CN106208950B - 一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，包括大面积碟式抛物面聚光器、太阳能发电装置；大面积碟式抛物面聚光器为透明材质，其反射面上设置有光学分光薄膜，利用光学分光薄膜将投射到大面积碟式抛物面聚光器的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过大面积碟式抛物面聚光器照向植物，一部分反射汇聚形成光斑，由太阳能发电装置接收。本发明为了使有限的土地资源得到充分利用，在碟式聚光太阳能光伏发电系统上进一步改进，将高效率的碟形抛物反射面采用玻璃材料制作，并且在该碟式抛物面上贴一层光学薄膜，这样既提高了太阳能的利用率，又提高了土地的利用率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及到一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统。
背景技术
碟式聚光光伏发电系统采用碟形镜面反射聚光器，同时通过双轴追日跟踪伺服系统，实现对垂直入射太阳光的会聚，在提升光伏系统发电效率的同时，还能够大幅减少光伏材料使用面，而且用来聚光的材料如玻璃、有机高分子材料或者铁皮、铝片的生产成本都显著低于传统晶硅太阳能电池材料。
一般太阳能电池都是由单一材料作为活性层制备而成，只能吸收特定波段范围的太阳光，故无法吸收的部分浪费掉了。另外，在发电的过程中，大量的光伏发电设备会遮挡相当一部分的土地资源，导致大量的土地不能用于植被生长。
美国能源部可再生能源实验室（NREL）的相关专家搜集了美国72%已经安装或在建的太阳能发电设备的数据，研究发现：通常情况下，一个大型固定倾斜光伏设备每年每产出1000兆瓦时，平均需要11331平方米的土地用于放置太阳能电池板。这意味着，一个提供1000个家庭所有电力需求的太阳能发电厂，将需要使用近13万平方米的土地。另外，一个小型单轴光伏系统每年每产出1000兆瓦时，平均需要11735平方米土地，不仅如此，连聚焦式太阳能发电设备每年每产出1000兆瓦时平均需要10926平方米土地。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，既能采用高效率的碟式反射聚光光伏发电模式，又能合理分配植物与光伏转换电池二者所需要的光谱，在有效提升光伏系统发电效率的同时，又能保证该发电系统装置下的植物能正常生长。
本发明所采用的技术方案是：一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：包括大面积碟式抛物面聚光器、太阳能发电装置；
所述大面积碟式抛物面聚光器为透明材质，其反射面上设置有光学分光薄膜，利用光学分光薄膜将投射到大面积碟式抛物面聚光器的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过大面积碟式抛物面聚光器照向植物，一部分反射汇聚形成光斑，由太阳能发电装置接收。
作为优选，所述太阳能发电装置由匀光处理单元、聚光光伏电池阵列、高效集成水制冷散热单元组成；
所述匀光处理单元上罩设有由侧壁和盖板组成的封装结构体，封装结构体四周均设有冷却水槽，四个冷却水槽用管道连通，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道相连通；
所述匀光处理单元固定设置在所述聚光光伏电池阵列上，聚光光伏电池阵列背部与所述高效集成水制冷散热单元相接；所述高效集成水制冷散热单元固定设置在太阳能发电装置安装底座底部，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道相连通；
冷却水导入与导出管道一端固定设置在太阳能发电装置安装底座上，另一端固定设置在所述大面积碟式抛物面聚光器外沿上，用于支撑所述太阳能发电装置，以及导入与导出冷却水。
作为优选，所述装置还包括双轴自动追踪系统，所述大面积碟式抛物面聚光器通过立柱设置在底座上，在双轴自动追踪系统的控制下自动跟踪太阳，双轴自动追踪系统的拉杆分别与底座上的立柱和大面积碟式抛物面聚光器相连接，用于控制大面积碟式抛物面聚光器的反射抛物面始终跟踪入射太阳光。
作为优选，所述装置还配置有给水泵供电的太阳能电池板，所述给水泵供电的太阳能电池板固定安装在太阳能发电装置安装底座的顶部。
作为优选，所述大面积碟式抛物面聚光器由N个扇形抛物片拼装而成，其中N取正整数。
作为优选，所述高效集成水制冷散热单元由镂空的M片铜片构成；每片铜片上均设置有供冷却水通过的镂空路径，并通过与进出水口与所述冷却水导入与导出管道相连通，其中M为正整数。
作为优选，所述光学分光薄膜由多层介质膜组成，通过调控每层薄膜的折射率和厚度，不同波长的光会在不同折射率的界面处干涉叠加，最终只能使特定波长的光能透过薄膜，其余部分光反射，继而可将太阳光进行空间光谱分离，即能满足植物对太阳光的需求，也能保证光伏发电效率。
本发明为了使有限的土地资源得到充分利用，在碟式聚光太阳能光伏发电系统上进一步改进，将高效率的碟形抛物反射面采用玻璃材料制作，并且在该碟式抛物面上贴一层光学薄膜，将太阳光谱进行分离，使得有利于植物生长太阳光波段透射到地面，而另一部分太阳光反射聚焦供太阳能电池发电，这样既提高了太阳能的利用率，又提高了土地的利用率。
附图说明
图1是本发明实施例的结构图。
图2是本发明实施例中太阳能发电装置的内部结构图。
图3是本发明实施例的实际运用示意图。
图4是本发明实施例在一般情况下叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱图。
图5是本发明实施例中白菜的吸收光谱图。
图6是本发明实施例中玉米的吸收光谱图。
图7是本发明实施例中晶体Si电池的外量子效率谱图。
图8是本发明实施例中CuInxGa(1-x)Se2（CIGS）薄膜太阳能电池的外量子效率谱图。
图9是本发明实施例中GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池的外量子效率谱图。
图10是本发明实施例中太阳光经过光学滤光薄膜分光后，分别被白菜和GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池接收的光线谱图。
图11是本发明实施例中透射光谱范围为420-460nm和630-670nm的多层介质膜仿真图。
图12是本发明实施例中多层介质膜与植物中的叶绿素a和叶绿素b的匹配效果图。
图13是本发明实施例中一般情况下植物与Si太阳能电池的吸收太阳光波段情况。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1、图2和图3，本发明提供的一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，包括大面积碟式抛物面聚光器1、太阳能发电装置2、双轴自动追踪系统5；太阳能发电装置2由匀光处理单元201、聚光光伏电池阵列203、高效集成水制冷散热单元204组成；匀光处理单元201上罩设有由侧壁和盖板组成的封装结构体，封装结构体四周均设有冷却水槽202，四个冷却水槽202用管道连通，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道4相连通；匀光处理单元201固定设置在聚光光伏电池阵列203上，聚光光伏电池阵列203背部与高效集成水制冷散热单元204相接；高效集成水制冷散热单元204固定设置在太阳能发电装置安装底座3底部，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道4相连通；冷却水导入与导出管道4一端固定设置在太阳能发电装置安装底座3上，另一端固定设置在大面积碟式抛物面聚光器1外沿上，用于支撑太阳能发电装置2，以及导入与导出冷却水。
本实施的大面积碟式抛物面聚光器1通过立柱设置在底座6上，在双轴自动追踪系统5的控制下自动跟踪太阳，双轴自动追踪系统5的拉杆分别与底座6上的立柱和大面积碟式抛物面聚光器1相连接，用于控制大面积碟式抛物面聚光器1的反射抛物面始终跟踪入射太阳光。
本实施的大面积碟式抛物面聚光器1为透明材质，其反射面上设置有光学分光薄膜，利用光学分光薄膜将投射到大面积碟式抛物面聚光器1的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过大面积碟式抛物面聚光器1照向植物，一部分反射汇聚形成光斑，由太阳能发电装置2接收。
本实施例还配置有给水泵供电的太阳能电池板，给水泵供电的太阳能电池板固定安装在太阳能发电装置安装底座3的顶部。
实施的大面积碟式抛物面聚光器1的碟式抛物面由可透过太阳光的玻璃制成，并通过8片厚度为4mm的玻璃扇形抛物面结构拼装成为一个完整的碟式抛物面结构，每片又由3部分拼接而成。碟式抛物面焦距为2200mm，聚光倍数达到700倍。玻璃碟式抛物面上贴有光学分光薄膜，将太阳光谱进行空间分离，将投射到大面积碟式抛物面聚光器1的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过碟型玻璃照向植物，由植物接收；一部分反射会聚形成光斑。
本实施例采用的光学分光薄膜由多层介质膜组成，基于介质膜设计理论和特殊的生产工艺，通过调控每层薄膜的折射率和厚度，不同波长的光会在不同折射率的界面处干涉叠加，最终只能使特定波长的光能透过薄膜，其余部分光反射，继而可将太阳光进行空间光谱分离，即能满足植物对太阳光的需求，也能保证光伏发电效率。
本实施例的匀光处理单元201直接附于聚光光伏电池阵列203表面，两者通过高透明度的硅凝胶进行密封封装。聚光光伏电池阵列203采用半导体封装方案、选用散热较好的基板进行封装。例如若选用Si电池或者Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池，则可将太阳能电池与导热性能良好的陶瓷覆铜DBC基板与层压紫铜板进行集成封装。
对于大多数绿色植物而言，主要是叶绿素a与叶绿素b吸收太阳光进行光合作用。参阅图4，一般情况下，叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱范围分别是420-460nm和630-670nm。
本实施例选取几种具体的植物进行分析。需根据具体植物对太阳光的吸收情况选择合适的太阳能电池与之匹配；例如图5中白菜吸收太阳光的波段为：350-800nm，图6中玉米吸收太阳光的波段为：350-750nm和1350-1650nm。
若取白菜作为参考植物来寻找最为合适的光伏电池来与之匹配，那么应采用低通滤波光学薄膜来实现光谱分离。
运用光学薄膜将波长高于700nm（或高于800nm）的太阳光反射给光伏电池。本专利研究了以下几种材料：参阅图7，晶体Si电池的外量子效率谱图中，有光响应的波段是300-1200nm；参阅图8，CuInxGa(1-x)Se2（CIGS）薄膜太阳能电池的外量子效率谱图中，有光响应的波段也是300-1200nm；参阅图9，GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池的外量子效率谱图中，有响应的波段是：700-1800nm，这几种材料理论上用在此系统中可做如下选择。
若采用CIGS薄膜太阳能电池，则最后吸收到的波段为700-1200nm，然而该电池为低倍聚光，不满足该系统的700倍聚光条件。若采用聚光Si太阳能电池，则依照叶绿素的吸收范围来缩短白菜的吸收光谱范围，则经过光学滤光薄膜之后其能吸收到的波段将会大于700-1800nm。若采用GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池，则经过光学滤光薄膜之后其能吸收到的波段为：700-1800nm。参阅图10，为太阳光经过光学滤光薄膜分光后，分别被白菜和GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池接收的光线谱图。那么，对于高聚光倍数的碟式聚光光伏发电系统而言，选择聚光Si太阳能电池和GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池均可。
若选取玉米作为参考植物来寻找合适的光伏电池来与之匹配，那么应采用带通滤波光学薄膜来实现光谱分离。
运用光学薄膜将波长介于750-1350nm之间的太阳光反射给光伏电池。那么将首先排除GaInAsP/GaInAs双结太阳能电池，因为1350-1800nm之间的波段如果电池不能吸收，则双结电池中GaInAs部分完全没有光照而无法正常工作。所以考虑Si电池和CIGS薄膜太阳能电池。若采用Si太阳能电池，则最后电池吸收到的波段为750-1200nm。若采用CIGS薄膜电池，则可降低系统聚光倍数使之与光伏电池匹配。
上述分析了本系统可采用的几种可行性方案。对于一般植物而言，本实施例以采用聚光硅电池为例，计算整个系统的效率。
本实施例用日本进口材料OS50和SiO2搭配使用制作层数为160的介质膜，使420-460nm和630-670nm波段的太阳光有较高的透过率，仿真图参阅图11。
420-460nm和630-670nm光谱范围的太阳光供给植物吸收，植物中的叶绿素a和叶绿素b正常工作，植物可正常进行光合作用，参阅图12。
在300nm-1200nm范围内除却420-460nm和630-670nm两部分波段的太阳光进行聚光反射，由太阳能电池接收。参阅图13，聚光Si电池实际接收太阳光的波段为300-420nm，460-630nm，以及670-1200nm。
最终可计算得出，聚光Si电池的效率可达到24.54%；而对于植物来说，其所需的光谱范围满足其生长条件，植物所接收到的光照度为4.8702klx。以下列举集中普通植物开花结果所需的最低光强：大麦和小麦为1.8~2.0klx，大豆为500lx，棉花为1000~1500lx，玉米为8klx,番茄为4klx，水稻为600-700lx，可见对于光照度而言足以满足大部分植物生长需求。
尽管本说明书较多地使用了大面积碟式抛物面聚光器1、太阳能发电装置2、二次匀光处理单元201、冷却水槽202、聚光光伏电池阵列203、高效集成水制冷散热单元204、太阳能发电装置安装底座3、冷却水导入与导出管道4、双轴自动追踪系统5、底座6等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：包括大面积碟式抛物面聚光器（1）、太阳能发电装置（2）；
所述大面积碟式抛物面聚光器（1）为透明材质，其反射面上设置有光学分光薄膜，利用光学分光薄膜将投射到大面积碟式抛物面聚光器（1）的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过大面积碟式抛物面聚光器（1）照向植物，一部分反射汇聚形成光斑，由太阳能发电装置（2）接收；
所述光学分光薄膜由多层介质膜组成，通过调控每层薄膜的折射率和厚度，不同波长的光会在不同折射率的界面处干涉叠加，最终只能使特定波长的光能透过薄膜，其余部分光反射，继而可将太阳光进行空间光谱分离，即能满足植物对太阳光的需求，也能保证光伏发电效率；分光的光谱范围和能量比例根据不同植物的生长需求进行设置；
所述光伏发电系统还包括双轴自动追踪系统（5），所述大面积碟式抛物面聚光器（1）通过立柱设置在底座（6）上，在双轴自动追踪系统（5）的控制下自动跟踪太阳，双轴自动追踪系统（5）的拉杆分别与底座（6）上的立柱和大面积碟式抛物面聚光器（1）相连接，用于控制大面积碟式抛物面聚光器（1）的反射抛物面始终跟踪入射太阳光。
2.根据权利要求1所述的有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述太阳能发电装置（2）由匀光处理单元（201）、聚光光伏电池阵列（203）、高效集成水制冷散热单元（204）组成；
所述匀光处理单元（201）上罩设有由侧壁和盖板组成的封装结构体，封装结构体四周均设有冷却水槽（202），四个冷却水槽（202）用管道连通，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道（4）相连通；
所述匀光处理单元（201）固定设置在所述聚光光伏电池阵列（203）上，聚光光伏电池阵列（203）背部与所述高效集成水制冷散热单元（204）相接；所述高效集成水制冷散热单元（204）固定设置在太阳能发电装置安装底座（3）底部，并通过进水口和出水口与冷却水导入与导出管道（4）相连通；
冷却水导入与导出管道（4）一端固定设置在太阳能发电装置安装底座（3）上，另一端固定设置在所述大面积碟式抛物面聚光器（1）外沿上，用于支撑所述太阳能发电装置（2），以及导入与导出冷却水。
3.根据权利要求1所述的有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述光伏发电系统还配置有给水泵供电的太阳能电池板，所述给水泵供电的太阳能电池板固定安装在太阳能发电装置安装底座（3）的顶部。
4.根据权利要求1所述的有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述大面积碟式抛物面聚光器（1）由N个扇形抛物片拼装而成，其中N取正整数。
5.根据权利要求2所述的有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统，其特征在于：所述高效集成水制冷散热单元（204）由镂空的M片铜片构成；每片铜片上均设置有供冷却水通过的镂空路径，并通过进水口、出水口与所述冷却水导入与导出管道（4）相连通，其中M为正整数。
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