CN103364871B - 均光器及太阳能电热混合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均光器及太阳能电热混合利用系统，属于太阳能利用领域。该均光器包括：多个输入光导、分散连接光导和多个输出光导；其中，所述每个输入光导的光输出面均通过所述分散连接光导分别连接至各输出光导，由所述分散连接光导将每个输入光导的光输出面输出的光均匀传导至各输出光导。该均光器通过分散连接光导，将各输入光导从光输出面输出的光均匀传导至各输出光导，使得无论各输入光导接受何种光强，传导到各输出光导上的光都为均匀分布，实现了很好的均光效果。该均光器结构简单，成本低，用在太阳能电热混合利用系统中，可有效提高光伏电池输出电压的均匀性。

Description

均光器及太阳能电热混合利用系统

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，尤其涉及一种均光器及太阳能电热混合利用系统。

背景技术

在很多应用中，需要将光线均匀分配给各个输出单元，比如在高倍聚光太阳能应用中，如果采用串联光伏电池组模式，则需要各光伏电池的输入光的功率一致，但聚光光源有时无法满足这个要求。

发明内容

本发明实施方式提供一种均光器及太阳能电热混合利用系统，可以解决目前聚光光源无法满足均光要求的问题。其结构简单、成本低、均光效果好。

为解决上述问题本发明提供的技术方案如下：

本发明实施方式提供一种均光器，包括：

多个输入光导、分散连接光导和多个输出光导；其中，

所述每个输入光导的光输出面均通过所述分散连接光导分别连接至各输出光导，由所述分散连接光导将每个输入光导的光输出面输出的光均匀传导至各输出光导。

本发明实施方式还提供一种太阳能电热混合利用系统，包括：

追日架、抛物面反射聚光镜、集光器、电能储存传输单元和热交换单元；其中，

所述抛物面反射聚光镜设置在所述追日架上；

所述集光器的受光面与所述抛物面反射聚光镜的反射面相对，集光器的电输出端与所述电能储存传输单元电连接；

所述集光器的热输出端与所述热交换单元连接；

所述集光器包括：均光器、多个光伏电池、液冷支撑体和保护二极管；其中，所述均光器采用上述的均光器，各光伏电池分别贴装在所述均光器的各输出光导上，各光伏电池设置在所述液冷支撑体上，多个串联光伏电池的电输出端经保护二极管连接所述电能储存传输单元；所述液冷支撑体上设有连接热交换单元的热输出端。

由上述的技术方案可以看出，本发明实施方式提供的均光器，通过分散连接光导，将各输入光导从光输出面输出的光均匀传导至各输出光导，使得无论各输入光导接受何种光强，传导到各输出光导上的光都为均匀分布，实现了很好的均光效果。该均光器结构简单，成本低，用在太阳能电热混合利用系统中，可有效提高光伏电池输出电压的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的均光器的示意图；

图2为本发明实施例提供的均光器的侧向示意图；

图3为本发明实施例提供的另一均光器的示意图；

图4为图3所示的均光器的正面示意图；

图5为图3所示的均光器的侧面示意图；

图6为本发明实施例二提供的太阳能电热混合利用系统的示意图；

图7为本发明实施例二提供的另一种结构太阳能电热混合利用系统的示意图；

图8为本发明实施例二提供的又一种结构的太阳能电热混合利用系统的示意图；

图9为本发明实施例提供的太阳能电热混合利用系统的整体结构示意图；

图10为本发明实施例提供的太阳能电热混合利用系统整体结构的另一角度示意图；

图中各标号对应的部件为：1-直射阳光；2-追日架；3-聚光抛物面镜；4-集光器；41-均光器；411-输入光导；412-分散连接光导；413-输出光导；42-光伏电池；43-液冷支撑体；431-氧化铝陶瓷电路板；44-保护二极管；5-电能储存传输单元；51-储能电容；52-逆变器；6-热交换单元；61-热管换热器；62-被动散热器；63-换热器；64-水泵；65-储水箱；67-散热器；7-过热保护控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供一种均光器，可用在太阳能系统中，如用在光热混合利用系统中，如图1、2所示，该均光器包括：多个输入光导411、分散连接光导412和多个输出光导413；

其中，每个输入光导411设有一个光输出面，每个输入光导411的光输出面均通过分散连接光导412分别连接至各输出光导413，由分散连接光导412将各输入光导的光输出面输出的光均匀传导至各输出光导。

上述均光器中，分散连接光导可采用以下几种结构形式，如：

第一种：分散连接光导412设有与多个输入光导数量一致的多个输入端，以及与多个输出光导数量一致的多个输出端；每个输入端处为集束光纤，集束光纤从输入端向输出端延伸的方向按输出端的数量均匀分散成截面积相等的多束光纤，多个输入端中每个输入端分散出一束光纤汇聚集中后形成的集束光纤作为一个输出端。这种结构的分散连接光导中，每个输入端均通过按输出端的数量平均分散出的一束光纤与一个输出端连接，从而可实现从每个输入端输入的光均匀分配到各个输出端处，从而保证整个均光器的均光效果。

举例计算：

假设有n个输入光导，m个输出光导，各个输入光导输入光线强度分别为I1、I2……In，各输入光线强度不等，不考虑传输中的光损失，则有

分散连接光导输入为I1、I2……In，

分散连接光导输入端的输入光线被分散连接到各输出端，各输出端所输出光线强度为：

Io1＝I1/m+I2/m+……+In/m；

Io2＝I1/m+I2/m+……+In/m；

Ion＝I1/m+I2/m+……+In/m；

可见，各输出光导所输出光线强度相等。

常见的光纤为圆形，制成的光纤束会在光纤与光纤之间产生缝隙，从而造成光线的损失，为解决该问题，上述分散连接光导412中，集束光纤中每条光纤的横截面为方形或六角形，这种结构的光纤集中设置形成集束光纤后，从而使相邻光纤可以无间隙布置，从而提高光线的传输率。

上述分散连接光导412中，集束光纤中每条光纤均采用中空光纤，可以降低成本，减少材料使用，并可减少光纤内部材料对光线的吸收。

第二种：分散连接光导412设有与多个输入光导数量一致的多个输入端，以及与多个输出光导数量一致的多个输出端；每个输入端处为一条光导柱，光导柱由输入端向输出端延伸的方向按输出端的数量均匀分散成面积相等的多条光导柱，多个输入端中每个输入端分散出的一条光导柱汇聚集中后形成的集束光导柱作为一个输出端。这种结构的分散连接光导中，每个输入端均通过按输出端的数量平均分散出的一条光导柱与一个输出端连接，从而可实现从每个输入端输入的光均匀分配到各个输出端处，从而保证整个均光器的均光效果。

实际中，分散连接光导412可由光纤集束制成，输入光导411的光输出面的面积均匀分配给各与其连接的分散连接光导412，由于各光伏电池制造中有可能有微小差异，故成品前可以通过微调分散连接光导412与输出光导413的连接关系从而获得光伏电池转换效率的最大化。

上述均光器中，每个输入光导411为锥柱状结构，输入光导面积较大的一端作为光输入面，多个输入光导的光输入面紧密排列设置在一起。这种结构的输入光导，使各输入光导的光输出面之间保持一定间隔，便于分散连接光导的输入端向输入光导的每个光输出面上固定安装。

上述均光器中，还可以包括：液冷支撑体43、多个光伏电池42和多块氧化铝陶瓷电路板431；其中，光伏电池43的数量与多个输出光导413的数量一致；每个光伏电池42贴装在一个输出光导413的光输出面上；各光伏电池42分别通过一块氧化铝陶瓷电路板431固定在液冷支撑体43上。其中，液冷支撑体43可为中空结构，液冷支撑体的中空部分通液体，可用于热管换热或循环换热，其内可设置增大热交换面积便于散热的翅片，液冷支撑体43上设有连接热交换单元的液冷接口。

下面结合具体实施例对本发明均光器作进一步说明。

该均光器由多个输入光导、多个输出光导和连接在各输入光导的光输出面和多个输出光导之间的分散连接光导构成；其中，每个输入光导为锥柱状结构，多个输入光导在受光面积上密布排列设置，各输入光导的光输出面连接光纤束，光纤束的输出端连接多个输出光导，每个输入光导的光输出面所连接的光纤束平均分配并连接到各输出光导的光输入面上，这样每个输出光导的光输出面所接受的光强为：每个输入光导的光输出面面积1/m(m为输出光导的多个光输出面的个数)的总和，这种结构的均光器，即使各输入光导所接受光强不均匀，传到至输出光导后，由输出光导所输出的光强也是均匀的。

实施例二

如图6～8所示，本实施例提供一种太阳能电热混合利用系统，是应用了上述实施例一给出的均光器的系统，该系统包括：追日架2、抛物面反射聚光镜3、集光器4、电能储存传输单元5和热交换单元6；

其中，抛物面反射聚光镜3设置在追日架2上(见图9、10)；

集光器4的受光面与抛物面反射聚光镜3的反射面相对，集光器4的电输出端与电能储存传输单元5电连接；

集光器4的热输出端与热交换单元6连接；

集光器4包括：均光器41、多个光伏电池42、液冷支撑体43和保护二极管44；其中，均光器41采用上述实施例一给出的均光器，各光伏电池42分别贴装在均光器41的各输出光导的光输出面上，各光伏电池42设置在液冷支撑体43上，光伏电池41的电输出端经保护二极管44连接电能储存传输单元5；液冷支撑体43上设有连接热交换单元6的热输出端。

上述系统中，液冷支撑体43为中空结构，其内可设置增大散热面积的翅片；各光伏电池上均设有一块氧化铝陶瓷电路板431，通过氧化铝陶瓷电路板431固定在液冷支撑体43的至少一个外表面上。液冷支撑体43之间留有间隙，可用于布置导线。

上述系统中的集光器4在解决了液冷散热的同时，通过均光器41的均光效果保证了每个光伏电池42接受的光强基本相同，保证了串联光伏电池组中的每个光伏电池都能工作在最佳效率点附近。

上述系统中，热交换单元可以采用以下几种形式：

如图6所示，第1种形式的热交换单元6包括：换热器63、水泵64、储水箱65和散热器67；其中，

换热器63的热水进口与集光器4的热输出端连接；

储水箱65出水口经管路、水泵64依次经换热器63、散热器67回接至该储水箱65的回水口。

这种结构的热交换单元可将集光器4的热量通过循环交换到环境中，包括空气或地下水或土地中，从而降低集光器4中光伏电池42的温度。

如图7所示，第2种形式的热交换单元包括：换热器63、储水箱65、水泵64和热水储水箱66；其中，

换热器63的热水进口与集光器4的热输出端连接；

储水箱65的出水口经管路、水泵64、换热器63与热水储水箱65连通。

这种结构的热交换单元由储水箱65、水泵64、换热器63、热水储水箱66构成循环散热系统，将集光器4的热量收集到热水储水箱66进一步利用，从而降低集光器4中光伏电池42的温度，并同时获得了可利用的热水。

进一步的，为保证热水储水箱66温度达到要求，水泵64可带有温控装置，温控装置根据光伏电池42的温度工作，当光伏电池温度达到一定数值时，水泵64工作将热水导出。

如图8所示，第3种形式的热交换单元包括：热管换热器61和被动散热器62；其中，

热管换热器61的热水进口与集光器4的热输出端连接，热管换热器61与被动散热器62连接。

这种结构的热交换单元由热管换热器61和被动散热器62构成热管无动力循环散热系统，将集光器4的热量通过循环交换到空气中，从而降低集光器4中光伏电池42的温度。

上述系统中还可以设置，过热保护控制器7，其检测端与集光器4的热输出端连接，控制端与追日架的驱动装置控制器电连接，用于当所述集光器的热输出端的热值达到预设值时，发出控制信号控制所述追日架的驱动装置驱动所述追日架调整偏离太阳光的照射方向。过热保护控制器可通过热敏元件与单片机控制器来实现，整个过热保护控制器可集成到追日架的控制器中。

上述系统中的电能储存传输单元5可由储能电容51和逆变器52构成；其中，储能电容51一端与逆变器52的输入端电连接，储能电容51另一端接地(见图6、图7或图8)。

上述系统工作时，直射阳光1通过连接在追日架2上的抛物面反射聚光镜3汇聚到集光器4的均光器41的输入光导411上，输入光导411通过分散连接光导412将光均匀传导到均光器41的各输出光导413上，各输出光导413的光输出面将接受的光均匀传导至各光伏电池42，光伏电池42将阳光转化成电能和热能，多个光伏电池42串联连接提升电压并汇总在一起通过保护二极管4传输到电容器51和逆变器52后转换成符合电网标准的电能传输到用电单位；热能由连接光伏电池42的氧化铝陶瓷电路板431传导到液冷支撑体43，再经液冷支撑体43传导至热交换单元6交换到环境中，从而保证光伏电池42工作温度稳定，在散热系统工作不正常时，过热保护控制器7调整追日架2使抛物面反射聚光镜3聚光点偏离集光器4从而保护集光器4不会过热损坏。为保证热水槽66温度达到要求，水泵64带有温控装置，温控装置根据光伏电池42的温度工作，当光伏电池温度达到一定数值时，水泵工作将热水导出。

综上所述，为解决现有技术所存的问题，通过在集光器中采用均光器，以较低成本实现了较好的均光效果，保证了各光伏电池输入光线的均匀性，使串联工作的每个光伏电池都能工作在较理想的状态，从而汇集起的电能能够实现最大化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种均光器，其特征在于，包括：

多个输入光导、分散连接光导和多个输出光导；其中，

所述每个输入光导的光输出面均通过所述分散连接光导分别连接至各输出光导，由所述分散连接光导将每个输入光导的光输出面输出的光均匀传导至各输出光导。

2.根据权利要求1所述的均光器，其特征在于，所述分散连接光导设有与多个输入光导数量一致的多个输入端，以及与多个输出光导数量一致的多个输出端；每个输入端处为集束光纤，集束光纤从输入端向输出端延伸的方向按输出端的数量均匀分散成面积相等的多束光纤，多个输入端中每个输入端分散出一束光纤汇聚集中后形成的集束光纤作为一个输出端。

3.根据权利要求2所述的均光器，其特征在于，所述集束光纤中每条光纤的横截面为方形或六角形；

4.根据权利要求2或3所述的均光器，其特征在于，所述集束光纤中每条光纤均采用中空光纤。

5.根据权利要求1所述的均光器，其特征在于，所述分散连接光导设有与多个输入光导数量一致的多个输入端，以及与多个输出光导数量一致的多个输出端；每个输入端处为一条光导柱，光导柱由输入端向输出端延伸的方向按输出端的数量均匀分散成面积相等的多条光导柱，多个输入端中每个输入端分散出的一条光导柱汇聚集中后形成的集束光导柱作为一个输出端。

6.根据权利要求1、2、3、5任一项所述的均光器，其特征在于，所述每个输入光导为锥柱状结构，输入光导横截面面积较大的一端作为光输入面，多个输入光导的光输入面紧密排列设置在一起。

7.根据权利要求1所述的均光器，其特征在于，还包括：液冷支撑体、多个光伏电池和多块氧化铝陶瓷电路板；其中，

所述光伏电池的数量与所述多个输出光导的数量一致；每个光伏电池贴装在一个输出光导的光输出面上；

各光伏电池分别通过一块氧化铝陶瓷电路板固定在所述液冷支撑体上。

8.根据权利要求7所述的均光器，其特征在于，所述液冷支撑体为中空结构，其内设有翅片，液冷支撑体上设有连接热交换单元的液冷接口。

9.一种太阳能电热混合利用系统，其特征在于，包括：

追日架、抛物面反射聚光镜、集光器、电能储存传输单元和热交换单元；其中，

所述抛物面反射聚光镜设置在所述追日架上；

所述集光器的受光面与所述抛物面反射聚光镜的反射面相对，集光器的电输出端与所述电能储存传输单元电连接；

所述集光器的热输出端与所述热交换单元连接；

所述集光器包括：均光器、多个光伏电池、液冷支撑体和保护二极管；其中，所述均光器采用上述权利要求1～5任一项所述的均光器，各光伏电池分别贴装在所述均光器的各输出光导上，各光伏电池设置在所述液冷支撑体上，多个串联光伏电池的电输出端经保护二极管连接所述电能储存传输单元；所述液冷支撑体上设有连接热交换单元的热输出端。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，

所述热交换单元包括：换热器、水泵、储水箱和散热器；其中，换热器的热水进口与所述集光器的热输出端连接；储水箱出水口经管路、水泵依次经换热器、散热器回接至该储水箱的回水口；

或者，

所述热交换单元包括：换热器、储水箱、水泵和热水储水箱；其中，换热器的热水进口与集光器的热输出端连接；储水箱的出水口经管路、水泵、换热器与热水储水箱连通；

或者，

所述热交换单元包括：热管换热器和被动散热器；其中，热管换热器的热水进口与所述集光器的热输出端连接，热管换热器与被动散热器连接。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

过热保护控制器，其检测端与所述集光器的热输出端连接，控制端与所述追日架的驱动装置控制器电连接，用于当所述集光器的热输出端的热值达到预设值时，发出控制信号控制所述追日架的驱动装置驱动所述追日架调整偏离太阳光的照射方向。