CN104633955A - 一种太阳能光热光电分频利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种太阳能光热光电分频利用系统，属于太阳能热电联用技术领域。该系统包括光热单元、光电单元、预热单元、聚焦太阳光的聚光单元。光热单元、预热单元、光电单元和聚光单元沿着太阳光的方向从上往下依次布置。预热单元和光热单元均具有内部通道，并通过其内部通道连通，且内部通道内含有流动方向为从预热单元流动到光热单元的分频流体。光电单元则粘贴在预热单元的下部，以与预热单元的内部通道中的分频流体换热。聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从光电单元穿过的太阳光并将所聚集的太阳光反射给光电单元。本发明成本较低，太阳能总转化效率高，且能够获得高品位的热能。

Description

一种太阳能光热光电分频利用系统
技术领域
本发明属于太阳能热电联用技术领域，涉及一种太阳能利用系统，尤其是太阳能光热光电分频利用系统。
背景技术
作为理想的可再生能源，太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的优点，不仅清洁环保，而且安全可靠。随着全球能源危机与环境保护双重问题的加剧，各国政府纷纷制定相关法规与鼓励政策，促进太阳能产业的发展。
目前太阳能的转化方式主要分为光热转化、光电转化、光生物转化、光化学转化等方式，而单一的利用方式效率有限，多种方式耦合是提高太阳能利用效率的有效途径。目前应用最多的是光伏光热一体化(PHOTOVOLTAIC/THERMAL，简称PV/T)系统。在太阳辐射中，仅有一部分光能能够被光伏电池吸收，转化为电能，其余的光能部分，被电池吸收后仅可以转化为热，使光伏电池温度升高，光伏电池的温度系数可以达到-0.6％～-0.3％℃-1，即电池每升高1℃，电池的光电效率降低0.3％～0.6％。为了提高光电效率，需对电池布置冷却装置，一方面降低电池温度，另一方面回收了这部分热能从而提高系统总效率。但是光热单元的温度受限于光电单元，产生的只能是低温废热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效提高太阳能总转化效率，获得高品位热能的太阳能光热光电分频利用系统。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种太阳能光热光电分频利用系统，包括对太阳能进行光热转换的光热单元、对太阳能进行光电转换的光电单元；还包括预热单元、聚焦太阳光的聚光单元；所述光热单元、所述预热单元、所述光电单元和所述聚光单元沿着太阳光的方向从上往下依次布置；所述预热单元和所述光热单元均具有内部通道，并通过所述内部通道连通，且所述内部通道内含有流动方向为从所述预热单元流动到所述光热单元的分频流体；所述光电单元则粘贴在所述预热单元的下部，以与所述预热单元的内部通道中的分频流体换热；所述聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从所述光电单元穿过的太阳光并将所述聚集的太阳光反射给所述光电单元。
所述聚光单元包括折平板结构，所述折平板结构包括对称设置在所述光电单元的中垂面两侧的多个平面反射镜，每个所述平面反射镜的反射方向均朝向所述光电单元。
所述多个平面反射镜包括两组对称布置的平面反射镜组；所述两组平面反射镜组均包括多个长条形平面反射镜，且每组所述平面反射镜组布置为曲形。
每个所述平面反射镜的照射宽度等于所述光电单元的宽度。
所述分频流体为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体；其中x大于0且小于2。
所述光热单元包括具有蛇形的所述内部通道的中空石英板；优选的，所述中空石英板的壁部包括从内向外布置的内隔层玻璃、真空层和外隔层玻璃；优选的，所述中空石英板具有间隔设置且处于同一高度的两块分板；优选的，一块所述分板的内部通道的一端连通另一块所述分板的内部通道的一端。
所述预热单元包括方形管状的铝管；优选的，所述光电单元粘贴在所述铝管的下部外表面上；优选的，所述铝管的两侧面和上表面上均设置有保温层；优选的，所述铝管的水平位置处于两块所述分板的水平位置之间；优选的，所述中空石英板的内部通道中的一端连接所述两块分板中一块分板的内部通道中未与另一块分板连接的一端。
所述光电单元包括光伏电池；优选的，所述光伏电池为晶硅电池片。
所述太阳能光热光电分频利用系统还包括与所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均连接的方向控制单元，以检测太阳光的方向并将所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均设置为与所述太阳光的方向垂直；优选的，所述方向控制单元包括依次连接的检测太阳光方向的太阳光跟踪仪、接收并分析处理所述太阳光跟踪仪的检测结果的控制器和根据所述控制单元的指令执行动作的方向调节部件；所述方向调节部件连接所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元。
所述太阳能光热光电分频利用系统还包括能量回收单元；所述能量回收单元还包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵；所述循环管道一端连接光热单元的内部通道，另一端连接预热单元的内部通道，以将所述预热单元、所述光热单元和所述能量回收单元构成回路。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
1)有效提高光电转换效率。采用折平板聚光结构，有效提高了光伏电池片上光斑的均匀性，进而提高光电转化效率；采用纳米流体选择性地过滤、吸收与光伏电池不匹配的电磁波，避免了这部分电磁波带来的温升，也提高了光伏电池的光电效率。
2)有效提高了光热转换效率。纳米流体流经光电单元不仅对电池片进行了冷却，也是进入光热单元前的预热；同时光热单元通道与其外壁面夹有真空层，隔绝了环境与流体之间的换热。
3)有效控制电池片温度。采用折平板聚光结构，提高光伏电池片上光斑的均匀性，预防了电池片上局部温度过高，防止电池烧坏；光热单元通道内的半导体纳米流体先将用于发热的太阳光波段吸收掉，光电单元通道内的半导体纳米流体进一步对电池进行冷却。
4)有效提高能源品位。相比较传统PV/T系统，本发明的光热单元温度独立于光电单元温度，光热产物不仅仅是40～50℃的废热，而是可远高于光伏电池的许用温度，这种中温流体不再是废热，可通过斯特林循环、有机朗肯循环等技术再次转化为电能。
5)有效降低了成本。采用折平板聚光技术能够大幅度减少光伏电池的面积，降低光伏电池成本；此外，相比于菲涅尔透镜，平面镜在成本上更具有优势。
附图说明
图1是本发明实施例中太阳能光热光电分频利用系统的光路示意图；
图2是本发明实施例中太阳能光热光电分频利用系统的水路示意图。
附图中：1、半导体纳米流体；2、中空石英板；3、光伏电池；4、铝管；5、折平板结构；6、热交换器；7、冷却水；8、流量调节阀；9、循环泵；10、内隔板；11、外隔层玻璃；12、真空层；13、内隔层玻璃。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种太阳能光热光电分频利用系统，图1为该系统的光路示意图，图2为该系统的水路示意图。该系统包括方向控制单元、光热单元、预热单元、光电单元、聚光单元和热量回收单元。光热单元吸收太阳光的热能；光电单元对太阳光进行光电转化；预热单元对光电单元产生的热量进行回收并对光热单元进行预热；聚光单元聚集太阳光；热量回收单元对光热单元吸收的热量进行回收；方向控制单元则连接光电单元、光热单元和聚光单元，以控制它们相对于太阳光的方向，来最大化所能作用的太阳能。该系统中，光热单元、预热单元、光电单元和聚光单元从上到下依次布置。
光热单元包括具有内部通道的中空石英板2。该中空石英板2具有两块分板，这两块分板间隔设置，且处于同一高度。该中空石英板2的内部通道内具有半导体纳米流体1。该半导体纳米流体1为为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体(其中所述x大于0且小于2)，吸收经过的太阳光中利于发热的波段并使得其他波段的太阳光透过。上述中空石英板2的内部通道被设置为蛇形通道，从而增加了半导体纳米流体1在中空石英管2内的吸热时间。中空石英板2的壁部包括从内到外设置的内隔层玻璃13、真空层12与外隔层玻璃11，以隔绝被加热的半导体纳米流体1与环境之间的换热。两块分板通过内部通道串联，即一块分板的内部通道的一端连通另一块分板的内部通道的一端。
预热单元包括铝管4，铝管4为具有内部通道的方形管道，其内部通道与中空石英板2的内部通道连通，具体为中空石英板2的内部通道中的一端连接中空石英板2的两块分板中一块分板的内部通道中未与另一块分板连接的一端。因此两者内部通道中的半导体纳米流体1也相通；流动方向为从铝管4到中空石英板2的方向。铝管4的水平位置处于中空石英板2的两块分板的水平位置之间。
光热单元包括光伏电池3，光伏电池3为晶硅电池片，用粘结剂粘贴在铝管4的下部外表面上，以保证光伏电池3的冷却效果均匀良好。此外，铝管4的上表面和两侧面上还设置有保温层，以进一步防止热量流失，保证光伏电池3的热量尽可能多地用于预热铝管4中的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1。
聚光单元包括折平板结构5，该折平板结构5包括两组平面反射镜，每组平面反射镜组由多个长条形平面反射镜拼接而成，呈曲线形。该折平板结构5中的两组平面反射镜向两侧延伸，对称放置在光伏电池3的中心线两侧，每片反射镜都将太阳光反射到光伏电池3上，照射宽度与光伏电池3的宽度相等。
非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1符合光热光电转换匹配要求。中空石英板2的半导体纳米流体1可以将太阳光中不符合光电转换要求的波段吸收并用于产热，而允许剩余的波段辐射到光伏电池3上进行光电转换；而铝管4内的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1可以对光伏电池3进行冷却。
方向控制单元(未示出)包括依次连接的太阳光跟踪仪、控制器和方向调节部件，方向调节部件与中空石英板2、折平板结构5和光伏电池3连接，以执行调节它们的方向的操作。方向控制单元中，太阳光跟踪仪检测太阳光的方向，并将检测的结果发送给控制器，控制器经过分析控制方向调节部件动作，以由方向调节部件调整中空石英板2的上表面、折平板结构4以及光伏电池3的方向，保证折平板结构5中长条形平面反射镜的上表面、光伏电池3的表面以及中空石英板2的上表面与太阳光方向垂直，从而尽可能多地接收到太阳光的辐射能量。
如图2所示，该系统还包括热量回收单元。该热量回收单元包括热交换器6，热交换器6在两侧包括两根独立的循环管道，一侧循环管道中的换热介质为冷却水7，另一侧循环管道的两端分别连通中空石英板2的内部蛇形通道未与铝管4连接的一端和铝管4的内部通道未与中空石英板2连接的一端，因此该侧循环管道中的换热介质为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1。其流动方向为从中空石英板2的内部蛇形通道流入热交换器6中，经过热交换器6后流入铝管4的内部通道。在热交换器6与铝管4之间通过循环管道还连接有流量调节阀8和循环泵9，流量调节阀8控制非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1的流量，循环泵9为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1提供动力，保证其沿着上述流动方向流动。从中空石英板2内部蛇形通道中流出的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1温度较高，其在热交换器6中与冷却水7之间进行热交换，被冷却水7冷却，冷却后的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1被送入到铝管4中。
该系统运行时，太阳光首先经过通有非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1的中空石英板2。由于波长处于300nm到1050nm之间的太阳光可以被光伏电池有效地转化为电能，而波长大于1200nm的电磁波无法在晶硅中产生光伏作用，同时本发明中非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1对300nm至1050nm波段的太阳光具有高透射特性，而对小于300nm或大于1050nm的其他波段的太阳光具有强烈的吸收作用，对提高太阳能利用率和所获得的能源品位具有突出的贡献。因此，中空石英板2的蛇形内部通道中的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1可将太阳光中不符合光电转换要求的波段吸收掉用于产热，剩余的波段辐射到光伏电池3上进行光电转换。
由于从换热器6送入到铝管4中的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1温度较低，同时，由于光伏电池3与铝管4之间的粘结层具有高导热率，因此铝管4中的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1能够对光伏电池3进行冷却且效果显著。在对光伏电池3冷却的同时，铝管4中的非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1由于吸收光伏电池3的热量而被加热，随后流入中空石英板2的蛇形通道中。因此，光电单元的冷却成为了光热单元的预热。非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体1在中空石英板中被进一步加热得到高温热，之后进入换热器6中，在换热器6中与冷却水7换热后再次流入循环管路中。
本发明在已有研究的基础上，采用折平板结构对太阳光进行反射式聚焦，相比较菲涅尔透镜透射式聚焦，提高了光的均匀性，进而提高光电效率。相比较圆形石英管，在中空石英板内部添加真空层更易于实现，这有进一步提高了光热效率。采用了非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体作为传热载体和太阳辐射的过滤分频流体。太阳光辐射经过该流体过滤后，不能转化为电能的光谱部分被首先吸收，转变为热能，而能够有效转变为电能的辐射透过该流体到达光伏电池，转化为电能。由于可以实现太阳能从光谱分布上的分离，使光电与光热在光谱上能够进行调节匹配；同时实现了将光电单元的冷却转化成光热单元的预热，因此该系统不仅降低了光伏电池温度，提高光电转换效率，同时也可以获得温度较高的高品位的可用热能，提高了太阳能的总转化率。该系统产生的电能可以直接向外界输送；同时，该系统能够产生较高品位的热能，因此也可以通过斯特林循环或有机朗肯循环等技术进行发电。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能光热光电分频利用系统，包括对太阳能进行光热转换的光热单元、对太阳能进行光电转换的光电单元，其特征在于：还包括预热单元、聚焦太阳光的聚光单元；所述光热单元、所述预热单元、所述光电单元和所述聚光单元沿着太阳光的方向从上往下依次布置；
所述预热单元和所述光热单元均具有内部通道，并通过所述内部通道连通，且所述内部通道内含有流动方向为从所述预热单元流动到所述光热单元的分频流体；所述光电单元则粘贴在所述预热单元的下部，以与所述预热单元的内部通道中的分频流体换热；
所述聚光单元为反射式聚光单元，以聚集从所述光电单元穿过的太阳光并将所述聚集的太阳光反射给所述光电单元。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述聚光单元包括折平板结构，所述折平板结构包括对称设置在所述光电单元的中垂面两侧的多个平面反射镜，每个所述平面反射镜的反射方向均朝向所述光电单元。
3.根据权利要求2所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述多个平面反射镜包括两组对称布置的平面反射镜组；所述两组平面反射镜组均包括多个长条形平面反射镜，且每组所述平面反射镜组布置为曲形。
4.根据权利要求2所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：每个所述平面反射镜的照射宽度等于所述光电单元的宽度。
5.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述分频流体为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体；其中x大于0且小于2。
6.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述光热单元包括具有蛇形的所述内部通道的中空石英板；优选的，所述中空石英板的壁部包括从内向外布置的内隔层玻璃、真空层和外隔层玻璃；优选的，所述中空石英板具有间隔设置且处于同一高度的两块分板；优选的，一块所述分板的内部通道的一端连通另一块所述分板的内部通道的一端。
7.根据权利要求6所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述预热单元包括方形管状的铝管；优选的，所述光电单元粘贴在所述铝管的下部外表面上；优选的，所述铝管的两侧面和上表面上均设置有保温层；优选的，所述铝管的水平位置处于两块所述分板的水平位置之间；优选的，所述中空石英板的内部通道中的一端连接所述两块分板中一块分板的内部通道中未与另一块分板连接的一端。
8.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述光电单元包括光伏电池；优选的，所述光伏电池为晶硅电池片。
9.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述太阳能光热光电分频利用系统还包括与所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均连接的方向控制单元，以检测太阳光的方向并将所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元均设置为与所述太阳光的方向垂直；
优选的，所述方向控制单元包括依次连接的检测太阳光方向的太阳光跟踪仪、接收并分析处理所述太阳光跟踪仪的检测结果的控制器和根据所述控制单元的指令执行动作的方向调节部件；所述方向调节部件连接所述光热单元、所述光电单元和所述聚光单元。
10.根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述太阳能光热光电分频利用系统还包括能量回收单元；所述能量回收单元还包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵；所述循环管道一端连接光热单元的内部通道，另一端连接预热单元的内部通道，以将所述预热单元、所述光热单元和所述能量回收单元构成回路。
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