟踪系统成本较高，而本发明采用二次聚焦，使得聚光光斑因跟踪系统误差的影响较小，从而可以相对降低跟踪系统所需精度，降低设备成本。

结合上述方案，可以得到的具体方案一结构为：所述镀膜分频镜为透过短波光、反射长波光，所述光伏电池位于所述菲涅尔透镜聚焦短波光的聚焦处，所述热接收器位于所述镀膜分频镜反射长波光的聚焦处。通过设置该种镀膜分频镜，使聚光反射镜的聚光光束中能被光伏电池利用的短波光透过镀膜分频镜，并通过菲涅尔透镜实现二次聚光，最终被光伏电池利用进行光伏发电；而聚光光束中无法被光伏电池利用的长波光则直接被镀膜分频镜反射至热接收器，进行热利用或光热发电。这样不仅达到合理利用太阳光的目的，且能有效减少无效光对光伏电池的不利影响，提高光伏电池的效率。

通过对方案一进行改变，可以得到方案二的结构为：所述镀膜分频镜为透过长波光、反射短波光，所述热接收器位于所述菲涅尔透镜聚焦长波光的聚焦处，所述光伏电池位于所述镀膜分频镜反射短波光的聚焦处。该方案相比方案一，是通过改变镀膜分频镜的滤光特性，从而可以调换光伏电池与热接收器的位置，亦可实现本发明的目的。

在上述方案一与方案二结构中，所述菲涅尔透镜与镀膜分频镜的组合使用替换为表面镀有分频镀膜的菲涅尔透镜。通过该种结构，可降低使用成本，且结构更为简化，安装使用更为方便。

所述聚光反射镜为碟式、槽式以及塔式定日镜三者中的任意一种。优选为碟式和槽式。

所述镀膜分频镜的反射面为平面、凸面、凹面三者的任意一种。当菲涅尔透镜与镀膜分频镜组合替换为表面镀有分频镀膜的菲涅尔透镜时，反射面可以同样为平面、凸面、凹面三者的任意一种。反射面的具体选取形式是根据实际所需热接受器形式、所需光斑大小以及安装位置等进行确定的。

根据方案一结构，该太阳能电热利用装置的利用方法为：首先由聚光反射镜对太阳光进行一次聚光形成聚光光束，聚光光束照射至所述镀膜分频镜和菲涅尔透镜，经镀膜分频镜的分光、反射作用，透过镀膜分频镜的光束由菲涅尔透镜进行二次聚光，二次聚光后的光束被所述光伏电池接收利用，未透过镀膜分频镜的光束被镀膜分频镜反射至所述热接收器，并被热接收器接收利用。通过该种方式，实现了太阳光分频、分级利用，有效提高了太阳能利用效率。

在上述方案一的利用方法中，所述聚光反射镜反射的聚光光束经所述菲涅尔透镜后，由于不同波长的光其折射率不同，会出现一定程度的色散现象，而色散现象会影响聚光效果，这对于实现更高能流密度来说是不利的因素，按现有技术来说，势必需要去克服这个因素。但对于光伏电池来说，恰恰可以利用色散的原理，选择合适的菲涅尔透镜来放大色散现象，通过这样，使得透过菲涅尔透镜的这部分太阳光经过色散分成不同波长的光谱分布，根据该光谱分布布置相应能带间隙的光伏电池，即可实现光伏电池高效利用光能的目的。

根据上述色散原理的应用，对上述方案一的利用方法进行改进，可以得到以下两种改进方案。

利用方法改进方案一：选择长焦距菲涅尔透镜，使得透过菲涅尔透镜的不同波长的光有足够的光程使其分散开，形成方便光伏电池布设的光谱带。为了进一步有效地分离不同波段，将光伏电池的分布设计为锥面排布，使透过菲涅尔透镜的光束在锥面上形成光谱带，这样不仅方便相应能带间隙的光伏电池排布至对应光谱位置，且有利于提高光伏电池的效率。

利用方法改进方案二：取消所述镀膜分频镜，所述聚光反射镜反射的聚光光束经所述菲涅尔透镜二次聚光，二次聚光后的光束被所述光伏电池接收利用。该方案，即全部的太阳光利用色散原理被不同能带间隙的光伏电池接收进行光伏发电。

本发明结构原理简单，设计灵活，制造成本低，适用范围广，可根据实际需要，合理分配光利用和热利用，有效提高了太阳能电利用和热利用的效率，适合应用于太阳能利用领域，或同类产品的结构改进。

附图说明

图1是本发明方案一的原理结构示意图。

图2是本发明方案二的原理结构示意图。

图3是本发明方案一采用菲涅尔透镜表面镀分频镀膜的结构示意图。

图4是本发明光伏电池配合菲涅尔透镜分光布设的结构示意图。

图5是本发明利用菲涅尔透镜色散原理排布光伏电池的改进方案一原理结构示意图。

图6是本发明利用菲涅尔透镜色散原理排布光伏电池的改进方案二原理结构示意图。

图中序号的名称为：1、菲涅尔透镜，2、镀膜分频镜，3、光伏电池，4、热接收器，5、聚光反射镜，6、分频镀膜。

具体实施方式

现结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1、图2所示，该太阳能电热利用装置包括菲涅尔透镜1、镀膜分频镜2、聚光反射镜5、光伏电池3、热接收器4。

实施例一：如图1所示，镀膜分频镜贴合于菲涅尔透镜一侧表面，镀膜分频镜为透过短波光、反射长波光。镀膜分频镜、菲涅尔透镜位于光伏电池、热接收器两者之间，且镀膜分频镜、菲涅尔透镜接受聚光反射镜的聚光光束。图中，光伏电池位于菲涅尔透镜聚焦处，热接收器位于镀膜分频镜反射聚光光束的聚焦处。该方案的原理为：由聚光反射镜对太阳光进行第一次聚光形成聚光光束，聚光光束射向镀膜分频镜和菲涅尔透镜。因镀膜分频镜为透过短波光、反射长波光，故聚光光束中的短波光将透过镀膜分频镜，并由菲涅尔透镜二次聚光，聚光后的聚光光束作用于光伏电池，实现光伏发电；未透过镀膜分频镜的长波光将被镀膜分频镜反射，并聚焦于热接收器，实现热利用或光热发电。

实施例二：如图2所示，改变实施例一中镀膜分频镜的滤光特性，将镀膜分频镜设置为透过长波光、反射短波光，并调换实施例一中光伏电池和热接收器两者的位置，即热接收器位于菲涅尔透镜聚焦处，光伏电池位于镀膜分频镜反射聚光光束的聚焦处。该方案的原理为：由聚光反射镜对太阳光进行第一次聚光形成聚光光束，聚光光束射向镀膜分频镜和菲涅尔透镜。因镀膜分频镜为透过长波光、反射短波光，故聚光光束中的长波光将透过镀膜分频镜，并由菲涅尔透镜二次聚光，聚光后的聚光光束作用于热接收器，实现热利用或光热发电；未透过镀膜分频镜的短波光将被镀膜分频镜反射，并聚焦于光伏电池，实现光伏发电。

在上述实施例一中，如图3所示，菲涅尔透镜与镀膜分频镜分开使用的方案可替换为直接采用表面镀有分频镀膜6的菲涅尔透镜，这样亦可实现相同的目的。

基于上述实施例一的工作原理，对本发明光伏电池的排布进行设计，以提高光伏电池的效率。具体设计方案为：利用菲涅尔透镜的色散，在菲涅尔透镜的聚焦处产生光谱分布，根据该光谱分布，将对应能带间隙的光伏电池直接排布至菲涅尔透镜的聚焦处。例如图4中所示，太阳光入射到菲涅尔透镜上时，波短的太阳光经过菲涅尔透镜折射，由于其折射率较高，将落到A处，波长的太阳光将落到B处。根据该原理，将光伏电池以能带间隙从大到小，从A排列至B处，使不同能带间隙的光伏电池吸收对应的太阳光谱段，从而提高光电效率。

根据上述光伏电池的排布设计，本发明太阳能利用方式还可作为如下改进。

改进实施例一：将方案一结构中的菲涅尔透镜选择为长焦距的菲涅尔透镜，这样有利于在菲涅尔透镜的聚焦处形成更易区分的光谱。再将光伏电池的排布设计为锥面排布，如图5所示，在所形成的的锥面光谱中，锥面靠近顶部的光谱带适合排布能带间隙大的光伏电池，锥面靠近底部的光谱带适合排布能带间隙小的光伏电池。当然，在锥面由顶部至底部将形成渐变排布。

改进实施例二：如图6所示，取消方案一结构中的镀膜分频镜，即直接由菲涅尔透镜对聚光反射镜反射的聚光光束进行二次聚光，并同样利用菲涅尔透镜的色散原理排布光伏电池，亦可使光伏电池达到较高的利用效率。

以上实施例和工作原理的设计，旨在说明本发明的技术手段，并非限制本发明的技术范围。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明作显而易见的改进，例如：仅改变菲涅尔透镜、镀膜分频镜、聚光反射镜的凹凸样式，或简单地将光伏电池、热接收器替换为其它类似的光利用装置，则应落入本发明所保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能电热利用装置，其特征在于该装置包括菲涅尔透镜(1)、镀膜分频镜(2)、光伏电池(3)、热接收器(4)、聚光反射镜(5)，所述菲涅尔透镜、镀膜分频镜位于所述光伏电池、热接收器之间，所述菲涅尔透镜、镀膜分频镜接受所述聚光反射镜的聚光光束，所述光伏电池、热接收器两者其一位于所述菲涅尔透镜的聚焦处，另一者位于所述镀膜分频镜反射所述聚光光束的聚焦处。

2.根据权利要求1所述太阳能电热利用装置，其特征在于所述镀膜分频镜(2)为透过短波光、反射长波光，所述光伏电池(3)位于所述菲涅尔透镜1聚焦短波光的聚焦处，所述热接收器(4)位于所述镀膜分频镜(2)反射长波光的聚焦处。

3.根据权利要求1所述太阳能电热利用装置，其特征在于所述镀膜分频镜(2)为透过长波光、反射短波光，所述热接收器(4)位于所述菲涅尔透镜(1)聚焦长波光的聚焦处，所述光伏电池(3)位于所述镀膜分频镜(2)反射短波光的聚焦处。

4.根据权利要求2或4所述太阳能电热利用装置，其特征在于所述菲涅尔透镜(1)与镀膜分频镜(2)的组合使用替换为表面镀有分频镀膜(6)的菲涅尔透镜(1)。

5.根据权利要求1所述太阳能电热利用装置，其特征在于所述聚光反射镜(5)为碟式、槽式、以及塔式定日镜三者中的任意一种。

6.根据权利要求1所述太阳能电热利用装置，其特征在于所述镀膜分频镜(2)的反射面为平面、凸面、或凹面三者的任意一种。

7.一种如权利要求2所述太阳能电热利用装置的利用方法，其特征在于首先由聚光反射镜(5)对太阳光进行一次聚光形成聚光光束，聚光光束照射至所述镀膜分频镜(2)和菲涅尔透镜(1)，经镀膜分频镜的分光、反射作用，透过镀膜分频镜的光束由菲涅尔透镜进行二次聚光，二次聚光后的光束被所述光伏电池(3)接收利用，未透过镀膜分频镜的光束被镀膜分频镜反射至所述热接收器(4)，并被热接收器接收利用。

8.根据权利要求7所述太阳能电热利用装置的利用方法，其特征在于所述聚光反射镜(5)反射的聚光光束经所述菲涅尔透镜(1)后形成光谱分布，根据该光谱分布布置相应能带间隙的光伏电池(3)。

9.根据权利要求8所述太阳能电热利用装置的利用方法，其特征在于选择长焦距菲涅尔透镜(1)，并将光伏电池(3)的分布设计为锥面排布，使透过菲涅尔透镜的光束在锥面上形成光谱带。

10.根据权利要求8所述太阳能电热利用装置的利用方法，其特征在于取消所述镀膜分频镜(2)，所述聚光反射镜(5)反射的聚光光束经所述菲涅尔透镜二次聚光，二次聚光后的光束被所述光伏电池(3)接收利用。

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