CN104901624A - 一种全光谱的光伏光热联合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光谱的光伏光热联合系统。该系统包括：聚光分频装置、光伏装置和集热装置，聚光分频装置是由连续或非连续的光谱分频器组成的聚光分频镜面，光伏装置包括光伏电池层和曲面支撑层，光伏电池层位于聚光分频装置和曲面支撑层之间，集热装置设置在聚光分频装置的聚光位置上；聚光分频装置将入射太阳光中为近红外光和紫外光与可见光分离开来，聚光分频装置将近红外光和紫外光反射并聚集到集热装置上，由集热装置吸收并转换为热能，聚光分频装置将可见光照射到光伏电池层，由光伏电池层转换为电能。采用本发明，可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种全光谱的光伏光热联合系统。
背景技术
据国际能源机构IEA预测，至2050年，太阳能发电在全球电力供应中份额将达到30％，而目前占比不到5％，太阳能发电产业蕴藏巨大的市场。面对全球能源尤其是清洁能源需求的巨大缺口，太阳发电产业从来都不存在“过剩”的说法，只是因为没有成本足够低，能量转换效率高的技术出现。
在太阳光全谱范围内目前单结太阳能电池转换效率的理论极限约为30％，因此太阳能光谱中将超过50％的能量无法得到有效利用。光伏光热综合利用是现在太阳能利用的一个大趋势，例如已公布的中国专利申请第1022589159A号“真空管光伏光热复合抛物面聚光器”，目的是复合抛物面聚光镜和光伏光热相结合的方式，利用冷却介质将光伏电池产生的热能以及未能被光伏电池吸收的太阳光吸收转化为热能，提高太阳能的有效利用率。但是由于光伏光热与真空管集成在同一模块上，相互影响，造成了大部分不能光伏电池利用的光损失掉，同时也由于聚光造成光伏电池产生一定的温升，影响了光电转换效率。
目前，光伏光热综合利用装置主要采用太阳光直射光伏电池并在光伏电池背面加装冷却系统，由于占太阳能45％的可见光照射到光伏电池上产生电能和热能，占太阳能50％的近红外光照射到光伏电池上仅产生热能，因此近红外光照射到光热电池上，大幅度增加了光伏电池的热负荷和温升，使光伏电池发电效率降低，增加了光伏电池冷却量。例如已公布的中国专利申请第102779885A号“一种太阳能聚光分频光伏光热联产装置”，采用了复合抛物面聚光器和太阳能分频玻璃，目的是将太阳光中的近红外光在照射到光伏电池前，过滤并回收，从而降低光伏电池的温升，提高光电转换效率。但该发明装置侧重于提高光电转换效率，光热装置在其中只是辅助装置，其光热的功能未能得到充分的利用和发挥，从而未能很好的提高太阳能光伏光热系统整体的能量转换效率。
在保证光伏电池转换率提升的情况下，如何充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率成为了光伏光热综合利用领域迫切的技术需求。
发明内容
本发明提供了一种全光谱的光伏光热联合系统，以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
本发明提供的一种全光谱的光伏光热联合系统包括：聚光分频装置、光伏装置和集热装置，所述聚光分频装置是由连续或非连续的光谱分频器组成的聚光分频镜面，所述光伏装置包括光伏电池层和曲面支撑层，所述光伏电池层位于所述聚光分频装置和所述曲面支撑层之间，所述集热装置设置在所述聚光分频装置的聚光位置上；
所述聚光分频装置将入射太阳光中为近红外光和紫外光与可见光分离开来，所述聚光分频装置将所述近红外光和紫外光反射并聚集到所述集热装置上，由所述集热装置吸收并转换为热能，所述聚光分频装置将所述可见光照射到所述光伏电池层，由所述光伏电池层转换为电能。
优选地，所述聚光分频镜面为槽形曲面，所述槽形聚光分频镜面为一连续式的或非连续式的，所述槽形聚光分频镜面的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
优选地，所述集热装置由同心的内管和外管组成，所述内管和外管之间是真空的。
优选地，所述聚光分频镜面为蝶式曲面，所述蝶式聚光分频镜面的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
优选地，所述集热装置包括集热管和位于所述集热管上方的真空玻璃罩，所述真空玻璃罩与所述集热管之间形成真空。
优选地，所述集热管为涡旋线状的玻璃管，所述集热管的进出管分别与所述真空玻璃罩的进出口连接。
优选地，所述光伏装置与所述聚光分频装置紧密相连。
优选地，所述光伏装置还包括支撑架、转动连接件、固定支撑组件和跟踪及驱动装置，所述光伏电池层与光谱分频器件之间设有真空隔热层，所述支撑架支撑所述聚光分频装置、所述光伏电池和曲面支撑层，所述转动连接件连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置根据所述检测到的所述太阳光的入射角，调节所述聚光分频装置的水平角度。
优选地，所述光伏电池层与所述曲面支撑层之间采用导热硅胶连接粘合，且所述支撑镜面相对于所述光伏电池层的外侧面设置有散热槽。
优选地，所述聚光分频装置和所述光伏电池层以至少两组截面大小相同或不同的环状的均匀的设置在所述支曲面支撑层上。
根据上述实施例提供的一种全光谱的光伏光热联合系统，通过聚光分频装置将太阳光中的近红外光和紫外光与可见光分离开来，聚光分频装置将近红外光和紫外光反射并聚集到集热装置，由集热装置吸收，转变为热能，可见光则直接通过光谱分频器透射到光伏电池层，由光伏电池层转变为电能，可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。
图1为本发明实施例提供的一种全光谱的光伏光热联合系统的结构示意图；
图2为图1所示全光谱的光伏光热联合系统的剖面图；
图3为本发明实施例提供的另一种全光谱的光伏光热联合系统的剖面图；
图4为本发明实施例提供的又一种全光谱的光伏光热联合系统的结构示意图；
图5为图4所示全光谱的光伏光热联合系统的局部示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图5，对本发明提供的全光谱的光伏光热联合系统进行详细描述：
请参阅图1和图2，为本发明实施例提供的一种全光谱的光伏光热联合系统的结构示意图及剖面图，该系统包括：聚光分频装置、光伏装置和集热装置3，聚光分频装置是由两组非连续的光谱分频器件21组成的聚光分频镜面，与光伏装置紧密相连，所述的光伏装置包括光伏电池层16、曲面支撑层15、支撑架11、转动连接件12、固定支撑组件13和跟踪及驱动系统14，光伏电池层16位于光谱分频器件21和曲面支撑层15之间，集热装置3设置在聚光分频器的聚光位置上；
聚光分频装置将入射太阳光中的近红外光和紫外光与可见光分离开来，将其中的近红外光和紫外光反射聚集到集热装置3，由集热装置3吸收并转换为热能，而可见光则直接透射过光谱分频器件照射到光伏电池层16上，由光伏电池层16转换为电能。
该光伏光热联合系统与水平面具有一定的角度，其角度范围：0°-90°，该角度可通过手动进行调节。
本实施例的聚光分频装置为槽形聚光分频镜面。该槽型聚光分频镜面是由连续的光谱分光器件21构成，其截面形状可以但不限于抛物线面、复合抛物线面、自由曲面。
光谱分频器件21工作原理是基于光学薄膜或光学元件的折射、干涉或衍射而产生光谱分光/分频功能，该光学薄膜或光学元件包括但不限于：薄膜滤光片/膜，高折射率n1与低折射率n2介电薄层材料或金属-介电薄层材料相互交叠排列，或者折射率随厚度渐变的介电薄层材料；全息光栅；衍射微光学元件。
集热装置3由两根同心玻璃管31和33组合而成，其中内管33外表面覆盖了太阳光选择性吸收涂层。在内外玻璃管之间是真空层32，可有效防止热量的散失，提高光热利用率。选择性吸收涂层的材料为太阳能热利用中常见的高吸收率低反射率材料。真空集热装置3中注满集热介质，其集热介质通过自然循环作用促使介质传输热能到蓄热系统中。集热介质可以但不限于水、油等液态物质和石蜡、铝合金、无机盐等固态物质。
光伏电池层16可采用但不限于晶硅薄膜太阳能电池组件。
光谱分频器件21与光伏电池层16之间设有真空层22，可避免光谱分频器件21的热量传导给光伏电池层16，从而造成光伏电池层16的温升导致光电转换效率的降低。
光伏电池层16与槽形曲面支撑层15之间采用导热硅胶17连接粘合，其槽型曲面支撑层15的外侧面设置有散热槽，可通过风冷降低光伏电池的温升，提高光电转换效率。
该光伏光热联合系统中的光伏装置还支撑架11、转动连接件12、固定支撑组件13和跟踪及驱动系统14，该部件组成了整个系统的支撑平台，支撑聚光分频装置以及光伏电池层16和曲面支撑层15。槽形面支撑架11直接支撑曲面支撑层15，转动连接件12连接槽形面支撑架11和固定支撑组件13。该固定支撑组件包括底座130，在底座130上设有支撑立柱131，在支撑立柱131上方设有支撑板132，在支撑立柱131上端还设有跟踪及驱动装置14。该跟踪及驱动装置14包括旋转电机140、止推轴承141和太阳光跟踪检测器142，其旋转电机140通过转动连接件12与曲面支撑层15连接。该跟踪及驱动装置14可根据太阳光跟踪检测器142检测到的太阳光入射角，通过旋转电机140的旋转带动，自行调节聚光分频装置的角度，确保太阳光与聚光分频镜面保持最佳的入射角度。
本实施例的光伏光热联合系统的工作原理如下：曲面支撑层15是由铝合金或其他导热性能良好的材料制造的槽型支撑层，其内表面设置有光谱分频器件21和光伏电池组件16，其中光谱分频器件21可将入射太阳光中的近红外和紫外光与可见光通过分频调控技术分割开来，其中的近红外和紫外光反射并聚集汇聚到焦线上，由真空集热管3吸收并转变为热能，该热能最终由真空集热管3中的集热介质吸收并传输到蓄热系统中储存起来，其可见光则通过光谱分频器件21而透射到光伏电池组件16上转变为电能，直接提供用户使用，光伏电池16采用多晶硅薄膜太阳能电池组件。固定支撑组件13、曲面支撑架11以及活动连接件12构成承载平台，支撑上述各部件，跟踪及驱动系统用14以保证太阳能光的入射角度，提高太阳能的利用效率。
请参阅图3，为本发明实施例提供的另一种全光谱的光伏光热联合系统的剖面图，该实施例所示的光伏光热联合系统与图1所示的光伏光热联合系统的区别在于，图3所示的槽型聚光分频镜面是分联式的。
请参阅图4和图5，为本发明实施例提供的又一种全光谱的光伏光热联合系统的结构示意图和局部示意图，本实施例的光伏光热联合系统与前述实施例的区别在于，聚光分频装置为蝶式结构，相应的支撑架51、光伏电池层56和曲面支撑层55为蝶式结构，集热装置包括集热管41和位于集热管上方的真空玻璃罩45，本实施例的集热装置由涡旋线状的玻璃管41组合而成，其外表面覆盖了太阳光选择性吸收涂层，该选择性吸收涂层的材料为太阳能利用中常见的高吸收率低反射率材料。在玻璃罩45与集热管41之间是真空的，可有效防止热量的散失，提高光热利用率。集热管的进出管44和42分别与真空玻璃罩45的进出口46和47连接。
本实施例的光伏光热联合系统的工作原理为：曲面支撑层55采用蝶式结构，由铝合金或其他导热性能良好的材料制造，其内表面设置有光谱分频器件61和光伏电池组件56，其中光谱分频器件61可将入射太阳光中的近红外和紫外光与可见光通过分频调控技术分割开来，其中的近红外和紫外光反射并聚集汇聚到聚光位置上，由真空集热管41吸收并转变为热能，该热能最终由真空集热管41中的集热介质吸收并传输到蓄热系统中储存起来，其可见光则通过光谱分光器件61的透射到光伏电池组件56上转变为电能，直接提供用户使用，光伏电池56采用多晶硅薄膜太阳能电池组件。固定支撑组件53、镜面支撑架51以及活动连接件52构成承载平台，支撑上述各部件，跟踪及驱动系统用54以保证太阳能光的入射角度，提高太阳能的利用效率。
根据上述实施例提供的一种全光谱的光伏光热联合系统，通过聚光分频装置将太阳光中的近红外光和紫外光与可见光分离开来，聚光分频装置将近红外光和紫外光反射并聚集到集热装置，由集热装置吸收，转变为热能，可见光则直接通过光谱分频器透射到光伏电池层，由光伏电池层转变为电能，可以充分利用太阳光全谱的能量，提高整个系统的能量转换效率。
具体地，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和特点：
采用太阳光谱分光技术，通过光谱分频器件将可见光与太阳光中的红外光和紫外光分离开来。
由若干光谱分频器件组成的聚光分频装置，具有聚光效果，可将太阳光进行聚集，提高能量密度。对光伏电池来说避免了无用光谱的影响，降低温升，提高转换效率；对于光热转换而言可以提高集热效率，进而提高高温热源温度。
先通过光谱分频器件将太阳光中红外光和紫外光反射出来，并聚焦到聚光分频装置的聚光位置上，获得高密度的光子流，被集热器所吸收。透过光谱分频器件的可见光光子被紧连的光伏组件吸收。从而实现了太阳光谱中不同波段的光子的分段有效利用。
本发明装置能独立控制光伏和光热转换，主动有效利用占太阳光谱50％以上的红外光和紫外光作为集热源，同时将剩余的可见光光子用于光伏电池，充分利用各部分波段光子的各自优势。同时能将光伏和光热有机结合在整个系统中，从而可以最大限度的获得最优化的太阳能转换效率。
本发明将光谱分频器件、光伏组件和聚焦装置紧密集成在一起，可以高效低损耗的分离和吸收太阳光子，从而保障了总体能量转换效率。
本发明采用的聚光装置为具有广泛应用前景的槽式和锅式聚光器件，以及配备的单轴太阳跟踪系统，在保障必要的聚光倍数情况下，具有较大成本优势或成本下降潜力。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)
1.一种全光谱的光伏光热联合系统，其特征在于，所述系统包括：聚光分频装置、光伏装置和集热装置，所述聚光分频装置是由连续或非连续的光谱分频器组成的聚光分频镜面，所述光伏装置包括光伏电池层和曲面支撑层，所述光伏电池层位于所述聚光分频装置和所述曲面支撑层之间，所述集热装置设置在所述聚光分频装置的聚光位置上；
所述聚光分频装置将入射太阳光中为近红外光和紫外光与可见光分离开来，所述聚光分频装置将所述近红外光和紫外光反射并聚集到所述集热装置上，由所述集热装置吸收并转换为热能，所述聚光分频装置将所述可见光照射到所述光伏电池层，由所述光伏电池层转换为电能。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚光分频镜面为槽形曲面，所述槽形聚光分频镜面为一连续式的或非连续式的，所述槽形聚光分频镜面的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述集热装置由同心的内管和外管组成，所述内管和外管之间是真空的。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚光分频镜面为蝶式曲面，所述蝶式聚光分频镜面的截面形状包括：抛物线面、复合抛物线面和自由曲面。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述集热装置包括集热管和位于所述集热管上方的真空玻璃罩，所述真空玻璃罩与所述集热管之间形成真空。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述集热管为涡旋线状的玻璃管，所述集热管的进出管分别与所述真空玻璃罩的进出口连接。
7.如权利要求2-6任意一项所述的系统，其特征在于，所述光伏装置与所述聚光分频装置紧密相连。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光伏装置还包括支撑架、转动连接件、固定支撑组件和跟踪及驱动装置，所述光伏电池层与光谱分频器件之间设有真空隔热层，所述支撑架支撑所述聚光分频装置、所述光伏电池和曲面支撑层，所述转动连接件连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置连接所述支撑架和所述固定支撑组件，所述跟踪及驱动装置根据所述检测到的所述太阳光的入射角，调节所述聚光分频装置的水平角度。
9.如权利要求2-6任意一项所述的系统，其特征在于，所述光伏电池层与所述曲面支撑层之间采用导热硅胶连接粘合，且所述支撑镜面相对于所述光伏电池层的外侧面设置有散热槽。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述聚光分频装置和所述光伏电池层以至少两组截面大小相同或不同的环状的均匀的设置在所述支曲面支撑层上。
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