CN104917444A - 准槽式点聚光太阳能利用装置 - Google Patents

准槽式点聚光太阳能利用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准槽式点聚光太阳能利用装置，包括支撑装置，包括支架和底座，所述底座对称分布于所述支架两侧；多个点聚光元件，对称分布于所述支架两侧的底座上，形成准槽式结构，用于接收太阳光并进行聚光；多个光电转换装置，位于所述支架与所述底座相对的一端，所述光电转换装置与所述点聚光元件数量相等并与所述点聚光元件一一对应，所述光电转换装置的受光口朝向所对应的点聚光元件并位于所对应的点聚光元件的聚光焦点处；用于将所述点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能。通过使用准槽式的结构进行聚光，方便通过清洁装置对上述准槽式点聚光太阳能利用装置进行清洗；并且通过点聚光对太阳能进行接收，太阳能的利用率较高。

Description

准槽式点聚光太阳能利用装置
技术领域
本发明涉及太阳能应用技术领域，特别是涉及一种准槽式点聚光太阳能利用装置。
背景技术
聚光太阳能发电是先将太阳光通过聚光器汇聚起来，再将汇聚起来的太阳能转化成电能，它有两种转化方式，一种是通过半导体光电转换元件将汇聚的太阳光转化成电能，如聚光光伏发电；另一种方式是将太阳汇聚起来的太阳光转化为热能再通过热力循环将热能转换为动能，以动能带动发电机发电，如聚光光热发电。
传统的点聚光发电装置，一般采用伞式结构接收太阳能，不利于对接收装置进行清洁。
发明内容
基于此，有必要针对点聚光发电装置的伞式接收结构不利于清洁的问题，提供一种利于清洁的准槽式点聚光太阳能利用装置。
一种准槽式点聚光太阳能利用装置，包括：
支撑装置，包括支架和底座，所述底座对称分布于所述支架两侧；
多个点聚光元件，对称分布于所述支架两侧的底座上，形成准槽式结构，用于接收并汇聚太阳光；
多个光电转换装置，位于所述支架与所述底座相对的一端，所述光电转换
装置与所述点聚光元件数量相等并与所述点聚光元件一一对应，所述光电转换装置的受光口朝向所对应的点聚光元件并位于所对应的点聚光元件的聚光焦点处；用于将所述点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能。
在其中一个实施例中，所述点聚光元件为反射式点聚光元件，所述点聚光元件的焦距为0.8m-1.5m，每个所述点聚光元件相对于对应的光电转换装置的入射角小于30°。
在其中一个实施例中，所述点聚光元件为抛物面反射镜。
在其中一个实施例中，所述抛物面反射镜的受光面积为0.2m2-0.75m2，所述抛物面反射镜在所述光电转换装置的受光口形成的入射光斑面积小于35mm*35mm，所述受光面积与所述入射光斑的面积之比大于250。
在其中一个实施例中，所述抛物面反射镜的焦距与所述受光面积的平方根之比大于1.2且小于3。
在其中一个实施例中，所述光电转换装置包括：
多个光伏电池，分别设于导热电路板上，用于将所述点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能；
多个所述导热电路板，用于分别固定每一所述光伏电池，并传导所述光伏电池工作时产生的热能；
多个导电片，分别设于所述导热电路板上并分别连接所述光伏电池，用于向外部电路导出所述光伏电池产生的电能；
散热器，连接所述导热电路板，用于导出所述光伏电池工作时产生的热能；
外壳，用于容纳所述光伏电池、导热电路板、导电片和散热器，并设有受光口，所述光伏电池通过所述受光口接收所述点聚光元件汇聚的太阳光。
在其中一个实施例中，所述光伏电池为多结砷化镓光伏电池，每个所述光伏电池的受光范围大于等于9mm*9mm。
在其中一个实施例中，所述光伏电池的数量为四个，呈四方形矩阵排布形成光伏电池组；其中，对角布置的光伏电池相互并联并分别连接保护电路。
在其中一个实施例中，不同的点聚光元件所对应的光电转换装置的光伏电池组之间相互串联。
在其中一个实施例中，所述光电转换装置还包括二次聚光器，所述二次聚光器包括光输入端和光输出端；所述光输入端设置多个光入射口，所述多个光入射口呈矩阵状密集靠拢，所述光输出端设置多个与所述光入射口一一对应的光输出口，所述光输出口光学连接所述光伏电池；所述二次聚光器对从所述受光口射入的太阳光进行二次聚光并将所述二次聚光后的太阳光射入所述光伏电池。
上述准槽式点聚光太阳能利用装置，通过多个点聚光元件形成准槽式的结构进行聚光，通过多个与上述多个点聚光元件一一对应的光电转换装置将点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能。上述准槽式的结构，方便通过清洁装置对上述准槽式点聚光太阳能利用装置进行清洗；并且通过点聚光元件对太阳能进行接收，太阳能的利用率较高。
附图说明
图1为本发明一实施例的准槽式点聚光太阳能利用装置示意图；
图2为本发明另一实施例的准槽式点聚光太阳能利用装置示意图；
图3为图2所示实施例支架一侧点聚光元件排布俯视图；
图4为图2所示实施例接收口示意图；
图5为图2所示实施例点聚光元件相对于对应的光电转换装置的入射角示意图；
图6为图2所示实施例光电转换装置示意图；
图7为另一实施例中光电转换装置示意图。
具体实施方式
一种准槽式点聚光太阳能利用装置，通过将多个点聚光元件设置为准槽式结构，方便了后续对上述多个点聚光元件的清洗工作，并且针对每一个点聚光元件都设置了相应的光电转换装置，提高了太阳能利用率。通过设置点聚光元件的特征参数以及相应的光电转换装置、散热装置、导电结构、支撑结构等的参数数据，进一步提高了太阳能的利用率，降低了制造成本和维护成本。通过在支撑装置两侧分别设置至少一排光伏电池，在各排之间，相邻的光伏电池对应的光电转换装置可共用一个接收口，降低了准槽式点聚光太阳能利用装置的生产成本，并且为电路和冷却液管路的布置提供了方便。在光电转换装置的设置上，通过在多个导热电路板上设置多个矩阵排列的光伏电池，每个电池之间相互并联并分别连接保护电路，在使用的时候，如果其中一个光伏电池发生故障，可单独更换相应的光伏电池，从而不影响其他光伏电池的正常使用，不影响整个光电转换装置的使用，进一步的提高了准槽式点聚光太阳能利用装置的可行性，提高了系统的整体寿命，降低了维护成本。
下面结合附图和实施例，对本发明一种准槽式点聚光太阳能利用装置进行进一步详细的说明。
图1所示，为本发明一实施例的准槽式点聚光太阳能利用装置示意图。
参考图1，一种准槽式点聚光太阳能利用装置100，包括支撑装置120、多个点聚光元件140以及多个光电转换装置160。
其中，支撑装置120包括支架122和底座124，底座124对称分布在支架122的两侧，多个点聚光元件140对称分布在上述支架122两侧的底座124上，形成准槽式结构；多个光电转换装置160，位于支架122与底座124相对的一端，光电转换装置160与点聚光元件140数量相等并与点聚光元件140一一对应，光电转换装置160的受光口朝向所对应的点聚光元件140并位于所对应的点聚光元件140的聚光焦点处。
上述准槽式点聚光太阳能利用装置100，点聚光元件140接收并汇聚太阳光，与上述点聚光元件140相应的光电转换装置160将上述点聚光元件140汇聚的太阳光转换为电能。将上述准槽式点聚光太阳能利用装置的太阳光接收部位，即上述点聚光元件140的整体结构设置为准槽式结构，针对每个点聚光元件140设置了相应的光电转换装置160，在改善后续清洗工作的同时，进一步提高了太阳能的利用率。将槽式结构与点聚光技术相结合，使得更多的点聚光元件140可以公用同一支撑装置120，让开了点聚光元件140上方空间，方便后续通过使用自动清洁装置（图未示）对点聚光元件140进行清洁，并且方便进行更换点聚光元件140等操作，上方支架122使各光电转换装置160横向连接，这方便布置导线和散热回路（图未示）。
图2所示，为本发明另一实施例的准槽式点聚光太阳能利用装置示意图。
参考图2，一种准槽式点聚光太阳能利用装置200，包括支撑装置220、多个点聚光元件240以及多个光电转换装置260。
其中，支撑装置220包括支架222和底座224，底座224对称分布在支架222的两侧，多个点聚光元件240对称分布在上述支架222两侧的底座224上，形成准槽式结构；多个光电转换装置260，位于支架222与底座224相对的一端，光电转换装置260与点聚光元件240数量相等并与点聚光元件240一一对应，光电转换装置260的受光口朝向所对应的点聚光元件240并位于所对应的点聚光元件240的聚光焦点处。
其中，支架222每侧包括至少2排上述点聚光元件240，即至少2组点聚光元件组242（参考图2）。图2所示实施例中，包括2排点聚光元件240，即2组上述点聚光元件组242。上述支撑装置220一侧，与上述支架222相邻的点聚光元件240构成上述一排点聚光元件，即一组点聚光元件组242；与上述一组点聚光元件组242相邻的一排点聚光元件构成另一组点聚光元件组（图未标）。
在其他实施例中，上述准槽式点聚光太阳能利用装置200也可仅在支架222的一侧设置一排或者多排上述点聚光元件。
图3所示，为图2所示实施例支架一侧点聚光元件排布俯视图。
图4所示，为图2所示实施例接收口示意图。
参考图3，上述每组点聚光元件组242，每组之间相邻的点聚光元件240错开预定距离d，相应的，与上述错开的相邻的点聚光元件240对应的光电转换装置260可设置于支架222上的同一个接收口2222内，上述同一接收口2222内的光电装换装置260的受光口分别朝向相应的点聚光元件240，并分别位于相应点聚光元件240的聚光焦点处（参考图4）。参考图2所示实施例，通过在支撑装置220每侧设置2排点聚光元件240，使用上述一个准槽式点聚光太阳能利用装置200，可完成两个一侧只设置一排点聚光元件的准槽式点聚光太阳能利用装置100（参考图1）共同工作时的工作量，减少了准槽式点聚光太阳能利用装置100的成本，并进一步提高了准槽式点聚光太阳能利用装置100的太阳能利用率。
具体的，上述预定距离d可根据需要设定不同的值。在本实施例中，该预定距离d设定为10mm。
在其他的实施例中，也可设置支架222每侧的点聚光元件组242的组数，并相应设置接收口2222内的光电转换装置260的个数以及相应的朝向及位置关系。如果设置的组数大于2，则每一组之间相邻的点聚光元件240沿一个方向进行错位排列，以保证在同一接收口2222内能够容纳上述每一组之间相邻的点聚光元件240所对应的光电转换装置260。
图5所示，为图2所示实施例点聚光元件相对于对应的光电转换装置的入射角示意图。
图2所示实施例中，点聚光元件240为反射式点聚光元件。上述点聚光元件240的焦距为0.8m-1.5m，每个点聚光元件240相对于对应的光电转换装置360的入射角小于30°。参考图2，上述入射角为每个点聚光元件240的法线与相应入射光的夹角。参考图5，第一排点聚光元件240相对于相应的光电转换装置260的视图平面上的入射角为α，第二排点聚光元件240相对于相应的光电转换装置260的视图平面上的入射角为β，其中α、β的角度均小于30°，且大致相同。通过设置上述点聚光元件的特征参数，包括点聚光元件的焦距，并进一步设置点聚光元件的入射角度，可进一步提高太阳能的利用率。进一步的，上述点聚光元件的焦距为1m，入射角均小于20°，上述设置采用现有的砷化镓光伏电池产品（传统的砷化镓光伏电池的光电转换效率不到40%）可达到太阳能的实际利用率大于25%，考虑到砷化镓多级光伏电池的效率超过50%，则本系统的实际发电效率的接近40%。
具体的，参考图2，上述反射式点聚光元件为抛物面反射镜。上述抛物面反射镜的受光面积为0.2m2-0.75m2，抛物面反射镜在光电转换装置260的受光口形成的入射光斑面积小于35mm*35mm，受光面积与入射光斑的面积之比大于250。上述参数设置，保证了点聚光入射光斑的入射光强，使光能转换为电能的转换效率更高。具体的，上述抛物面反射镜的受光面积为0.4m2，上述抛物面反射镜的焦距与受光面积的平方根之比大于1.2且小于3。具体的，上述比值为1.5。通过设置上述比值，可使通过抛物面反射镜到达光电转换装置260的入射光斑的面积更小，光强更集中，满足高倍聚光光伏电池的理想工作范围。
图6所示，为图2所示实施例光电转换装置示意图。
图7所示，为另一实施例中光电转换装置示意图。
参考图6、图7，图2所示实施例中光电转换装置260包括多个光伏电池262、多个导热电路板264、多个导电片266、散热器268、外壳（图未示）以及安装板269。其中，上述多个光伏电池262分别设于相应的导热电路板264上，用于将点聚光元件240汇聚的太阳光转换为电能，导热电路板264用于固定上述光伏电池262，并传导光伏电池262工作时产生的热能；多个导电片266，分别设于上述导热电路板264上，并分别连接上述光伏电池262，用于向外部电路导出光伏电池262产生的电能；散热器268，通过热管267热连接上述导热电路板264，用于导出光伏电池262工作时产生的热能；外壳，用于容纳上述导热电路板264、光伏电池262、导电片266、散热器268、安装板269和热管267，并设有受光口，光伏电池262通过上述受光口接收点聚光元件240汇聚的太阳光。其中，安装板269用于承载上述多个光伏电池262、多个导热电路板264、多个导电片266等。
具体的，上述散热器268和热管267构成散热装置（图未标），导电片266构成导电结构（图未标），安装板269构成支撑机构（图未标）。通过设置点聚光元件240的特征参数以及相应的光电转换装置260、散热装置、导电结构、支撑结构等的参数数据，进一步提高了太阳能的利用率，降低了制造成本和维护成本。
上述多个光伏电池262通过上述受光口接收点聚光元件240汇聚的太阳光，并将接收到的入射光斑的能量转换为电能，并通过上述连接每个光伏电池262的导电片266向外部电路（图未示）分别导出每个光伏电池262产生的电能；上述光伏电池262并不能将全部的光能转化为电能，在上述光伏电池262将光能转化为电能的同时，一部分不能被光伏电池262转换的光能变成热能，上述导热电路板264传导上述多个光伏电池262工作时产生的热能，并通过散热器268导出上述热能。上述散热器设有冷却液入口2682和冷却液出口2684，分别连接散热装置进行散热。
具体的，上述光伏电池262为多结砷化镓光伏电池。上述光伏电池262的数量为4个，每个光伏电池262布置在独立的导热电路板264上，各导热电路板264呈四方形矩阵排列，形成光伏电池组（图未标）。其中，对角布置的光伏电池262相互并联并连接保护电路（图未示），两组对角位置的并联光伏电池262组相互串联；或者，上述4个光伏电池262相互并联并共用一个保护电路。并且，在上述准槽式点聚光太阳能利用装置200中，不同的点聚光元件240所对应的光电转换装置260的光伏电池262组之间相互串联，使得各聚光元件240输出电压相加，而电流相等，这样可以不需要增加导线截面积，传输更多的电能。因为各聚光元件240的面积相等，各光伏电池262效率相等，所以，各聚光元件240所对应的光伏电池组所产生的理想电流相等，满足串联条件；实验证明，在同一聚光元件下4个光伏电池262中对角的光伏电池262电流之和与另一对角的光伏电池262的电流之和很接近，满足串联条件，如果两组不同对角的光伏电池262串联，可以将电压提升一倍，电流下降一倍，从而降低了对导线截面积的要求，节约了导线，降低了导线上的损耗。
上述每个光电转换装置260中的光伏电池组中，每个光伏电池262布置在独立的导热电路板264上，当其中一个光伏电池262发生故障时，不需要将整个光伏电池组进行更换，只需要将发生故障的光伏电池262取下更换即可，并不影响其他光伏电池262的正常工作，方便了准槽式点聚光太阳能利用装置200的持续使用，并提高了准槽式点聚光太阳能利用装置200的使用寿命。
在其他的实施例中，上述光伏电池组中的每个光伏电池262也可相互串联。
具体的，上述每个光伏电池262的受光范围大于等于9mm*9mm。当上述光伏电池262数量为四个时，上述光伏电池组的整体受光面略小于40mm*40mm，进一步的，略小于38mm*38mm。并且，抛物面反射镜在光电转换装置的受光口形成的入射光斑面积小于35mm*35mm，使入射光斑能量更强，实现上述入射光斑能够完全的落在光伏电池262组的受光面内，保证尽可能的将太阳能转化为电能。在另一实施例中，上述每个光伏电池262的受光范围为10mm*10mm。
具体的，上述外壳上的受光口的宽度大于60mm，能够保证光伏电池262组的受光面完全的暴露，并保证入射光斑完全的落入上述光伏电池262组的受光范围内。
进一步的，参考图7，上述光电转换装置还包括二次聚光器265，上述二次聚光器265包括光输入端（图未标）和光输出端（图未标），所述光输入端设置多个光入射口（图未标），各光入射口呈矩阵状密集靠拢，上述光输出端设置多个与上述光入射口一一对应的光输出口（图未示），各所述光输出口光学连接所述光伏电池262。上述二次聚光器265的光输入端接收从受光口射入的太阳光，并进行二次聚光，光输出端将二次聚光后的太阳光射入上述光伏电池组。
上述点聚光元件反射的太阳光并不均匀，通过使用二次聚光器，将上述点聚光元件汇聚的不均匀的太阳光进行进一步聚光处理，使射入的入射光斑更小光强更强，使射入上述光伏电池262组的入射光斑相对均匀，提升了单位面积光伏电池262所接收的太阳光的强度，以进一步提高光伏电池的利用率，降低光伏电池的使用量，从而降低成本。。具体的，上述二次聚光器为透射式二次聚光棱镜，或反射式二次聚光杯。
上述准槽式点聚光太阳能利用装置应用时放置于追日仪上，由追日仪自动跟踪太阳位置，使准槽式点聚光太阳能利用装置的点聚光元件与太阳光的夹角保持在一定角度范围内不变，或保持准槽式点聚光太阳能利用装置的点聚光元件正对于太阳。具体的，太阳实际入射光线与理想入射光线之夹角为γ，并且，|γ|≤0.5°。
上述尺寸链，包括抛物面反射镜的焦距、受光面、入射角、入射光斑的大小、光伏电池262的受光面等，兼顾平衡了二次聚光器265对入射光角度的限制，追日仪控制误差造成的光斑在受光区域晃动的影响，光伏电池262理想受光强度，光伏电池262在对极端受光不均匀时的受光强度的耐受能力范围限制，导线截面尺寸对电流强度的限制，导线硬度对电路板的影响，串联升压限制条件，实现光伏电池262逐个电流导出，散热器268空间尺寸和布置，散热器268的导热性能，光伏电池262独立更换，点聚光元件240加工精度允许范围，点聚光元件240安装方便性，点聚光元件240清洁的方便性，风压对追日仪的影响，系统的造价尽量低廉等诸多问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，包括：
支撑装置，包括支架和底座，所述底座对称分布于所述支架两侧；
多个点聚光元件，对称分布于所述支架两侧的底座上，形成准槽式结构，用于接收并汇聚太阳光；
多个光电转换装置，位于所述支架与所述底座相对的一端，所述光电转换装置与所述点聚光元件数量相等并与所述点聚光元件一一对应，所述光电转换装置的受光口朝向所对应的点聚光元件并位于所对应的点聚光元件的聚光焦点处；用于将所述点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能。
2.根据权利要求1所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述点聚光元件为反射式点聚光元件，所述点聚光元件的焦距为0.8m-1.5m，每个所述点聚光元件相对于对应的光电转换装置的入射角小于30°。
3.根据权利要求1所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述点聚光元件为抛物面反射镜。
4.根据权利要求3所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述抛物面反射镜的受光面积为0.2m2-0.75m2，所述抛物面反射镜在所述光电转换装置的受光口形成的入射光斑面积小于35mm*35mm，所述受光面积与所述入射光斑的面积之比大于250。
5.根据权利要求4所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述抛物面反射镜的焦距与所述受光面积的平方根之比大于1.2且小于3。
6.根据权利要求1所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述光电转换装置包括：
多个光伏电池，分别设于导热电路板上，用于将所述点聚光元件汇聚的太阳光转换为电能；
多个所述导热电路板，用于分别固定每一所述光伏电池，并传导所述光伏电池工作时产生的热能；
多个导电片，分别设于所述导热电路板上并分别连接所述光伏电池，用于向外部电路导出所述光伏电池产生的电能；
散热器，连接所述导热电路板，用于导出所述光伏电池工作时产生的热能；
外壳，用于容纳所述光伏电池、导热电路板、导电片和散热器，并设有受光口，所述光伏电池通过所述受光口接收所述点聚光元件汇聚的太阳光。
7.根据权利要求6所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述光伏电池为多结砷化镓光伏电池，每个所述光伏电池的受光范围大于等于9mm*9mm。
8.根据权利要求6所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述光伏电池的数量为四个，呈四方形矩阵排布形成光伏电池组；其中，对角布置的光伏电池相互并联并分别连接保护电路。
9.根据权利要求8所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，不同的点聚光元件所对应的光电转换装置的光伏电池组之间相互串联。
10.根据权利要求6所述的准槽式点聚光太阳能利用装置，其特征在于，所述光电转换装置还包括二次聚光器，所述二次聚光器包括光输入端和光输出端；所述光输入端设置多个光入射口，所述多个光入射口呈矩阵状密集靠拢，所述光输出端设置多个与所述光入射口一一对应的光输出口，所述光输出口光学连接所述光伏电池；所述二次聚光器对从所述受光口射入的太阳光进行二次聚光并将所述二次聚光后的太阳光射入所述光伏电池。
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