CN105245181A - 一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统 - Google Patents

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Abstract

一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，包括聚光单元、光谱分裂器、光伏电池、光电单元温差发电模块及光电单元平面热管的热端沿着阳光射入方向从上往下依次设置；所述光热单元温差发电模块布置在聚光单元与光谱分裂器所组成系统的焦点上，光热单元平面热管的热端贴合于光热单元温差发电模块的冷端，所述光热单元平面热管的冷端与光电单元平面热管的冷端浸没在水冷却单元的冷却水中，冷却水获得热能后温度升高，所得到的低温热水可用于家庭洗浴等。本发明能够提高太阳光光电转换效率，并同时提供生产生活用热水。

Description

一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统
技术领域
本发明属于太阳能热电联用技术领域，涉及一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统。
背景技术
在目前能源危机与环境污染的双重压力下，开发新型可再生高效清洁能源受到了越来越多学者的关注。太阳能不仅清洁无污染，而且具有普遍性、丰富性和永久性的特点。据计算，太阳辐射到地球的能量高达4×1015MW，是地球能耗的2000倍。因此，开发太阳能资源对解决世界能源环境问题具有重大的现实意义。
目前对太阳能的利用主要分为光电、光热、光化学、光生物等形式，其中应用最多的光电与光热两种形式。光电转化主要通过光伏电池进行实现，而太阳光能流密度低，光伏电池价格较高，为了降低系统的成本，聚光技术被众多学者提出。但是，聚光下的光伏电池表面温度较高，严重限制了光伏电池的光电转化效率，为了降低光伏电池的表面温度，提高系统的总效率，太阳能分频利用技术被应用到本领域。
为了回收光热单元的低品位热能，本系统采用半导体温差发电技术，直接将低品位热能转换为电能。它是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无介质泄露、无磨损、无噪音、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，而且不受热源温度的限制，因此在低品位热源的回收利用上显示出巨大的优越性。为了控制温差发电模块冷端温度，本系统使用平面热管将温差发电模块冷端热量导入冷却水管中，冷却水管中的冷却水将这部分热量带走的同时自身温度升高。
本系统将太阳能分频技术与聚光技术相结合，并将温差发电模块应用到本系统中，提高了系统的光电转化效率，并可同时提供生产生活用热水。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，以提高系统的光电转换效率，并提供中低温生活可用热水。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，包括聚焦太阳光的聚光单元、对所述太阳光的能量在光谱上进行分离的光谱分裂器、对所述太阳光光电利用波段的能量进行光电转换的光伏电池、吸取所述太阳光光热波段能量并进行热电转换的光热单元温差发电模块、吸取所述光伏电池表面热能并进行热电转换的光电单元温差发电模块、对所述光热单元温差发电模块冷端进行热量传递的光热单元平面热管、对所述光电单元温差发电模块冷端进行热量传递的光电单元平面热管、对所述平面热管冷端进行冷却的水冷却单元以及检测太阳光方向并根据所述检测结果控制所述聚光单元垂直于所述太阳光方向的太阳光跟踪单元，其特征在于：所述聚光单元、光谱分裂器、光伏电池、光电单元温差发电模块及光电单元平面热管的热端沿着阳光射入方向从上往下依次设置；
所述光热单元温差发电模块布置在聚光单元与光谱分裂器所组成系统的焦点上，光热单元平面热管的热端贴合于光热单元温差发电模块的冷端，所述光热单元平面热管的冷端与光电单元平面热管的冷端浸没在水冷却单元的冷却水中。
进一步，所述聚光单元为板状的菲涅尔透镜。
所述光热单元温差发电模块热端表面涂有黑色强吸收层以使得所吸收的热能最大化。
所述水冷却单元包括冷却水、冷却水管，所述冷却水在所述冷却水管中流动并将热量带走。
所述冷却水单元还包括布置在冷却水管表面的保温层。
所述光热单元平面热管的冷端布置有翅片。
所述光电单元平面热管的冷端布置有翅片。
所述光伏电池与所述光电单元温差发电模块之间、所述光电单元温差发电模块与所述光电单元平面热管之间、所述光热单元温差发电模块与所述光热单元平面热管之间以绝缘的粘结层贴合。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
1)提高系统光电转换效率。太阳能分频利用技术的应用降低了光伏电池的表面温度，从而提高了光伏电池的光电转化效率；光电单元温差发电模块将光伏电池表面的热能进一步转化为电能；光热单元温差发电模块接受能量的表面涂黑以最大化吸收所接受到的热能，并将此部分能量转化为电能。系统中共三处光电转换元件，极大提高了系统的光电转换效率。
2)降低系统成本。采用聚光技术能够大幅度减少光伏电池及集热管的面积，降低系统成本。
3)半导体温差发电技术是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无介质泄露、无磨损、无噪音、可靠性高等特点，而且不受热源温度的限制。
4)提供了生活可用热水。水冷却单元在降低平面热管冷端温度的同时，自身温度得到提高，提供了生活可用热水。
附图说明
图1为本发明实施例中一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用模块系统(在太阳照射环境下使用)的结构示意图。
图2为图1所示的模块系统组成的模块阵列示意图。
附图中：1、菲涅尔透镜；2、翅片；3、光热单元平面热管冷端；4、冷却水；5、冷却水管；6、光电单元平面热管冷端；7、光电单元平面热管；8、光热单元平面热管；9、光热单元平面热管热端；10、粘结层；11、光热单元温差发电模块；12、光谱分裂器；13、光伏电池；14、光电单元温差发电模块；15、光电单元平面热管热端。
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。
本发明提出了一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，如图1所示，该系统包括聚焦太阳光的菲涅尔透镜1、对太阳光的能量在光谱上进行分离的光谱分裂器12、对太阳光光电利用波段的能量进行光电转换的光伏电池13、吸取太阳光光热波段能量并进行热电转换的光热单元温差发电模块11、吸取光伏电池表面热能并进行热电转换的光电单元温差发电模块14、对光电单元温差发电模块冷端热量进行传递的光电单元平面热管7、对光热单元温差发电模块冷端热量进行传递的光热单元平面热管8、对平面热管冷端进行冷却的冷却水4与冷却水管5以及太阳光跟踪单元(简明起见，图中未示出)。其中，菲涅尔透镜1、光谱分裂器12、光伏电池13、光电单元温差发电模块14及光电单元平面热管热端15沿着阳光射入方向从上往下依次设置。
光热单元温差发电模块11布置在菲涅尔透镜1与光谱分裂器12所组成系统的焦点上，光热单元平面热管热端9贴合在光热单元温差发电模块6的冷端。光热单元平面热管冷端3与光电单元平面热管冷端6浸没在水冷却单元的冷却水4中。
该系统运行时，太阳光跟踪单元控制系统的方向，使菲涅尔透镜1所在的平面始终垂直于太阳光方向。太阳光先经菲涅尔透镜1聚光后投射到光谱分裂器12上，光谱分裂器12将太阳光在光谱上进行分离为适用于发电的光电波段能量与适用于发热的光热波段能量；光电波段能量经光谱分裂器12透射到光伏电池13上进行发电，光伏电池13在发电的同时产生的热量使其表面温度升高，光伏电池13与光电单元温差发电模块14热端贴合以加热光电单元温差发电模块14热端，光电单元平面热管热端15与光电单元温差发电模块14冷端贴合以冷却光电单元温差发电模块14的冷端，在光电单元温差发电模块14两侧表面形成温差以进行发电；光热波段能量经光谱分裂器反射到光热单元温差发电模块11热端上，光热单元温差发电模块11热端表面被涂黑以最大化吸收所接收到的能量，光热单元温差发电模块11热端被加热，光热单元温差发电模块11冷端由光热单元平面热管8进行冷却，在光热单元温差发电模块11两侧表面形成温差以进行发电。冷却水4在冷却水管5中流动，带走光热单元平面热管8与光电单元平面热管7传递的热量的同时，自身温度升高，可得到生产生活可用的热水
如图2所示，将多个图1所示的嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用模块系统按照以下方式连接即可得到为模块阵列：
多个嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用模块并行排列，各个子模块中的光电单元平面热管冷端6与光热单元平面热管冷端3接入同一根冷却水管5，冷却水4在冷却水管5中流动，带走各个子模块中光电单元平面热管冷端6与光热单元平面热管冷端3热量的同时，自身温度升高，获得生产生活可用的热水。
本发明在已有研究的基础上，将聚光技术与分频技术相结合，提出一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统。采用菲涅尔透镜对太阳光进行点聚焦，减少了光伏电池的使用面积，降低了系统成本。在菲涅尔透镜的下方设置光谱分裂器对太阳光进行分频，实现了光热波段与光电波段能量的分离，一方面降低了光伏电池的表面温度，进而提高光伏电池的光电转换效率；另一方面光谱分裂器将光热波段能量分离出来，用温差发电模块进行发电，提高了系统总的电效率。光伏电池背部的温差发电模块将光伏电池表面的热能转化为电能，再次提高了系统的电效率。光热单元温差发电模块热端表面涂黑，最大化吸收所接收到的能量，提高了光热单元温差发电模块的热电转换效率。平面热管将温差发电模块冷端的热量传递给冷却水，一方面增大了温差发电模块两端的温度差，提高了热电转换效率；另一方面使冷却水温度升高，可提供生产生活用的热水。
光热单元平面热管冷端3上间隔设置若干翅片2，作用在于增大光热单元平面热管冷端3与冷却水4之间的换热；同样的，光电单元平面热管冷端6上间隔设置若干翅片2，作用在于增大光电单元平面热管冷端6与冷却水4之间的换热。
光热单元温差发电模块11通过粘结层10连接于光热单元平面热管热端9上，作用在于冷却温差发电模块11的冷端，以此形成光热单元温差发电模块11两端的温差，从而使光热单元温差发电模块11能够进行发电。同时将热量传递至冷却水，提供生产生活用热水。
平面热管的作用有两个：其一是将光热单元和光电单元的热量传递给冷却水；其二是维持温差发电模块两端的温差，使之能够产生电流。
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 (8)

1.一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，包括聚焦太阳光的聚光单元、对所述太阳光的能量在光谱上进行分离的光谱分裂器、对所述太阳光光电利用波段的能量进行光电转换的光伏电池、吸取所述太阳光光热波段能量并进行热电转换的光热单元温差发电模块、吸取所述光伏电池表面热能并进行热电转换的光电单元温差发电模块、对所述光热单元温差发电模块冷端进行热量传递的光热单元平面热管、对所述光电单元温差发电模块冷端进行热量传递的光电单元平面热管、对所述平面热管冷端进行冷却的水冷却单元以及检测太阳光方向并根据所述检测结果控制所述聚光单元垂直于所述太阳光方向的太阳光跟踪单元，其特征在于：所述聚光单元、光谱分裂器、光伏电池、光电单元温差发电模块及光电单元平面热管的热端沿着阳光射入方向从上往下依次设置；
所述光热单元温差发电模块布置在聚光单元与光谱分裂器所组成系统的焦点上，光热单元平面热管的热端贴合于光热单元温差发电模块的冷端，所述光热单元平面热管的冷端与光电单元平面热管的冷端浸没在水冷却单元的冷却水中。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述聚光单元为板状的菲涅尔透镜。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述光热单元温差发电模块热端表面涂黑以使得所吸收的热能最大化。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述水冷却单元包括冷却水、冷却水管，所述冷却水在所述冷却水管中流动并将热量带走。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述冷却水单元还包括布置在冷却水管表面的保温层。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述光热单元平面热管的冷端布置有翅片。
7.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述光电单元平面热管的冷端布置有翅片。
8.根据权利要求1所述的一种嵌入温差发电模块的太阳能聚光分频利用系统，其特征在于：所述光伏电池与所述光电单元温差发电模块之间、所述光电单元温差发电模块与所述光电单元平面热管之间、所述光热单元温差发电模块与所述光热单元平面热管之间以绝缘的粘结层贴合。
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Application publication date: 20160113