CN106160658B - 一种聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统 - Google Patents

Abstract

一种聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统，包括主聚光器(1)、集热管(2)、二次聚光器(3)、光伏装置(4)、冷却装置(5)及支架(6)。集热管(2)和二次聚光器(3)位于主聚光器(1)的聚焦处，二次聚光器(3)通过支架(6)固定在主聚光器(1)的上方，主聚光器(1)将太阳辐射反射聚焦到集热管(1)和二次聚光器(3)上，二次聚光器(3)将太阳辐射再次反射聚焦到集热管(1)上。光伏装置(4)位于二次聚光器(3)的内壁面上，光伏装置(4)的背面反射层(8)将入射太阳光中光伏电池层(7)不能吸收利用的紫外光和近红外光再次反射到集热管(2)上。冷却装置(5)位于光伏装置(4)的基底(9)背面，冷却光伏装置(4)。

Description

一种聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能利用设备，特别涉及一种太阳能光伏光热联合系统。

背景技术

当前，太阳能发电领域主要包括光伏发电技术和光热发电技术。根据目前太阳能发电技术发展现状，聚光技术是提高这两种技术发电效率所采用的最主要方法，不仅可以减少占地面积，而且也能降低发电成本，但目前两种技术各有优缺点。从发电效率方面看，光热发电技术通过聚光显著提高了发电效率，但与光伏发电相比，虽然其可以吸收转换太阳全光谱的能量，但其发电效率通常要低于直接实现光电转化的光伏发电技术效率。而从是否能承担电网基础负荷方面看，光热发电技术具有可以通过热能存储实现全天候发电的优势，光伏发电往往只能在白天发电，其电力存储由于成本和技术原因也不适应于大规模发电。另外，光伏发电技术仅仅利用了太阳光谱中300nm-1100nm波长的能量，其余能量都转换为热能消散到空气中，造成能量浪费。因此，如果能结合光伏和光热发电两种技术的各自优势，综合利用两种技术，将显著提高系统综合利用效率。

中国专利201210250372.0公开了一种“背反射式太阳能电池及其制作方法”，其包括保护底层、依次设置于保护底层表面的反射介质膜、背电极和电池薄膜组成，通过设置反射膜可将透过太阳能电池的太阳光再次反射到电池处进行再次利用，但该专利只能利用可见光部分太阳光谱，其余紫外光及近红外光也同样被反射出去，不能利用。

中国专利201210058376.9公开了一种“真空管光伏光热复合抛物面聚光器”，其采用复合抛物面聚光镜和光伏发电相结合，将太阳光聚焦反射到光伏上产生电力，同时采用冷却管将光伏冷却进而产生热水，系统不需要跟踪，实现了光伏光热综合利用，但该系统由于聚光比较低，无跟踪系统，难以实现高温应用。另一中国专利201510272091.9公开了“一种全光谱的光伏光热联合系统”，其采用在聚光分频装置，将太阳光中紫外光和近红外光与可见光分离开，将可见光部分照射到光伏电池产生电能，将其余部分反射聚焦到集热装置中产生热能，但该系统没有采用的聚光光伏装置，为普通光伏，其效率难以提高，另外该聚光分频装置一般具有很多层才能实现分光谱供能，其成本和光学效率需要进一步分析。

因此，实现太阳能全光谱高效利用，进一步提升系统的综合效率是当前太阳能利用技术的迫切需求和发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于通过太阳能全光谱的高效利用，进一步提升太阳能光伏光热联合系统的综合效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合发电系统，包括主聚光器、集热管、二次聚光器、光伏装置、冷却装置和支架。所述集热管和所述二次聚光器位于所述主聚光器的聚焦处，所述二次聚光器通过所述的支架固定在所述主聚光器的上方，所述主聚光器将太阳辐射反射聚焦到所述集热管和所述二次聚光器上，所述二次聚光器将太阳辐射再次反射聚焦到所述集热管上。

所述光伏装置位于二次聚光器的内壁面上，所述光伏装置包括光伏电池层、背面反射层和保护底层，所述的背面反射层位于光伏电池层和所述的保护底层之间，所述背面反射层将入射太阳光中光伏电池层所不能吸收利用的紫外光和近红外光反射到所述集热管上，所述冷却装置位于光伏装置的保护底层背面，对所述光伏装置进行冷却。

所述的光伏装置的光伏电池层为砷化镓光伏电池，其效率高，且适宜应用于聚光光伏系统中，砷化镓光伏电池的耐温性较普通光伏电池要高很多，在200℃时，砷化镓光伏电池的发电效率仍可达到10％左右。特别是多结砷化镓的异质结光伏电池，其光电效率最高达到28％以上。

所述背面反射层为具有反射率不低于85％反射率的反射材料层，所述光伏装置和所述冷却装置固定在所述二次聚光器内壁面上，且所述光伏装置所处的方位能保证其背面反射层可将入射光反射到所述集热管上。

所述的集热管包括同轴的玻璃外管和金属内管玻璃外管与金属内管之间为真空。

优选的，所述的二次聚光器可以位于所述的集热管的外部上方，并通过支架固定在集热管上。

另一优选的，所述的二次聚光器也可以位于所述的玻璃外管的内部且位于金属内管上方，所述的光伏装置、所述的冷却装置及所述的支架也同样都位于所述的玻璃外管的里面。

所述的主聚光器的形状为抛物面槽式聚光器或菲涅尔式聚光器，所述主聚光器具有实时跟踪太阳功能，通过跟踪太阳将太阳光反射聚焦到所述集热管和二次聚光器上。

所述的二次聚光器为复合抛物面型聚光器，又称为CPC(Compound parabolicconcentrator)型聚光器，其内壁面为反射率不低于85％的反光铝或反射膜层。

所述冷却装置具有至少1个、当量直径不超过5mm的微型通道，冷却装置采用铝或铜材料制作，一般为长条矩形多通道换热器，优选的材料为铝或铜材料。

所述的二次聚光器外壁面上放置有非聚光的光伏电池装置，非聚光的光伏电池装置可直接利用太阳光产生电能，所述的支架还用于固定非聚光的光伏电池装置。所述的聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统通过串联或并联方式实现大规模应用。所述冷却装置为所述系统的传热工质进行预热，同时，通过串联或并联方式使所述集热管加热管内传热工质达到更高温度，进而该传热工质进入储热系统、经过换热器换热或直接产生高温蒸汽来发电。

本发明通过具有跟踪功能的聚光器将太阳光反射聚焦到二次聚光器和集热管上，该二次聚光器内部上放置有光伏装置，该光伏装置吸收利用太阳光中的可见光进行发电，由于聚光作用，其可达到比普通光伏装置更高的发电效率。并且该光伏装置具有背面反射层，其可将入射太阳光中光伏装置所不能吸收利用的紫外光和近红外光再次反射到集热管上，该部分太阳光也得到了充分利用。所述集热管吸收聚光太阳辐射加热管内传热工质，进而通过换热器换热或直接产生高温蒸汽进行发电。另外，由于光伏装置可以利用环境中的散射光进行发电，即使在阴天也可以发电，进一步提升了该系统的电力产出。因此本发明通过两次聚光，实现了太阳全光谱的综合高效利用，相比单独的光伏系统或光热发电系统，本发明显著提高了系统的利用效率和电力产出。

附图说明

图1为本发明处于聚光位置的全光谱光伏光热联合装置结构纵向示意图；

图2为本发明处于聚光位置的全光谱光伏光伏联合装置结构轴向示意图；

图3为本发明二次聚光器位于集热管内部的结构纵向示意图；

图4为本发明所涉及的光伏装置和冷却装置结构示意图；

图5为本发明采用抛物面槽式聚光器的全光谱光伏光热联合装置结构示意图；

图6为本发明采用菲涅尔式聚光器的全光谱光伏光热联合装置结构示意图；

图7为本发明采用抛物面槽式聚光器的全光谱光伏光热联合装置结构示意图；

图中：1主聚光器、2集热管、3二次聚光器、4光伏装置、5冷却装置、6支架、7光伏电池层、8背面反射层、9保护底层、10玻璃外管、11金属内管、12微通道、13非聚光的光伏电池装置，14波纹管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明全光谱光伏光热联合装置包括集热管2、二次聚光器3、光伏装置4、冷却装置5和支架6。所述集热管2和所述二次聚光器3位于所述主聚光器1的聚焦处，所述二次聚光器3为复合抛物面聚光器，通过支架6固定在集热管2的上方。所述主聚光器1将太阳辐射反射聚焦到所述集热管2和所述二次聚光器3上，所述二次聚光器3将太阳辐射再次反射聚焦到所述集热管2上。

所述光伏装置4位于二次聚光器3的内壁面上。所述光伏装置4包括光伏电池层7、背面反射层8和保护底层9。光伏装置4吸收利用入射太阳光中的可见光部分进行发电，其背面反射层8将入射太阳光中光伏电池层所不能吸收利用的紫外光和近红外光反射到所述集热管2上，所述冷却装置5位于光伏装置4的保护底层的9背面，对所述光伏装置4进行冷却。

所述集热管2包括同轴的玻璃外管10和金属内管11，玻璃外管10与金属内管11之间为真空，为了缓解玻璃外管10和金属内管11之间由于温度不同导致的膨胀量不同，在玻璃外管10的端部还连接有波纹管14，波纹管14的另一端与金属内管11的端部连接。

为了进一步提高系统综合利用率，可以在支架6上安装固定非聚光的光伏电池装置13，非聚光的光伏电池装置13可以直接发电。

图3为二次聚光器3放置于集热管2内部的结构示意图，与图1不同的是，二次聚光器3位于玻璃外管10内并位于金属内管11的上方，光伏装置4、冷却装置5及支架6也位于玻璃外管10内。

图4以剖面图示出光伏装置4和冷却装置5的结构。光伏装置4包括光伏电池层7、背面反射层8和保护底层9，所述背面反射层8位于光伏电池层7和保护底层9之间，所述保护底层9与冷却装置5相连。所述冷却装置5为具有多个微通道12的冷却系统。

以下为采用本发明系统的实施例。

实施例1

如图5所示，本实施例为采用抛物面槽式聚光器的全光谱光伏光热联合系统，主要包括主聚光器1，集热管2、二次聚光器3、光伏装置4、冷却装置5和支架6。主聚光器1采用大型抛物面槽式聚光器，如开口宽度在5米～9米的聚光器，增大开口宽度可显著降低太阳能镜场成本；主聚光器1通过跟踪太阳可最大限度采集太阳辐射，并将其反射聚焦到集热管2和二次聚光器3上。集热管2包括同轴的玻璃外管10和金属内管11，玻璃外管10与金属内管11之间为真空以减少热损失，在玻璃外管10的两个端部各连接一个波纹管14，波纹管14的另一端与金属内管11的端部连接，形成封闭空间。金属内管11上具有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层，玻璃外管10上也带有增透膜层，透光率达到95％以上。二次聚光器2为复合抛物面聚光器(CPC)，可将太阳光再次反射聚焦到集热管2上。二次聚光器3采用高反射比的反光铝材料制作，并通过支架6固定在集热管2的上方，使二次聚光器3不发生变形，支架6为轻质铝材料制作，并在集热管2两端进行支撑。本实施例采用了4组光伏装置4放置于二次聚光器3的内壁面上。光伏装置4包括光伏电池层7、背面反射层8和保护底层9，光伏电池层7采用InGaP/GaAs结构的砷化镓异质结光伏电池材料，其效率高，且适合应用于高倍聚光光伏系统中，砷化镓光伏电池材料的耐温性较普通光伏电池要高很多，其发电效率仍可达到24％以上。光伏电池层7的背面为背面反射层8，背面反射层8采用具有高反射率的镀银层，由于背面反射层8紧贴在二次聚光器3的内壁上，该背面反射层8面型及方位符合复合抛物面面型，因此背面反射层8可将光伏电池层7所不能吸收利用的紫外光和近红外光反射到集热管2上；背面反射层8的背面有保护底层9，保护底层9一方面保护背面反射层8和光伏电池层7，另一方面为与冷却装置5连接。冷却装置5为具有多个当量直径为2mm的微通道12的冷却系统，采用铝材料制作，其传热特性好，可对聚光的光伏装置4进行冷却降温。另外，为了进一步提高系统综合利用率，在支架6上安装固定了非聚光的光伏电池装置13，光伏电池装置13采用普通晶硅电池或薄膜电池，可以直接发电。本实施例中可以将多个这种聚光型全光谱的光伏光热联合系统进行串联，集热管2相互联通实现对关内传热工质加热达到400-650℃高温，进而通过换热器换热或直接产生蒸汽进行发电，而冷却装置5中的传热工质为水，其经过冷却装置4预热后可进入水——蒸汽循环系统中，充分利用了系统的热能。

实施例2

如图6所示，本实施例为采用菲涅尔聚光器的全光谱光伏光热联合系统，主要包括主聚光器1，集热管2、二次聚光器3、光伏装置4、冷却装置5和支架6。主聚光器1采用大型菲涅尔聚光器，其由多排平面或曲面反射镜构成，降低了太阳能镜场成本。主聚光器1通过跟踪太阳可最大限度采集太阳辐射，并将其反射聚焦到集热管2和二次聚光器3上。集热管2包括同轴的玻璃外管10和金属内管11，玻璃外管10与金属内管11之间为真空以减少热损失。金属内管11上有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层，玻璃外管10上也带有增透膜层，透光率达到95％以上。二次聚光器3为复合抛物面聚光器(CPC)，可将太阳光再次反射聚焦到集热管2上。二次聚光器3采用具有防磨擦保护层的高反射比镀银膜层材料制作，并通过支架6固定在集热管2的上方，保证二次聚光器2不发生变形。支架6为轻质铝材料制作，并在集热管2两端进行支撑。本实施例中采用了4组光伏装置4放置于二次聚光器3的内壁面上。光伏装置4包括光伏电池层7、背面反射层8和保护底层9，光伏电池层7采用三结砷化镓光伏电池材料，效率更高，且适合应用于高倍聚光光伏系统中，耐温性较普通光伏电池要高很多，光电效率一般在28％以上；在光伏电池层7背面为背面反射层8，背面反射层8采用具有高反射率的镀铝层，由于背面反射层8紧贴在二次聚光器3内壁上，该背面反射层8面型及方位符合复合抛物面面型，因此背面反射层8可将光伏电池层7所不能吸收利用的紫外光和近红外光反射到集热管2上；背面反射层8的背面具有保护底层9，其一方面保护背面反射层8和光伏电池层7，另一方面与冷却装置5进行连接。冷却装置5为具有多个当量直径为1mm的微通道12的冷却系统，冷却装置5采用铜材料制作，传热特性更好，可对聚光的光伏装置4进行冷却降温。另外，由于集热管2及二次聚光器3都固定不随系统转动，因此为了进一步提高系统综合利用率，在支架6的上部和两侧都安装固定了非聚光的光伏电池装置13，非聚光的光伏电池装置13采用普通晶硅电池或薄膜电池，可以直接发电。中可以将多个本实施例这种聚光型全光谱的光伏光热联合系统串联，集热管2相互联通实现对关内传热工质加热达到400-600℃高温，进而进入储热系统或通过换热器换热产生蒸汽进行发电，而冷却装置5中的传热工质为水，其经过冷却装置4预热后可进入水——蒸汽循环系统中，充分利用了系统的热能。

如图7所示，本实施例为采用抛物面槽式聚光器的全光谱光伏光热联合系统，具体主要包括主聚光器1，集热管2、二次聚光器3、光伏装置4、冷却装置5和支架6。主聚光器1采用抛物面槽式聚光器，如开口宽度在2米～8米的聚光器；主聚光器1通过跟踪太阳可最大限度采集太阳辐射，并将其反射聚焦到集热管2和二次聚光器3上。集热管2包括同轴的玻璃外管10和金属内管11，玻璃外管10与金属内管11之间为真空以减少热损失。金属内管11上具有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层，玻璃外管10上也带有增透膜层，透光率达到95％以上。二次聚光器3为复合抛物面聚光器(CPC)，可将太阳光再次反射聚焦到集热管2上。二次聚光器3采用高反射比的反光铝材料制作，并通过支架6固定在玻璃内管10里面，并位于金属内管11的上方，支架6为不锈钢材料制作。本实施例采用了4组光伏装置4放置于二次聚光器3的内壁面上。光伏装置4包括光伏电池层7、背面反射层8和保护底层9，光伏电池层7采用单结砷化镓光伏电池材料。光伏电池层7的背面为背面反射层8，背面反射层8采用具有高反射率的镀银层，由于背面反射层8紧贴在二次聚光器3的内壁上，该背面反射层8面型及方位符合复合抛物面面型，因此背面反射层8可将光伏电池层7所不能吸收利用的紫外光和近红外光反射到集热管2上；背面反射层8的背面有保护底层9，保护底层9一方面保护背面反射层8和光伏电池层7，另一方面为与冷却装置5连接。冷却装置5为具有多个当量直径为2mm的微通道12的冷却系统，采用铝材料制作，其传热特性好，可对聚光的光伏装置4进行冷却降温，冷却装置5的两端从集热管2的两端伸出。本实施例中可以将多个这种聚光型全光谱的光伏光热联合系统进行串联，集热管2相互联通实现对关内传热工质加热达到100-650℃，而冷却装置5中的传热工质为水，其经过冷却装置4预热后可进入水——蒸汽循环系统中，充分利用了系统的热能。

Claims (10)

1.一种聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的太阳能光伏光热联合系统包括主聚光器(1)、集热管(2)、二次聚光器(3)、光伏装置(4)、冷却装置(5)及支架(6)；所述的集热管(2)和所述的二次聚光器(3)位于所述的主聚光器(1)的聚焦处，所述的二次聚光器(3)通过所述的支架(6)固定在所述的主聚光器(1)的上方，所述的主聚光器(1)将太阳辐射反射聚焦到所述集热管(2)和所述二次聚光器(3)上，所述的二次聚光器(3)将太阳辐射再次反射聚焦到所述集热管(2)上；

所述的光伏装置(4)位于二次聚光器(3)的内壁面上；所述光伏装置(4)包括光伏电池层(7)、背面反射层(8)和保护底层(9)；所述的背面反射层(8)位于光伏电池层(7)和所述的保护底层(9)之间，所述的背面反射层(8)将入射太阳光中光伏电池层(7)不能吸收利用的紫外光和近红外光再次反射到所述集热管(2)上，所述的冷却装置(5)位于光伏装置(4)的保护底层(9)背面，冷却所述光伏装置(4)。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的光伏电池层(7)为砷化镓光伏电池，所述的背面反射层(8)为具有反射率不低于85％的反射材料层，所述光伏装置(4)所处的方位使其背面反射层(8)能够将入射光反射到所述集热管(2)上。

3.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的集热管(2)包括同轴的玻璃外管(10)和金属内管(11)，玻璃外管(10)与金属内管(11)之间为真空。

4.根据权利要求3所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的玻璃外管(10)内布置有二次聚光器(3)、光伏装置(4)、冷却装置(5)及支架(6)，且二次聚光器(3)、光伏装置(4)、冷却装置(5)及支架(6)位于在所述的金属内管(11)的上方。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的二次聚光器(3)、光伏装置(4)、冷却装置(5)及支架(6)均位于所述的集热管(2)的外部上方。

6.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的主聚光器(1)的形状为抛物面槽式聚光器或菲涅尔式聚光器，所述的主聚光器具有实时跟踪太阳的功能。

7.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述的二次聚光器(3)为复合抛物面型聚光器，其内壁面为反射率不低于85％的反射膜层。

8.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于：所述冷却装置(5)具有至少1个、当量直径不超过5mm的微型通道(12)，所述冷却装置(5)采用铝或铜材料制作。

9.根据权利要求1所述的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于，所述的二次聚光器(3)外壁面上放置有非聚光的光伏电池装置(13)，所述的支架(6)还用于固定非聚光的光伏电池装置(13)。

10.根据权利要求1所述的聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统，其特征在于，所述的聚光型全光谱的太阳能光伏光热联合系统通过串联或并联方式实现大规模应用。