CN104467630A - 一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，包括支架，所述支架上安装有初次反射镜、圆弧光谱分频器、光伏组件、再次反射镜和集热器，其中初次反射镜用于反射太阳光；圆弧光谱分频器用于接收初次反射镜上反射的太阳光并进行透射和反射；光伏组件用于接收圆弧光谱分频器透射的太阳光进行光伏发电；再次反射镜用于将圆弧光谱分频器反射的太阳光进行再次反射；集热器用于接收圆弧光谱分频器反射的太阳光及接收再次反射镜反射的太阳光进行光热发电。本发明能将光伏组件可以利用的波段透射到其上进行光伏发电，而将不利于光伏组件进行光伏发电的波段反射到集热器上进行光热发电，光伏组件上的能流密度大，光伏组件发电量高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电装置领域，更具体地，涉及一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置。
背景技术
太阳能作为新能源开发利用中的一个重要形式，具有广阔的应用前景。传统的太阳能利用主要是光热利用和光伏发电，但是由于太阳能能流密度低导致这两种方式的利用效率不高。因此，如何高效低成本地开展太阳能利用成为太阳能应用中亟待解决的问题。目前，太阳能热发电都是采用聚光方式来加热集热器内的工质，随后再将得到的较高温度的工质送入汽轮机进行发电；对于光伏发电，采用太阳能聚光技术可以节省太阳能电池板使用数量，降低发电成本，但却会进一步使光伏板工作温度过高而导致效率急剧下降。
在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为0.295～2.5μm，短于0.295μm和大于2.5μm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。其中0.38～1.1μm波段范围内的光线比较适合光伏发电，波长大于1.1μm的光谱则作为热能耗散在光伏板内部，因此造成光伏板过热，一旦散热性能达不到要求，光伏电池的发电效率会急剧降低。此外，聚光系统中只有菲涅尔式和塔式聚光系统才是可以通过调节反射镜倾角来使得光伏电池表明的能流密度均匀，而蝶式以及槽式聚光系统均会导致电池表面产生“热斑”，降低光伏板效率。一种GaInP/GaAs/Ge三结光伏电池(Luque A，Hegedus S.Handbook of photovoltaic science andengineering[M].Jorn Wiley&Sons，2011.)的光谱响应曲线显示出，该光伏电池已将光伏转换区间扩展至300～1800nm。多结电池具有超高的转换效率，但造价昂贵，一般与聚光系统构成HCPV发电系统，在聚光比大于400时具有经济实用价值。因此，开展聚光光伏发电是具有经济价值的。
在光伏热水系统中，如专利CN201758374U(于德勇.一种一体式太阳能光伏光热板的)，计划在进行光伏发电的同时，使用流体流过太阳能电池板背面，带走电池内的热量，从而降低电池工作温度；然后收集加热得到的热水，加以利用。这种系统从理论上达到了太阳光的综合利用，但是加热得到的流体温度最高不到80℃，属于低品位温度热水，实际有效利用程度低。有文章指出，两级透射-反射聚光分频电热联产系统具有更高的太阳能利用效率(两级透射-反射聚光分频电热联产系统设计和分析，王刚等，中国科学技术大学，2012)。因此，开展太阳能聚光分频光伏光热协同高效发电是值得研究的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，解决了光伏组件表面过热和光斑不均，节约了光伏组件的材料，提高了光伏组件转换效率和热利用效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，包括支架和冷却装置，所述支架上安装有初次反射镜、圆弧光谱分频器、光伏组件、再次反射镜和集热器，其中
初次反射镜，相对于水平面倾斜布置，用于反射太阳光；
圆弧光谱分频器，其开口朝上，用于接收初次反射镜上反射的太阳光并进行透射和反射；
光伏组件，位于圆弧光谱分频器的上方，用于接收圆弧光谱分频器透射的太阳光进行光伏发电，其盖合在圆弧光谱分频器上与圆弧光谱分频器上端的两边缘均接触；
冷却装置，用于向光伏组件通风进行冷却；
再次反射镜，用于将圆弧光谱分频器反射的太阳光进行再次反射；
集热器，用于接收圆弧光谱分频器反射的太阳光及接收再次反射镜反射的太阳光进行光热发电。
优选地，光伏组件包括上光伏板和下光伏板，下光伏板盖合在圆弧光谱分频器上与圆弧光谱分频器上端的两边缘均接触，上光伏板能直接利用照射的太阳光进行光伏发电，下光伏板能接受圆弧光谱分频器透射的太阳光进行光伏发电。
优选地，还包括用于向光伏组件通风进行冷却的冷却装置。
优选地，还包括PID温度调控装置，其连接在光伏组件上，用于检测光伏组件的温度并向冷却装置发出送风调控指令。
优选地，所述PID温度调控装置包括多个温度传感器，该多个温度传感器沿光伏组件的纵向设置。
优选地，所述光伏组件包括上光伏板和下光伏板，下光伏板盖合在圆弧光谱分频器上与圆弧光谱分频器上端的两边缘均接触，上光伏板和下光伏板之间设置有多个竖挡板，上光伏板、竖挡板及下光伏板共同形成一冷却风通道，所述冷却装置向冷却风通道内通风从而对光伏组件进行冷却。
优选地，所述集热器为真空管式太阳能集热器。
优选地，集热器位于圆弧光谱分频器的正下方，以接收圆弧光谱分频器反射的太阳光。
优选地，所述初次反射镜包括左初次反射镜和右初次反射镜，左初次反射镜和右初次反射镜分别位于圆弧光谱分频器的左下方和右下方，圆弧光谱分频器接收左初次反射镜和右初次反射镜反射的太阳光。
优选地，所述初次反射镜包括镜主体及分别一体成型在镜主体两端的弧面镜，镜主体为平面镜，镜主体相对于水平面的夹角为1～40°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明中设计的圆弧光谱分频器对光伏组件的光谱相应波段中的光谱段具有高透射率，对另外波段的具有高反射率，因此其将光伏组件可以利用的波段透射到光伏组件上进行光伏发电，而将不利于光伏组件进行光伏发电的波段反射到集热器上进行光热发电，在避免了光伏组件过热的同时也加热了集热器内的流体；
2)本发明由于采用倾斜布置的初次反射镜，通过合理布置初次反射镜和调节初次反射镜的倾斜角度使得透射光线在光伏组件的表面是均匀叠加的，保证了光伏组件表面能流密度分布的均匀性。在考虑了入射光线角度、玻璃初次反射镜倾斜误差、镜面的平整度、聚光器跟踪误差等光学误差，得到光伏组件表面能流密度能高达0.96，适合光伏组件的工作；
3)本发明的光伏组件盖合在圆弧光谱分频器上，其与圆弧光谱分频器上端的两边缘均接触，二者使圆弧光谱分频器的内腔形成一半封闭腔，可以使透射进入半封闭腔内的太阳光经过多次反射后被光伏组件充分吸收，提高光电转换效率；另外，集热器放置在圆弧光谱分频器的正下方接收反射光，集热器的位置可以离地面比较近，减小了建造成本，有利于维修保养；
4)本发明在光伏组件上还连接有PID温度调控装置，用于调节冷却系统工作状态，将光伏组件中不能转换为电能的那部分热能带走，使光伏组件处于最佳工作温度，避免光伏组件表面异常过热问题，保证光伏组件的正常高效运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明撤去冷却装置后的主视图；
图3为本发明中两端为弧面镜的初次反射镜的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，包括支架1和冷却装置8，所述支架1上安装有初次反射镜2、圆弧光谱分频器3、光伏组件4、再次反射镜6和集热器7，其中
初次反射镜2，相对于水平面倾斜设置，用于反射太阳光；初次反射镜2可以选用平面镜，也可以选用其它带有弧形的反射镜，以利于太阳光线更好地反射到圆弧光谱分频器3上。优选地，本发明选用的初次反射镜2包括镜主体21及分别一体成型在镜主体21两端的弧面镜22，镜主体21为平面镜，镜主体21相对于水平面的夹角为1～40°。
圆弧光谱分频器3，其开口朝上，用于接收初次反射镜2上反射的太阳光并进行透射和反射；
光伏组件4，位于圆弧光谱分频器3的上方，用于接收圆弧光谱分频器3透射的太阳光进行光伏发电，其盖合在圆弧光谱分频器3上与圆弧光谱分频器3上端的两边缘均接触；光伏组件4包括上光伏板41和下光伏板42，下光伏板42盖合在圆弧光谱分频器3上与圆弧光谱分频器3上端的两边缘均接触，上光伏板41能直接利用照射的太阳光进行光伏发电，下光伏板42能接受圆弧光谱分频器3透射的太阳光进行光伏发电。
冷却装置8，用于向光伏组件4通风进行冷却；
再次反射镜6，用于将圆弧光谱分频器3反射的太阳光进行再次反射；
集热器7，用于接收圆弧光谱分频器3反射的太阳光及接收再次反射镜6反射的太阳光进行光热发电。集热器7位于圆弧光谱分频器3的正下方，以接收圆弧光谱分频器3反射的太阳光。由于圆弧光谱分频器3可以将太阳光朝下反射，反射的太阳光与竖直线的夹角比较小，即反射的太阳光比较接近竖直，因此可以将集热器7设置得靠地面比较近的位置，以便于集热器7的安装和维护。
本发电装置还包括PID温度调控装置。PID温度调控装置连接在光伏组件4上，用于检测光伏组件4的温度并向冷却装置8发出送风调控指令。所述PID温度调控装置包括多个温度传感器5，该多个温度传感器5沿光伏组件4的纵向设置，以检测光伏组件4在多个位置的温度，更好地了解光伏组件4上的温度。
进一步，上光伏板41和下光伏板42之间设置有多个竖挡板43，上光伏板41、竖挡板43及下光伏板42共同形成一冷却风通道40，所述冷却装置8根据PID温度调控装置检测的温度情况，可以向冷却风通道40内通风从而对光伏组件4进行冷却。
进一步，所述初次反射镜2包括左初次反射镜2和右初次反射镜2，左初次反射镜2和右初次反射镜2分别位于圆弧光谱分频器3的左下方和右下方，圆弧光谱分频器3接收左初次反射镜和右初次反射镜反射的太阳光，这样可以提高圆弧光谱分频器3透射到下光伏板42上的能流密度。
所述初次反射镜2距地面有一定高度，该高度为1.2～1.5m，初次反射镜2的下面可以畜牧草，以节省占地面积和提高土地利用率。初次反射镜2采用的镜面宽度范围12～24cm，初次反射镜2的镜主体21与水平面的夹角为1～40°，使得初次反射镜2的聚光焦点在圆弧光谱分频器3的表面，从而使光伏组件4获得均匀的能流密度。镜主体21的两端设置弧面镜22，可以使初次反射镜2两端的弧面镜22反射的光线可以更好地聚焦到圆弧光谱分频器3。为了保证光伏组件4上的光斑和能流密度均匀，可以通过控制镜主体21与水平面的夹角来实现。
圆弧光谱分频器3的形状为一段劣弧。圆弧光谱分频器3设置成此形状，一是可以使圆弧光谱分频器3与下光伏板42组成一个半封闭腔9，以便于圆弧光谱分频器3透射的光线在半封闭腔9内能够多次反射，有利于经过圆弧光谱分频器3的透射光线更好地被下光伏板42吸收，提高太阳光利用率。二是可以使集热器7放置在其正下方接收反射光，集热器7的位置可以离地面比较近，方便安装和维修。
所述PID温度调控装置通过温度传感器5检测光伏组件4的温度，适时启动冷却装置8，维持光伏组件4的最高效率的温度状态，以防止光伏组件4过热而降低工作效率。所述PID温度调控装置测量光伏板温度并向冷却装置的送风机80发出送风调控指令，保证光伏组件4在一定温度范围内工作。冷却装置8接受PID温度调控装置产生的风量控制指令，调节送风量，并通过送风管道81送至冷却风通道40来冷却上光伏板41和下光伏板42。
集热器7采用真空管式太阳能集热器，其吸收圆弧光谱分频器3和再次反射镜6反射过来的太阳光，转换为热能之后传导给管内工质，加热管内循环流动的工质，然后再通过热能发电。再次反射镜6对未投射到集热器7上的太阳光进行再次反射后到达集热器7，提高集热器7的光热转换效率。
本发明适用于光照充足的戈壁滩和荒漠地区，采用具有较高的支架1，一方面使得初次反射镜2远离地面得到保护，另一方面由于初次反射镜2的镜面以下的地面接受不到太阳光直射，减少了土壤水蒸气的流失，可以改善土壤环境进行牧草种植，供畜牧业使用。
光伏组件4位于圆弧光谱分频器3正上方，圆弧光谱分频器3上的薄膜能使长波反射、短波透射，即其反射热光线，透射冷光线，以1.1μm为界限，大于1.1μm的长波波段被反射到集热器7上，小于1.1μm短波波段被透射到下光伏板42上，有效避免长波透射到下光伏板42上而使下光伏板42过热。因为发热效应不可避免，短波中有一些变成了热量，再高倍集聚，导致光伏组件4不可避免的发热，而发热会导致光电转换效率低下。因此，需要使用冷却装置8对光伏组件4进行冷却。
圆弧光谱分频器3的表层采用真空镀膜技术，使得介于0.38～1.1μm的光谱透射到下光伏板42的下表面，大于1.1μm的波段光子反射到集热器7上，实现使得适合光伏发电的短波波段透射到光伏组件4表面，适合进行光热发电的长波波段反射到集热器7上。
圆弧光谱分频器3设计对短波应该具有高透射率，其透射率＞0.9，而对于其余波段应该具有高反射率，其反射率＞0.9。圆弧光谱分频器3将太阳光谱中短波透射到光伏组件4进行光伏转换发电，下光伏板42接受聚光分频后的太阳光短波产生电能。
光伏发电中，不同种类的光伏电池光电转换响应区间不同，如硅电池的响应区间为400～1200nm，理论光热转化可达70％，砷化镓电池响应区间为400～900nm，理论光热转换可达50％，而GaInP/GaAs/Ge三结光伏电池响应区间为300～100nm，因此采用的圆弧光谱分频器3的膜涂层也应更具实际应用的情况变化。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1)本发明中设计的圆弧光谱分频器3对太阳能电池的光谱相应波段(如硅电池的响应波段为0.4～1.2μm，砷化镓电池的响应波段为0.4～0.9μm)中的介于0.38～1.1μm的光谱段具有高透射率，对另外波段的具有高反射率，因此将光伏组件4可以利用的波段透射到光伏组件4上进行光伏发电，而将不利于光伏发电的波段反射到集热器7上进行光热转换，避免了光伏组件4过热的同时也加热了管内流体。
2)本发明由于采用倾斜布置的具有轻微弧度的反射镜，各个初次反射镜2的反射光的宽度应该小于或等于分频器宽度，通过合理布置初次反射镜2和调节初次反射镜2的倾斜角度使得折射光线在光伏组件4表面是均匀叠加的，保证了光伏组件4表面能流密度分布的均匀性。在考虑了入射光线角度、初次反射镜2倾斜误差、镜面的平整度、聚光器跟踪误差等光学误差，粗略估算得到的光伏组件4表面能流密度仍高达0.96，适合光伏组件4的工作。相比于现有的采用平板状光谱分频器的技术，本发明采用的圆弧光谱分频器3透射的太阳光更多，光伏组件4上的能流密度更高，因此，在光伏组件4采用相同面积的情况下，本发明的圆弧光谱分频器3透射到光伏组件4上的能流密度较平板状的光谱分频器的更高，能产生更高的发电量。反之，如果要使光伏组件4上产生相同容量的电量，则本发明采用圆弧光谱分频器3比现有技术采用平板状光谱分频器所采用的光伏组件4的面积要更小一些，有助于节约材料。
3)本发明利用光伏组件4与圆弧状分频器组成一个半封闭腔9，可以使进入半封闭腔9内的太阳经过多次反射后被光伏组件4充分吸收，提高光电转换效率。
4)本发明中的选择在光伏组件4上连接有PID温度调控装置，调节光伏组件4工作温度，使光伏组件4处于最佳工作温度，避免光伏组件4表面过热问题，保证上光伏板41和下光伏板42的正常高效运行。
5)本发明中光伏组件4采用了上光伏板41和下光伏板42及两侧挡板43组成冷却风通道40，冷却装置8向冷却风通道40内通风对光伏组件4进行空冷；上光伏板41能直接利用照射其上的太阳能，使得太阳光的利用率得到了提高。
6)本发明中采用二次反射方式，采用初次反射镜2和再次反射镜6对太阳光进行反射；初次反射镜2、再次反射镜6和集热器7均是近地安装，便于集热器7的安装和维护，节省了成本；且由于初次反射镜2和集热器7距离地面有一定高度，可以遮挡太阳直射，减少地面水分蒸发，有利于地面植被生长，特别是对于沙漠或者戈壁地区具有实现局部绿化的作用。
综上，本发明中采用聚光分频技术对太阳能中不同波段实行不同利用方式，在保持光伏组件4高效率光伏转化的同时，也可以利用集热器7内加热的工质的温度来进行光热发电，提高太阳能利用效率；采用圆弧光谱分频器3和下光伏板42组成半封闭腔9，提高透射光线的吸收率；采用冷却风通道40、温度控制以及冷却装置8，保证上光伏板41和下光伏板42的高效正常运行；再次反射镜6和集热器7安装在距地面一定高度的位置，便于安装及维护，降低成本，促进植被生长。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，包括支架(1)和冷却装置(8)，所述支架(1)上安装有初次反射镜(2)、圆弧光谱分频器(3)、光伏组件(4)、再次反射镜(6)和集热器(7)，其特征在于：其中初次反射镜(2)，相对于水平面倾斜布置，用于反射太阳光；
圆弧光谱分频器(3)，其开口朝上，用于接收初次反射镜(2)上反射的太阳光并进行透射和反射；
光伏组件(4)，位于圆弧光谱分频器(3)的上方，用于接收圆弧光谱分频器(3)透射的太阳光进行光伏发电，其盖合在圆弧光谱分频器(3)上与圆弧光谱分频器(3)上端的两边缘均接触冷却装置(8)，用于向光伏组件(4)通风进行冷却；
再次反射镜(6)，用于将圆弧光谱分频器(3)反射的太阳光进行再次反射；
集热器(7)，用于接收圆弧光谱分频器(3)反射的太阳光及接收再次反射镜(6)反射的太阳光进行光热发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：光伏组件(4)包括上光伏板(41)和下光伏板(42)，下光伏板(42)盖合在圆弧光谱分频器(3)上与圆弧光谱分频器(3)上端的两边缘均接触，上光伏板(41)能直接利用照射的太阳光进行光伏发电，下光伏板(42)能接受圆弧光谱分频器(3)透射的太阳光进行光伏发电。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：还包括PID温度调控装置，其连接在光伏组件(4)上，用于检测光伏组件(4)的温度并向冷却装置(8)发出送风调控指令。
4.根据权利要求3所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：所述PID温度调控装置包括多个温度传感器(5)，该多个温度传感器(5)沿光伏组件(4)的纵向设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：所述光伏组件(4)包括上光伏板(41)和下光伏板(42)，下光伏板(42)盖合在圆弧光谱分频器(3)上与圆弧光谱分频器(3)上端的两边缘均接触，上光伏板(41)和下光伏板(42)之间设置有多个竖挡板(43)，上光伏板(41)、竖挡板(43)及下光伏板(42)共同形成一冷却风通道(40)，所述冷却装置(8)向冷却风通道(40)内通风从而对光伏组件(4)进行冷却。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：所述集热器(7)为真空管式太阳能集热器。
7.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：集热器(7)位于圆弧光谱分频器(3)的正下方，以接收圆弧光谱分频器(3)反射的太阳光。
8.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：所述初次反射镜(2)包括左初次反射镜(2)和右初次反射镜(2)，左初次反射镜(2)和右初次反射镜(2)分别位于圆弧光谱分频器(3)的左下方和右下方，圆弧光谱分频器(3)接收左初次反射镜(2)和右初次反射镜(2)反射的太阳光。
9.根据权利要求1所述的一种基于太阳能梯度利用的高效聚光发电装置，其特征在于：所述初次反射镜(2)包括镜主体(21)及分别一体成型在镜主体(21)两端的弧面镜(22)，镜主体(21)为平面镜，镜主体(21)相对于水平面的夹角为1～40°。
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