CN104158488B - 太阳能利用系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及太阳能领域，具体而言，涉及一种太阳能利用系统。包括接收器、聚光组件以及光线跟踪组件；所述接收器包括中空铝型材；所述中空铝型材的下表面设有太阳能电池片；所述中空铝型材设置有连通其内部的进液口以及出液口，并且还连通有用于控制其内部冷却液流速与流量的控制泵；所述聚光组件设置在所述接收器的下方，用于将太阳光聚拢到所述中空铝型材的所述太阳能电池片上；所述光线跟踪组件与所述聚光组件连接，用于控制所述聚光组件始终与太阳呈一固定角度。本发明实施例所提供的太阳能利用系统相较于相关技术中的太阳能利用技术，本发明具有更高的利用效率，并且由于结构简单，成本也较为低廉。
Description
技术领域
本申请涉及太阳能领域，具体而言，涉及一种太阳能利用系统。
背景技术
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。其具有以下优点：(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，便于采集，且无须开采和运输。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于104万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
在相关技术中的太阳能利用装置，一般采用两种方式。
其中一种方式，如中国专利号201180065079.0以及201310104517.8，采用单独聚光发电方式，但这种方式虽然提高了单位面积的光照强度，但同时也会聚集大量的热量，使太阳能电池片处于较高的工作温度下，反而降低了太阳能电池片的光电转化效率，而如果降低聚光程度，则又会增加太阳能电池片的用量，并且降低使用效率，增加成本。
另一种方式，如中国专利号201210211980.0以及200910189755.X，则采用聚热的方式对太阳光所产生的热能进行利用，但这种方式由于只能吸收热能，而无法吸收光能，因此同样存在效率偏低的问题。
因此相关技术中的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，经济性还不能与常规能源相竞争。
发明内容
本发明提供了一种太阳能利用系统，以解决上述问题。
根据本公开实施例所提供的太阳能利用系统，包括接收器、聚光组件以及光线跟踪组件；
所述接收器包括中空铝型材；所述中空铝型材的下表面设有太阳能电池片；所述中空铝型材设置有连通其内部的进液口以及出液口，并且还连通有用于控制其内部冷却液流速与流量的控制泵；
所述聚光组件设置在所述接收器的下方，用于将太阳光聚拢到所述太阳能电池片上；
所述光线跟踪组件与所述聚光组件连接，用于控制所述聚光组件始终与太阳呈一固定角度。
上述的太阳能利用系统中，所述中空铝型材的表面依次设有第一EVA层、第一ETFE层、第二EVA层、所述太阳能电池片、第三EVA层以及第二ETFE层；所述第一EVA层的厚度为0.42-0.50mm；所述第二EVA层的厚度为0.18-0.22mm；所述第三EVA层的厚度为0.18-0.22mm。
上述的太阳能利用系统中，所述中空铝型材的所述进液口与所述出液口通过运输管路连通，所述控制泵设置在所述运输管路中；所述太阳能利用系统还包括外部换热装置，用于与位于所述运输管路内部的冷却液进行热交换。
上述的太阳能利用系统中，所述中空铝型材的所述进液口与所述出液口通过运输管路连通，所述控制泵设置在所述运输管路中；所述运输管路延伸至所述聚光组件的背面，且所述运输管路上设置有散热鳍片。
上述的太阳能利用系统中，所述聚光组件包括多块反光镜；多块所述反光镜呈弧形排布。
上述的太阳能利用系统中，所述接收器设置在所述聚光组件的上方一侧；
当太阳与所述聚光组件成所述固定角度时，每块所述反光镜的反射光线均投向所述太阳能电池片，且所述接收器的投影位于所述聚光组件之外。
上述的太阳能利用系统中，所述光线跟踪组件包括固定腿、旋转支架、步进电机以及控制所述步进电机工作的控制装置；
所述接收器以及所述聚光组件均设置于所述旋转支架上；所述旋转支架与所述固定腿转动连接，且转动轴水平延伸；所述步进电机固定于所述固定腿或所述旋转支架上，并能够使所述固定腿与所述旋转支架之间产生相对转动。
上述的太阳能利用系统中，所述光线跟踪组件还包括水平转动座，所述水平转动座能够以沿竖直方向延伸的轴转动；所述固定腿设置在所述水平转动座上。
上述的太阳能利用系统中，所述控制装置包括电连接的GPS模块、姿态存储器以及控制器；所述GPS模块用于确定当前太阳能利用系统所处的位置；所述姿态存储器用于存储不同位置的不同时刻所对应的姿态数据；所述控制器用于按照所述GPS模块所确定的位置调取所述姿态存储器内的数据并控制所述步进电机调整至当前时刻所对应的姿态。
上述的太阳能利用系统中，所述太阳能电池片为所述太阳能利用系统中的所有用电设备供电。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例所提供的太阳能利用系统通过设置光线跟踪组件以及聚光组件，能够尽可能多的接收太阳能，并将其聚拢至接收器上。接收器再利用这些收集到的太阳能发电的同时，还可将收集过程中所产生的热量储存在中空铝型材内部的流体中。因此，相较于相关技术中的太阳能利用技术，本发明具有更高的利用效率，并且由于结构简单，成本也较为低廉。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的太阳能利用系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的太阳能利用系统的主视结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的太阳能利用系统的工作状态示意图；
图4为本发明实施例所提供的太阳能利用系统的太阳能电池片的封装结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的太阳能利用系统采用接收器设置在聚光组件上方中部时太阳光的照射示意图；
图6为本发明实施例所提供的太阳能利用系统采用接收器设置在聚光组件上方一侧并且大入射角时太阳光的照射示意图；
图7为本发明实施例所提供的太阳能利用系统采用接收器设置在聚光组件上方一侧并且小入射角时太阳光的照射示意图。
附图说明：1-接收器；101-中空铝型材；102-太阳能电池片；103-出液口；104-进液口；105-第一EVA层；106-第一ETFE层；107-第二EVA层；108-第三EVA层；109-第二ETFE层；110-外部换热装置；111-运输管路；112-控制泵；2-聚光组件；201-反光镜；3-光线跟踪组件；301-固定腿；302-旋转支架；303-步进电机；304-稳压器；305-水平转动座。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明的实施例提供了一种太阳能利用系统，如图1和图2所示，包括接收器1、聚光组件2以及光线跟踪组件3；
接收器1包括内部中空的中空铝型材101；中空铝型材101的下表面设有太阳能电池片102；中空铝型材101设置有连通其内部的进液口104以及出液口103，并且还连通有用于控制其内部冷却液流速与流量的控制泵112；
聚光组件2设置在接收器1的下方，用于将太阳光聚拢到接收器1的太阳能电池片102上；
光线跟踪组件3与聚光组件2连接，用于控制聚光组件2始终与太阳呈一固定角度。
如图3所示，通过设置光线跟踪组件3以及聚光组件2，能够尽可能多的接收太阳能，并将其聚拢至接收器1的太阳能电池片102上。太阳能电池片102会利用这些太阳能产生电能。在太阳能电池片102工作时，其转化率会受到先天的技术因素以及工作温度的限制。按照目前的技术，太阳能电池片102在其最佳工作温度下的光电转化率一般能够达到21.5％以上，剩余的太阳能一部分散失到环境中，还有一部分会转化为热能使太阳能电池片102的温度升高。因此，这就导致这部分能量不但没有被转化，反而会使太阳能电池片102的光电转化率下降。
而本发明为了提高太阳能的利用率，特别设计了中空铝型材101，在中空铝型材101内部通入冷却液，并通过控制泵112控制冷却液的流速以及流量，进而达到控制冷却液温度的作用。这样，冷却液能够吸收并储存太阳能电池片102上的热能，使太阳能电池片102的工作温度降低，光电转化率提高；同时，冷却液所吸收的热能也可以被加以利用。因此，相较于相关技术中的太阳能利用技术，本发明具有更高的利用效率，并且由于结构简单，成本也较为低廉。
此外，本系统对于提高能源利用率，降低污染有着显著效果。以发电为例，相关技术中，利用太阳能发电项目基本上都只能在白天发电，夜晚由于光照强度极弱，所以相关技术中的太阳能发电设备基本处于闲置状态。然而，由于照明、采暖、娱乐等需求，夜晚的用电量也非常庞大。而由于电能的特殊性，目前不易储存，因此目前电能基本上都是随产随用。目前，行业内普遍还是采用火力发电的方式，这种方式需要将水加热为蒸汽，以驱动发电机产生电力，过程中会耗费大量的煤炭、油料、天然气等能源，并且还会产生大量的污染物排放，造成环境的严重污染。而相对于电能，热能的储存则容易许多。因此，该系统在白天可利用水对太阳能电池片102进行冷却，使其保持在最佳工作温度下，始终具备较高的光电转化率，而吸收热量后的水可以保温储存，待夜间时，直接将这些水加热至蒸汽状态用以发电，由于水已经吸收了大量的热量，因此自身的温度较高，其变为蒸汽状态所需的热量也会少很多，这样就能够减少大量的煤炭、油料、天然气等能源的消耗，也能够降低污染物的排放量，环保效果非常明显。
如图4所示，在本发明的实施例中，中空铝型材101的表面依次设有第一EVA层105、第一ETFE层106、第二EVA层107、太阳能电池片102、第三EVA层108以及第二ETFE层109；第一EVA层105的厚度为0.42-0.50mm；第二EVA层107的厚度为0.18-0.22mm；第三EVA层108的厚度为0.18-0.22mm。
为了保证太阳能电池片102的正常使用，其一般需要通过封装的方式进行安放，而不是直接暴露在环境中。因此，太阳能电池片102的光电转化率还会受到封装材料的透光率影响。此外，封装材料的抗污、耐水、易清洗等特性也对太阳能电池片102的转化率以及使用寿命起到至关重要的作用。
采用本发明实施例所提供的材料并以相应厚度依次铺设、封装后，其具有以下特点：①抗粘特性，污垢不易附着在其表面；②易清洗，雨水和风即可清除主要污垢；③透光率高，透光率可高达95％，且不影响紫外线的透射；④重量轻，重量仅为玻璃的1％；⑤阻燃性能卓越；⑥绝缘性好，不导电；⑦膨胀系数低，膨胀系数接近碳钢。由于具备上述优点，因此采用上述方式封装后的太阳能电池片102使用寿命可达到25-35年。
在本发明实施例中，可以使中空铝型材101的进液口104与出液口103通过运输管路111连通，将控制泵112设置在该运输管路111中；太阳能利用系统还包括外部换热装置110，用于与位于中空铝型材101内部的冷却液进行热交换。
上述结构能够快速将冷却液引出并通过热交换的方式将冷却液内的热量释放出来。对于使用环境或使用目的所存在的差异，在不同的情况下，可以通过运输管路111以及外部换热装置110的种类选择来实现不同的功能。例如：
当系统被设置在温度极低的高纬度地区时，其冷却液所收集的热量需要被大量利用。这种情况下，为了降低冷却液的热量散失，运输管路111可以选择具有保温功能的保温管等，以降低冷却液在运输过程中的热量损耗。而外部换热装置110可以选择换热器等装置，与冷却液实现快速换热，收集热量。
而当系统被设置在温度极高的赤道或沙漠地区，或者主要目的用于发电，此时冷却液所收集的热量可能无需被大量利用。而通过自然散失的方式可能也无法及时排除冷却液的剩余热量，这就有可能导致冷却液温度过高，对太阳能电池片102的冷却效果造成影响，进而影响太阳能电池片102的光电转化率。
为了应对上述情况，运输管路111可以选择导热效率较高的金属管路，以提高冷却液的热量散失速率，同时外部换热装置110可以选择风冷装置，通过空气对冷却液进行降温；也可以选择换热器，采用温度更低的介质来吸收冷却液的热量，实现冷却液的快速降温。
这样便能够通过运输管路111将冷却液引导出来，然后通过外部换热装置110来快速降低冷却液的温度，之后再回流至接收器1内，从而能够保证太阳能电池片102在最佳工作温度下工作。
而如果系统所设置的地域内环境温度不高，则也可以选择将运输管路111延伸至聚光组件2的背面，并在运输管路111上设置散热鳍片的方式进行散热。为了提高散热效率，还可以将运输管路111设置成多根并联的管路组。
在收集太阳能的过程中，聚光组件2的正面始终朝向太阳，而其背面则始终无法被太阳光照射到，因此，聚光组件2背面的温度相对其它部位更低。所以将运输管路111延伸至聚光组件2的背面便可通过散热鳍片最大程度的提高散热效率。这种散热方式无需单独设置外部换热装置110，更加节能。
反之，如果用户需要将太阳能主要转化为热能，例如烧洗澡水或需要蒸汽，则无需设置风冷装置，直接以水作为冷却液，当水温升至所需温度后，可通过控制泵112将热水排出以便使用。
在本发明的实施例中，聚光组件2可包括多块反光镜201；多块反光镜201呈弧形排布。
相关技术中，有些太阳能发电系统中的聚光组件的形状呈凹球面，这种形状的首要缺陷便是制作工艺复杂，对制造工艺的要求较高。其次，由于四周的光线都会被聚集到一起，因此会造成温度的急剧上升，不但会导致光电转化率下降，还会降低系统的使用寿命。
而本发明采用多块反光镜201呈弧形排布，使得太阳能电池片102的同一位置只会接受到侧部聚集来的光线，而不用接受四周聚集来的所有光线。因此，其单位面积上的光照强度大幅降低，集热效果下降，降温难度也随之降低，使得太阳能电池片102更加容易保持在最佳工作温度。并且，由于反光镜201无需采用弧面，只需普通的平面，因此制作难度以及制作成本也相应降低。
在设置时，如图5所示，接收器1可以设置在聚光组件2的上方中部，使反光镜201向接收器1的两侧延伸，这样设置时，由于反光镜201均匀分布，因此所聚集的光线可以更加均匀的分布在太阳能电池片102上。但由于采用这种方式阳光只能由接收器1的背面直射，因此若要提高太阳能电池片的聚光程度，需要增大其聚光组件2的面积，并延长太阳能电池片102与聚光组件2之间的距离，以保证太阳能电池片102位于聚光组件2的反射焦点。这样，聚光组件2向两侧延伸的距离与太阳能电池片102远离聚光组件2的距离成正比。当太阳能电池片102与聚光组件2间的距离过远时，为了保证其位置固定不变，则可能需要支撑组件的强度或数量成倍提高，造成成本的大幅增加。
而在本发明的实施例中提供了另一种设置方式，其接收器1设置在聚光组件2的上方一侧；
当太阳与聚光组件2成固定角度时，每块反光镜201的反射光线均投向太阳能电池片102，且接收器1的投影位于聚光组件2之外。
如图6所示，接收器1设置在聚光组件2的上方一侧，此时，当聚光组件2与太阳呈一固定角度时，每一块反光镜201的反射光线均投向太阳能电池片102，完成聚光过程，而如果要实现这一目标，距离接收器1最远的反光镜201距接收器1最远，其反射角与入射角的夹角必然最大，越靠近接收器1，反光镜201的反射角与入射角的夹角越小。为了符合上述要求，反光镜201可按照类似于阿基米德螺线的形式逐个调整设置。
跟随太阳的移动，接收器1的投影与聚光组件2之间的位置会保持相对固定，因此只要提前计算出投影位置，便可避开投影所在位置，在其它位置设置反光镜201。
按照本发明实施例的方式设置后，由于反光镜201均在接收器1的一侧，因此，如图7所示，当需要提高太阳能电池片102聚光程度时，只需要调整太阳光的入射角，便可使太阳能电池片102的聚光程度大幅增加。因此，本发明实施例的设置方式更加节约成本。
在本发明实施例中，光线跟踪组件3的主要功能是控制聚光组件2始终与太阳呈一固定角度，以提高聚光效果。其对精准度的要求较高。因此，本发明实施例特提供一种优选结构，包括固定腿301、旋转支架302、步进电机303以及控制步进电机303工作的控制装置；
接收器1以及聚光组件2均设置于旋转支架302上；旋转支架302与固定腿301转动连接，且转动轴水平延伸；步进电机303固定于固定腿301或旋转支架302上，并能够使固定腿301与旋转支架302之间产生相对转动。
步进电机303具有较高的控制精度，因此能够更加精准的控制聚光组件2转动。在实际驱动过程中，步进电机303可以通过多种方式驱动旋转支架302运动。例如，直接驱动转轴。
在中高纬度地区，太阳的运行轨迹是一条弧线，因此，如果仅仅依靠一个维度的转动可能无法保证聚光组件始终与太阳呈一固定角度。为了解决上述问题，光线跟踪组件3还可包括水平转动座305；水平转动座305能够以沿竖直方向延伸的轴转动，进而带动固定腿301转动。
这样聚光组件2便可以在两个维度内转动，使其能够更好地对准太阳，适应中高纬度地区的工作环境。
控制装置作为控制中枢，其需要精确掌握每一时刻太阳与聚光组件2之间的相对位置，以实时调整聚光组件2的姿态。在相关技术中，测定太阳与太阳能发电系统间的相对位置的方式有很多种，例如使用光感探头接收并计算光照强度，或者直接采用GPS中的数据计算得出。但上述方式均需要对数据进行实时获取，一旦数据的获取受阻便无法再正常工作。
而在实际环境下，由于地球的公转与自转均是有规律性的，因此对于地球上的某一位置，其在一个月或一年中相对于太阳的位置是可以提前精确计算出来的。利用这一特点，在本发明实施例中提供了一种新的控制方式。其包括电连接的GPS模块、姿态存储器以及控制器；GPS模块用于确定当前太阳能利用系统所处的位置；姿态存储器用于存储不同位置的不同时刻所对应的姿态数据；控制器用于按照GPS模块所确定的位置调取姿态存储器内的数据并控制步进电机303调整至当前时刻所对应的姿态。
这样，便能够利用GPS模块所确定的位置，按照姿态存储器中的相应姿态数据直接调整聚光组件2的姿态，无需实时从外界获取数据，设备的安全、稳定性更高。运行姿态数据的周期可以以年为单位，也可以以季度、月或星期为单位。只需要在下一周期到来前将新的数据储存在姿态储存器内便可保证光线跟踪组件3在下一运行周期内的正常工作。周期可以根据所处环境以及实际需求进行选择，一般情况下，周期越短其精确度就越高。
太阳能利用系统在工作过程中，其自身也配备了许多用电设备，例如控制泵112、外部换热装置110、步进电机304、水平转动座305等。而由于太阳能利用系统大多设置在野外，所以配备外接电源非常困难。因此为了保证正常使用，特将太阳能电池片102为所述太阳能利用系统中的所有用电设备供电。这样便可实现系统的自己自足，减少因建设配套设施而产生的成本。
太阳能电池片102所发出的电量与光照强度以及工作环境时刻相关，因此其所发出的电压非常不稳定，用电设备使用这种不稳定的电压很容易造成设备损坏，因此，在太阳能利用系统上设置了一个稳压器304。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种太阳能利用系统，其特征在于，包括接收器、聚光组件以及光线跟踪组件；
所述接收器包括中空铝型材；所述中空铝型材的下表面设有太阳能电池片；所述中空铝型材设置有连通其内部的进液口以及出液口，并且还连通有用于控制其内部冷却液流速与流量的控制泵；
所述聚光组件设置在所述接收器的下方，用于将太阳光聚拢到所述太阳能电池片上；
所述光线跟踪组件与所述聚光组件连接，用于控制所述聚光组件始终与太阳呈一固定角度；
所述中空铝型材的表面依次设有第一EVA层、第一ETFE层、第二EVA层、所述太阳能电池片、第三EVA层以及第二ETFE层；所述第一EVA层的厚度为0.42-0.50mm；所述第二EVA层的厚度为0.18-0.22mm；所述第三EVA层的厚度为0.18-0.22mm。
2.根据权利要求1所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述中空铝型材的所述进液口与所述出液口通过运输管路连通，所述控制泵设置在所述运输管路中；所述太阳能利用系统还包括外部换热装置，用于与位于接收器内部的冷却液进行热交换。
3.根据权利要求1所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述中空铝型材的所述进液口与所述出液口通过运输管路连通，所述控制泵设置在所述运输管路中；所述运输管路延伸至所述聚光组件的背面，且所述运输管路上设置有散热鳍片。
4.根据权利要求1所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述聚光组件包括多块反光镜；多块所述反光镜呈弧形排布。
5.根据权利要求4所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述接收器设置在所述聚光组件的上方一侧；
当太阳与所述聚光组件成所述固定角度时，每块所述反光镜的反射光线均投向所述太阳能电池片，且所述接收器的投影位于所述聚光组件之外。
6.根据权利要求1所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述光线跟踪组件包括固定腿、旋转支架、步进电机以及控制所述步进电机工作的控制装置；
所述接收器以及所述聚光组件均设置于所述旋转支架上；所述旋转支架与所述固定腿转动连接，且转动轴水平延伸；所述步进电机固定于所述固定腿或所述旋转支架上，并能够使所述固定腿与所述旋转支架之间产生相对转动。
7.根据权利要求6所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述光线跟踪组件还包括水平转动座，所述水平转动座能够以沿竖直方向延伸的轴转动；所述固定腿设置在所述水平转动座上。
8.根据权利要求6所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述控制装置包括电连接的GPS模块、姿态存储器以及控制器；所述GPS模块用于确定当前太阳能利用系统所处的位置；所述姿态存储器用于存储不同位置的不同时刻所对应的姿态数据；所述控制器用于按照所述GPS模块所确定的位置调取所述姿态存储器内的数据并控制所述步进电机调整至当前时刻所对应的姿态。
9.根据权利要求1至8任一项所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述太阳能电池片为所述太阳能利用系统中的所有用电设备供电。
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