CN103441177B - 多用途聚光太阳能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用途聚光太阳能系统，设有主反射镜对太阳实时跟踪，并将阳光汇聚到主反射镜与其焦点之间的分光镜，由分光镜将太阳光按光谱分割成两部分进行应用，其中的短波段光被分光镜反射后，汇聚于光伏电池上进行光伏发电并利用多余热量提供热水和取暖等，或者汇聚于导光管进行照明；其中的长波段光经分光镜透射后汇聚于光热接收器，将热量通过工作介质传递至储热器，以便在需要时取出热量并通过热机带动发电机等进行光热发电或者提供热水和取暖等；所述长波段光和短波段光的分界波长对应于所述光伏电池的禁带宽度决定的波长。本发明实现了集多种应用形式为一体的太阳光能量的综合利用，提高了太阳光利用率。

Description

多用途聚光太阳能系统

技术领域

本发明涉及一种多用途聚光太阳能系统，属于太阳能光热综合利用技术领域。

背景技术

太阳能是一种极为丰富的清洁能源，具有绿色环保、取之不尽的特点，地球每年接受的太阳能总量是世界年耗总能量的一万多倍。太阳能利用前景非常诱人，可以应用于照明、发电、取暖、提供热水、制冷、海水淡化等多个领域。

目前主流的太阳能利用方式有太阳能光伏发电、光热发电等两种形式。

太阳能光伏发电是指将太阳光通过光伏电池直接转换为电能的技术。平板式光伏电池由于没有聚光系统，光照密度低，对太阳光谱的能量利用非常有限，造成整个系统太阳光能量利用率较低；聚光光伏系统虽然具有较高的聚光比，可以提高太阳光能量利用率，降低光伏电池的使用面积，节约成本，但是由于其把所有的太阳光谱能量汇聚在光伏电池上，导致光伏电池在发电的同时会产生多余的热量，这些热量如果不除去可能会提高光伏电池的工作温度造成电池的光电转换效率的下降，给系统带来负面影响，另一方面，目前的聚光光伏系统通常采用透镜聚焦的方式，而且不进行太阳跟踪，聚光比和阳光利用率仍然不够高。

太阳能光热发电系统是通过汇聚太阳光产生高温热源来加热液体或气体的传热工作介质，该部分热量转换为机械能后，进一步转化为电能。目前的主要应用方式有塔式、槽式、蝶式三种系统，均通过太阳能跟踪装置将太阳光实时汇聚到空间某一较小的区域，即高温热源区；在高温热源区设置一光热接收体，将高温热源收集起来，并通过一定的液体或气体传热工作介质，将热量传递给热机并带动发电装置进行发电。光热发电利用的是全波段太阳光谱能量，能领集中度非常高，产生的高温热源的温度也很高，对储热导热工作介质的要求较高，增加了系统的技术难度。

目前太阳能利用的方式大多是以一种形式出现，即太阳能照明或者太阳能光伏发电、太阳能光热发电等，这种单一的应用形式使得太阳光能量利用率不高，造成资源浪费。在资源紧缺的当今，开发一种能集多种应用于一体的太阳能系统显得尤为迫切。

发明内容

为了解决光伏发电和光热发电等系统中存在的太阳光全光谱波段混合在一起、能量利用形式单一、能量利用率不高的问题，本发明的目的是提供一种多用途聚光太阳能系统，能将太阳光谱分割成两部分进行应用，一部分较短波段的光用来进行照明或光伏发电，并且通过冷却系统将多余的热量进行再利用，比如提供热水、取暖等；另一部分较长波段的光用来进行光热发电或者提供热水、取暖等，既减少了每一种应用方式中的负面因素的影响，降低了每一种应用方式的技术难度，又实现了对太阳光能量的综合利用，提高了太阳光利用率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

提供一种多用途聚光太阳能系统，其包含：

主反射镜，安装于支撑架上，并能够对太阳进行二维实时跟踪，使阳光沿主反射镜光轴入射到该主反射镜上，实现有效接收面积的最大化；

分光镜，位于所述主反射镜与其焦点之内的设定位置，阳光经过所述主反射镜反射后入射至所述分光镜，再经过该分光镜分割成长波段光和短波段光；

光伏电池，其受光面位于所述分光镜的反射光线的汇聚光斑处，以便于接收经分光镜反射后汇聚于该光伏电池的受光面上的所述短波段光来进行光伏发电；

光热接收器，其受光面位于所述分光镜的透射光线的汇聚光斑处，以便于接收经分光镜透射后汇聚于该光热接收器的受光面上的长波段光；所述光热接收器将长波段光的热量通过工作介质传递给储热器进行储存，从而在需要时从储热器获取热量来提供热水、取暖，或者获取热量来进行光热发电；

其中，所述长波段光和短波段光的分界波长，对应于所述光伏电池的禁带宽度决定的波长。

优选地，所述主反射镜是非球面镜或球面镜；

所述分光镜是平面镜，或球面镜，或非球面镜。

优选地，所述分光镜的光轴与主反射镜的光轴重合；分光镜的面积大于主反射镜的反射光线在该分光镜表面上的投射光斑的最大面积。

优选地，所述光伏电池的中心线与分光镜的光轴重合；光伏电池的受光面面积大于分光镜的反射光线在该光伏电池受光面上的光斑面积。

优选地，所述光热接收器位于主反射镜的焦点处；光热接收器的受光面面积大于分光镜的透射光线在该光热接收器的受光面上的光斑面积。

在另一个实施例中，设置有导光管来替代光伏电池，所述导光管的受光面位于分光镜的反射光线的汇聚光斑处，来收集经分光镜反射的以可见光为主的所述短波段光进行照明。

优选地，所述分光镜设有石英玻璃或硼硅玻璃材质的基体；

所述基体的两面分别涂有光学膜层，其中，在该基体朝着主反射镜的一面上涂有分光膜，在朝着光热接收器的一面上涂有减反射膜。

优选地，所述光伏电池的材料是砷化镓GaAs或硅Si或铜铟镓CIG。

所述光伏电池的禁带宽度为A，对应的分界波长为B；

所述分光镜一面的分光膜能够透过波长大于B的光并反射波长小于B的光；该分光镜另一面的减反射膜作用于波长大于B的光，以增加其透过率。

优选地，设置有冷却系统对所述光伏电池进行冷却，并收集光伏电池发电时产生的多余热量来提供热水、取暖。

实施该技术后的明显效果和优点是：本发明所述一种多用途聚光太阳能系统，通过将太阳光谱分割成两部分进行应用，较短波段的光用来进行光伏发电并提供热水和取暖等，或者用来进行太阳光照明，较长波段的光用来进行光热发电或者提供热水和取暖等，减少了传统单一应用形式中存在的负面因素的影响，降低了每一种应用方式的技术难度，实现了集多种应用形式为一体的太阳光能量的综合利用，提高了太阳光利用率。

附图说明

图1是本发明所述一种多用途聚光太阳能系统的总体结构示意图；

图2是本发明所述分光镜的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

参见附图1，主反射镜2安装在支撑架1上，可以做二维实时运动以跟踪太阳光，保证太阳光始终沿主反射镜2光轴入射至该主反射镜2的表面；主反射镜2为非球面镜或者球面镜，可以获得较小的聚光光斑；主反射镜2表面涂有高反射率涂层，将绝大部分阳光反射至分光镜3。

分光镜3可以是平面镜，也可以是球面镜或者非球面镜；分光镜3位于主反射镜2与其焦点之内的某个设定位置，分光镜3的光轴与主反射镜2的光轴重合，分光镜3的面积大于主反射镜2的反射光线在其表面上的投射光斑的最大面积。

该分光镜3将主反射镜2反射过来的太阳光分割成长波段和短波段两部分光，长波段光和短波段光的分界波长对应于所用光伏电池4的禁带宽度决定的波长：

短波段的光经分光镜3反射后汇聚于光伏电池4的受光面上进行发电，发电的同时将产生的多余热量经过光伏电池4下面设置的冷却系统进行冷却，一方面可以降低光伏电池的温度，使光伏电池高效的工作，另一方面可以将收集起来的热量用于提供热水、取暖等应用。当短波段的光以可见光为主时，还可以用导光管替代光伏电池进行照明。长波段的光经分光镜3透射后汇聚于主反射镜2焦点处设置的光热接收器5，光热接收器5再经过工作介质将热量传递给储热器进行储存，在需要时用热机带动发电机进行光热发电，也可以用来提供热水、取暖等。

光伏电池4或者导光管的受光面位于分光镜3的反射光线的汇聚光斑处，光伏电池4的中心线与分光镜3的光轴重合，光伏电池4的受光面面积大于分光镜3的反射光线在光伏电池4受光面上的光斑面积。光热接收器5的受光面位于分光镜3的透射光线的汇聚光斑处，光热接收器5的受光面面积大于分光镜3的透射光线在光热接收器5的受光面处的光斑面积。

参见附图2，分光镜3的基体7的材料可以是石英玻璃、硼硅玻璃等材料，基体7的两面涂有光学膜层，在距离主反射镜2较近的迎光表面上涂有分光膜6，使得入射到其表面的阳光能够被分成长波段和短波段两部分光，在基体7的另一面涂有减反射膜8，减少透射光的反射，增加透过率。

光伏电池4的材料可以是砷化镓GaAs、硅Si、铜铟镓CIG等。以使用砷化镓材料为例，其禁带宽度为1.4eV，对应的分界波长为0.885μm，此时分光镜3的分光膜6应该制作成透过大于0.885μm波长的光并反射小于0.885μm波长的光。所以波长小于0.885μm的短波段的光被分光镜3反射至光伏电池4受光面，激发光伏电池4产生电流发电，而波长大于0.855μm的长波段的光经分光镜3透射后被光热接收器5收集起来。对应的减反射膜8的工作波长为大于0.885μm波长的光。由于波长小于0.885μm的光以可见光为主，此时也可以将光伏电池4替换成导光管，将自然光传导至室内，实现自然光舒适照明的效果。

本发明所述一种多用途聚光太阳能系统，不仅可以用来提供热量，用于热发电、取暖、热水等，还可以实现光伏发电、照明等功能，将多种功能集为一体，不仅降低了每一种单一应用形式的技术难度，还大大提高了太阳光利用率。

本发明所述一种多用途聚光太阳能系统可用于居民小区、商业小区、别墅、农家小院、孤立的海岛等，可安装在屋顶、庭院、其它空地等，应用场合灵活、广泛。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多用途聚光太阳能系统，其特征在于，包含：

主反射镜（2），安装于支撑架（1）上，并能够对太阳进行二维实时跟踪，使阳光沿主反射镜（2）光轴入射到该主反射镜（2）上；

分光镜（3），位于所述主反射镜（2）与其焦点之内的设定位置，所述分光镜（3）的光轴与主反射镜（2）的光轴重合；阳光经过所述主反射镜（2）反射后入射至所述分光镜（3），再经过该分光镜（3）分割成长波段光和短波段光；

光伏电池（4），其受光面位于所述分光镜（3）的反射光线的汇聚光斑处，以便于接收经分光镜（3）反射后汇聚于该光伏电池（4）的受光面上的所述短波段光来进行光伏发电；所述光伏电池（4）的中心线与分光镜（3）的光轴重合；

光热接收器（5），其受光面位于所述分光镜（3）的透射光线的汇聚光斑处，以便于接收经分光镜（3）透射后汇聚于该光热接收器（5）的受光面上的长波段光；所述光热接收器（5）位于主反射镜（2）的焦点处；所述光热接收器（5）将长波段光的热量通过工作介质传递给储热器进行储存，从而在需要时从储热器获取热量来提供热水、取暖，或者获取热量来进行光热发电；

其中，所述长波段光和短波段光的分界波长，对应于所述光伏电池（4）的禁带宽度决定的波长。

2.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

所述主反射镜（2）是非球面镜或球面镜；

所述分光镜（3）是平面镜，或球面镜，或非球面镜。

3.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

分光镜（3）的面积大于主反射镜（2）的反射光线在该分光镜（3）表面上的投射光斑的最大面积。

4.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

光伏电池（4）的受光面面积大于分光镜（3）的反射光线在该光伏电池（4）受光面上的光斑面积。

5.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

光热接收器（5）的受光面面积大于分光镜（3）的透射光线在该光热接收器（5）的受光面上的光斑面积。

6.如权利要求1或4所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

设置有导光管来替代光伏电池（4），所述导光管的受光面位于分光镜（3）的反射光线的汇聚光斑处，来收集经分光镜（3）反射的以可见光为主的所述短波段光进行照明。

7.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

所述分光镜（3）设有石英玻璃或硼硅玻璃材质的基体（7）；

所述基体（7）的两面分别涂有光学膜层，其中，在该基体（7）朝着主反射镜（2）的一面上涂有分光膜（6），在朝着光热接收器（5）的一面上涂有减反射膜（8）。

8.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

所述光伏电池（4）的材料是砷化镓GaAs或硅Si或铜铟镓CIG。

9.如权利要求7或8所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

所述光伏电池（4）的禁带宽度为A，对应的分界波长为B；

所述分光镜（3）一面的分光膜（6）能够透过波长大于B的光并反射波长小于B的光；该分光镜（3）另一面的减反射膜（8）作用于波长大于B的光，以增加其透过率。

10.如权利要求1所述的多用途聚光太阳能系统，其特征在于，

设置有冷却系统对所述光伏电池（4）进行冷却，并收集光伏电池（4）发电时产生的多余热量来提供热水、取暖。