CN106352563A - 聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组，该聚光光热系统包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器、和用于容纳传热流体的黑体腔；其中，该黑体腔具有被密封的入射窗口；该次级聚光器安装在入射窗口处，接收由初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至黑体腔内。本发明的聚光光热系统不仅可以降低系统成本、有利于系统的小型化，而且还能够减少系统的热损耗、提高系统的光热转换效率。

Description

聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组

技术领域

本发明涉及一种光热转换装置；更具体地讲，本发明涉及一种聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组。

背景技术

聚光光热系统可以利用汇聚的太阳光直接和/或间接加热作为传热流体的液体或气体介质，然后由传热流体为各种生产过程或人类生活所需提供热能。

图1是现有技术中的一种黑体太阳能光热光电转化器。如图1所示，该转化器包括具有至少一个开口部位2并构造为双层套管结构的黑体器件1，在黑体器件1的内部设置有包括太阳能光电转换涂层以及光热转换涂层的太阳能转换涂层3，开口部位2供聚焦后的阳光射入，光热转换涂层吸热后将热量传递到容纳于双层套管间的液体介质，加热液体介质以供使用。

图2和3示出了现有技术中的一种含有汇聚功能黑体腔的两级抛物型槽式太阳能聚光系统。如图2和3所示，该系统主要由反射镜和空腔式真空集热管组两部分组成，其中：反射镜包括主反射镜1和副反射镜2，主反射镜1和副反射镜2通过支架3相连接；空腔式真空集热管组主要由人工黑体腔外壳4和设置于人工黑体腔外壳4中的管式吸热器组5组成，人工黑体腔外壳4顶部开有入射口6；人工黑体腔外壳4位于主反射镜1和副反射镜2之间；副反射镜2的反射面为一个椭圆面，其椭圆面上焦点与主反射镜1焦点重合，椭圆面下焦点位于人工黑体腔外壳4中心处，副反射镜2将经过主反射镜1汇聚后的入射太阳光束进行再次反射，使太阳光束通过入射口6进入黑体4，黑体4吸收热量后传递给内有液体介质的管式吸热器组5，加热管式吸热器组5中的液体介质以供使用。

以上现有技术的主要缺点为：

1、入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值过大，导致黑体光学损失和热损耗增加

由黑体理论可知，射入黑体的光线大部分被吸收，少部分会被反射到入射窗口处而脱离黑体，这部分脱离黑体的光线就不能再加以利用，从而导致光线损失，损失的光线占总入射光线的比值称为黑体光学损失。黑体光学损失同入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值呈正相关，入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值越大，黑体的光学损失就越大。为减少入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值，可以采用扩大黑体内腔表面积和/或减小入射窗口面积的方法。由于成本、加工、安装、遮挡等问题的存在，黑体内腔表面积不可能无限扩大，因此入射窗口的面积大小就成为了影响黑体光学损失的重要因素。

对于以上现有技术而言，考虑到安装、加工精度及系统运行精度，聚光焦点并不是固定的，而是将聚光焦点设计在一定的范围内。为保证在此范围内的光线都能够射入黑体内腔，必须将入射窗口设计得较大，由此导致黑体光学损失和热损耗增加。

2、需要进行二次换热，导致热量应用范围缩减和光热转换效率降低

上述现有技术中，黑体吸收光线、转化为热能后，需要将热能传递给流体，通过流体的不断流动，提供稳定的热量供使用。在热量传递中，黑体涂层需要通过固体(如图1中的套管内层、图2和3中构成管式吸热器组5的管道)或流体(如图2和3中人工黑体腔外壳4和管式吸热器组5间所填充的流体)等其他中间介质才能将热量传递到最终可以利用的流体中。热量的多次传递增大了传热温差和热损耗，而增大传热温差会减少对热量的应用范围，增大热损耗则会降低整体的系统效率。

3、入射窗口处会产生对流换热，增大系统热损耗

对于图1中的现有技术而言，为增加光线透过率及减小工艺难度，入射窗口(开口部位)处是不进行密封的。当黑体吸收光线升温时，势必会加热黑体内腔的空气，加热后的空气会在入射窗口处与外界空气产生对流换热，并将热量传递到外界空气中，从而增大系统热损耗。

4、入射窗口位置必须在聚光焦点，对系统结构设计的限制较大

为保证光线入射到黑体内部，黑体的入射窗口必须在焦点位置，这会对系统机械支撑结构的设计构成较大限制，也使得机械支撑结构容易对光线产生遮挡，进而影响系统效率。

图4示出了现有技术中的另外一种光热转换系统。如图4所示，该光热转换系统包括聚光器1、接收器2、光缆或管道镜3、入射口4、散射器5、容器或管道6；其中，聚光器1是抛物线形的球形面或柱状面，接收器2与光缆或管道镜3相连，光缆或管道镜3与入射口4相连；接收器2位于聚光器1的焦点接受聚集的太阳光，并将聚焦后方向不一的太阳光线反射成方向基本一致的强太阳光束后传送给光缆或管道镜3；光缆或管道镜3将强光束多次反射，最终将强光束输送到入射口4；强光束经入射口4进入散射器5，散射器5将传播方向基本一致的强光束散射开来；容器或管道6接收经入射口4射入并经散射器5散射的太阳光束，在内部介质与内壁面吸收，将太阳光能转换成热能。

然而，这种光热转换系统仍然存在着诸多不足：首先，光缆或管道镜3无法保证全部光线发生全反射，由此导致产生光线损失，且其距离越长，光线损失越大；其次，接收器2形成为空腔结构，而空腔结构的反射光学损失会很大；再次，该系统需要先将聚焦后的光线反射成方向基本一致的光束，再利用散射器5对该光束进行散射，由此使得该系统的结构复杂化，而且传热流体中的杂质很容易附着在散射器5的表面，长期使用极易导致其散射性能及系统效率的显著降低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一方面提供了一种改进的聚光光热系统，其包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器和用于容纳传热流体的黑体腔；其中，该黑体腔具有被密封的入射窗口；该次级聚光器安装在入射窗口处，接收由初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至黑体腔内。

上述技术方案中，采用全反射式次级聚光器来将初级聚焦元件所汇聚的太阳光传送至黑体腔内，一方面，由于光线在次级聚光器内部发生全反射，因而基本上没有或只有非常少的反射损失；另一方面，由于进入次级聚光器光线入射端面的光线是角度各异的，经过各反射面的全反射后再从次级聚光器的光线出射端面射出时仍然是角度各异的，因此本发明中可以无需在黑体腔内设置散射器；进一步地，全反射式次级聚光器还可以使出射的光线更加均匀，避免因某一点处光线过于集中而产生的过热。

如前所述，入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值影响着黑体的光学损失。上述技术方案中，次级聚光器安装在入射窗口处，一方面，次级聚光器光线入射端面的面积可以设置得较大，以将各种条件下的初级聚焦元件的聚光焦点位置全部包括进去，而光线出射端面的面积只需要考虑满足次级聚光器内的全反射即可，因此光线入射端面的面积会大于光线出射端面的面积，相对于现有技术中使用入射窗口来收集光线而言，次级聚光器的光线入射端面做的较大可以增大入射光的入射范围，降低安装、加工及系统运行成本，并有利于系统的小型化；另一方面，黑体腔入射窗口的面积与次级聚光器光线出射端面的面积可以基本相同，因此较小的光线出射端面面积将会带来较小的入射窗口面积并增大黑体内腔的表面积，从而降低入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值，进而降低黑体的光学损失。

上述技术方案中，初级聚焦元件的聚光焦点不需要设置在黑体腔的入射窗口范围内，而只需要将该聚光焦点控制在具有较大面积的次级聚光器的光线入射端面范围内，且安装在入射窗口处的次级聚光器可以构造为具有不同的几何外形，其外形设计相对比较灵活，从而减少对黑体腔及系统机械支撑结构的设计限制，并可尽量避免因对光线的遮挡而影响系统效率。

上述技术方案中，黑体腔吸收光线并将其转化为热能后，直接将热能传递给传热流体，或由传热流体直接吸收光线并将其转化为热能，由此可以通过传热流体的不断流动，提供稳定的热量以供使用。由于热量只需要至多一次传递，因此减小了传热温差和热损耗，从而可增大热量的应用范围，并提高整体的系统效率。

上述技术方案中，由于黑体腔是密封的，因此在入射窗口处不会产生对流换热，从而可降低系统的热损耗。

由上可见，本发明的聚光光热系统不仅可以降低系统成本、有利于系统的小型化，而且还能够减少系统的热损耗、提高系统的光热转换效率。

本发明中，初级聚焦元件可以采用菲涅耳透镜、衍射透镜和/或反射镜。

本发明中，次级聚光器的光线入射端面和光线出射端面均可以是平面或曲面结构，位于光线入射端面和光线出射端面之间的反射面可以包括一个或多个曲面或平面。其中，进入光线入射端面的一部分入射光线会直接照射到光线出射端面，另一部分入射光线会在反射面进行一次或多次反射，由于该反射为全反射，没有折射光线射出次级聚光器，因而可避免或减少光学损失。

本发明中，次级聚光器可以具有多种不同的安装方式，例如，次级聚光器可以伸入黑体腔内，或者设置在黑体腔外部且使得光线出射端面靠近入射窗口。其中，当次级聚光器设置为伸入黑体腔(即伸入入射窗口)内时，光线出射端面可以位于黑体腔内、与黑体腔的内壁处于同一平面、位于黑体腔的内壁和外壁之间、或与黑体腔的外壁处于同一平面。

根据本发明的一种优选实施方式，将次级聚光器设置为伸入黑体腔的入射窗口内，并与黑体腔形成密封且固定连接。这样的好处在于：首先，由于入射窗口处的热损失主要是由热传导产生，而全反射式次级聚光器的材料导热系数都比较小，因此次级聚光器增加了入射窗口处的热阻，进而减小了此处的热损失；其次，这还更有利于系统的小型化，并降低其安装和加工难度与费用；进一步地，由光线出射端面所射出的光线可以不经其他介质而直接进入黑体腔内，从而消除或降低光线由次级聚光器进入黑体腔时的传输损失。

根据本发明的一种优选实施方式，次级聚光器的光线入射端面和光线出射端面的面积比大于等于2；更优选为大于等于5。一方面，这可以减小入射窗口面积，进而降低黑体腔的光学损失；另一方面，由于光线入射端面的相对面积较大，因此可使得次级聚光器更为容易地接收聚焦后的太阳光，并降低系统的制造难度。

根据本发明的一种优选实施方式，次级聚光器构造为使得进入其中的光线发生不超过两次全反射，从而使得进入其中的基本上全部或者绝大部分光线都能从其光线出射端面射出，进入黑体腔内。

本发明中，黑体腔的内表面可以分布有光热转换材料，以增加光热转换效率，该光热转换材料可以为例如电镀黑铬层、物理气相沉积氮氧化钛层、黑色搪瓷层，等等。另外，本发明中还可以进一步在黑体腔的外表面设置保温层。

本发明中，传热流体可以是液态或气态流体，如水、液态钠、异丁烷、导热油、硅油和空气，等等。作为一种具体实施方式，本发明的聚光光热系统可以采用液态流体作为传热流体；优选地，该传热流体可以为水或熔盐。

本发明中，聚光光热系统可以包括一个或多个通过流体管道相连通的黑体腔，每个黑体腔可以设置有一个或多个入射窗口。根据本发明的一种具体实施方式，每一黑体腔均具有至少两个入射窗口；次级聚光器的数量与入射窗口的数量相等，且次级聚光器和入射窗口之间一一对应。在该实施方式中，通过多个次级聚光器向黑体腔内传送光线，可以有效地提高传热流体的加热速度及系统的整体效率。

本发明的另一方面提供了一种光电光热联产模组，其包括聚光光伏系统以及上述的任意一种聚光光热系统；其中，该聚光光伏系统包括经由流体管道与黑体腔连接的接收器，该接收器用于将太阳能转换为电能，并加热流过接收器的传热流体。

具体而言，接收器(又称光伏电池组件)中的光伏电池将太阳辐射转变成直流电，且在产生电的同时会产生热量，因而其是一种光热光电联产模块。基于光电转换效率的限制，接收器所接收光线中仅有一部分转换为直流电，因而接收器所产生的电能和热能的比例是一定的，且其通常只能将传热流体加热到较低温度。本发明中，在一个光电光热联产模组内，通过简单地调整接收器和黑体腔的数量，既可以得到不同比例的电能和热能，也可以得到不同温度的传热流体，从而满足用户的不同需求。

本发明中，可以将流体管道的管体直接或间接地附接到接收器上，以在二者之间形成热通路，使得接收器中的热量传递至与其相附接的流体管道部分并间接加热流过接收器的传热流体；或者在接收器中(例如接收器的散热基板中)设置流体通道，并使得流体管道与接收器中所设置的流体通道相连通，以利用接收器所产生的热能直接加热流过接收器的传热流体。

作为一种优选实施方式，上述技术方案中，在传热流体的流动路径上，接收器位于黑体腔的上游侧。这样的好处在于，未经黑体腔加热的传热流体具有相对较低的温度，其可以快速吸收并带走接收器所散发的热量，使接收器中的光伏电池始终处于适当的工作温度下，避免接收器因温度过高而造成的损坏或工作效率降低。

为了更清楚地阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是现有技术中一种黑体太阳能光热光电转化器的结构示意图；

图2是现有技术中一种含有汇聚功能黑体腔的两级抛物型槽式太阳能聚光系统的结构示意图；

图3是图2中空腔式真空集热管组的放大结构示意图；

图4是现有技术中另外一种光热转换系统的结构示意图；

图5是作为本发明一种优选实施例的聚光光热系统的正面剖视图；

图6是图5所示聚光光热系统的侧面视图；

图7是作为本发明一种实施例的次级聚光器的结构图；

图8是作为本发明另一实施例的次级聚光器的结构图；

图9是作为本发明再一实施例的次级聚光器的结构图；

图10是作为本发明一种优选实施例的光电光热联产模组的结构示意图。

具体实施方式

聚光光热系统实施例1

图5和图6示出了作为本发明一种优选实施例的聚光光热系统，其中图5是该系统的正面剖视图，图6是该系统的侧面视图。如图5和图6所示，本实施例的聚光光热系统包括作为初级聚焦元件的反射镜1、作为全反射式次级聚光器的二次镜2、黑体腔3、容纳于黑体腔3中的传热流体4、连接至黑体腔3的流体管道5。其中，黑体腔3上设置有多个入射窗口(图中未示出)，二次镜2伸入黑体腔3的入射窗口内，并与黑体腔3形成密封且固定连接。

本发明中，反射镜1的主要作用是将其所接受的平行太阳光线聚焦到二次镜2的光线入射端面201(参见图7-9)。反射镜1可以由玻璃、金属、硅胶等材料制造，并优选在其上表面和/或下表面镀覆反射层，该反射层的几何形状可以形成为球面、旋转抛物面等任意能够将平行光线聚焦的形状。

本发明中，二次镜2的主要作用是接收由反射镜1所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至黑体腔3内，其可以由玻璃、硅胶、石英等透明材料制造，并形成为实心结构。

图7至9分别示出了一种可应用于本发明聚光光热系统的二次镜2。如图7至9所示，本发明中的二次镜包括具有较大面积的光线入射端面201、具有较小面积光线出射端面202、和位于光线入射端面201和光线出射端面202之间的反射面203；其中，光线入射端面201和光线出射端面202具有基本上相同的形状。结合图5和图6，反射镜1的聚光焦点位于二次镜2的光线入射端面201的范围内。反射镜1所聚焦的光线由光线入射端面201进入二次镜2内部，一部分入射光线会直接照射到光线出射端面202，另一部分入射光线会在反射面203进行一次或多次全反射，最后基本上所有光线均通过光线出射端面202射出二次镜2，进入黑体腔3内。本发明中，实心结构的二次镜2设计为使得进入其中的光线在其反射面203产生的反射为全反射，没有折射光线射出二次镜2，避免了光学损失。

由图7至9可见，本发明中二次镜2的光线入射端面201和光线出射端面202均可以是平面或曲面结构，反射面203可以包括一个或多个曲面或平面。考虑到安装、加工精度及系统运行精度，初级聚焦元件1的聚光焦点并不是固定的，而是设计在一定范围内，二次镜2的光线入射端面201具有较大面积可以保证将各种情况下的光线都收集到二次镜2内部。

全反射式二次镜2的具体结构设计属于本领域的常规技术，本领域技术人员可以通过例如光学设计软件ZEMAX等进行辅助设计来实现，故在此省略对其的进一步详细描述。

本发明中，黑体腔3可以使用金属、塑料或胶体等材料制造，并可以在其外部形成保温结构(保温层)。其中，视流过黑体腔3的传热流体温度可以使用不同的保温方式。黑体腔3的几何外形可以为球形、椭球形、圆柱形、椭圆柱或不规则形体等任意几何形状。在本发明的一些实施例中，可直接利用黑体腔3内壁或传热流体4吸收入射光线；在本发明的另一些实施例中，为了增加转换效率，也可在黑体腔3内壁涂高效光热转换材料。进入黑体腔3的入射光线大部分被吸收转化为热能，小部分在黑体腔3的内壁反射，经过多次吸收、反射过程，绝大部分光能都转化为热能。

本实施例中，传热流体4可以使用水、熔盐等热容量较大的液体。传热流体4可以在黑体腔3内部流动，直接与黑体腔3内壁的光热转换材料接触，将其吸收的热量带走以供使用。

需要说明的是，虽然图5中仅示出了一个黑体腔3，但本领域技术人员容易理解，基于用户的不同需求，本发明的聚光光热系统可以包括多个黑体腔3，且多个黑体腔3之间可以通过流体管道5依次连接。

聚光光热系统实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：二次镜设置在黑体腔外部，且二次镜的光线出射端面设置为靠近并基本上正对黑体腔的入射窗口，该入射窗口被透明材料层所密封，由二次镜的光线出射端面所射出的光线穿过透明材料层后进入黑体腔内。

光电光热联产模组实施例

图10示出了作为本发明一种优选实施例的光热光电联产模组，其包括聚光光伏系统10B和上述实施例1的聚光光热系统10A。其中，聚光光伏系统10B包括反射镜101、二次镜102和接收器(光伏电池组件)103；接收器103经由流体管道100与黑体腔3连接，且在传热流体4的流动路径上，接收器103位于黑体腔3的上游侧。反射镜101和二次镜102分别与聚光光热系统10A中的反射镜1和二次镜2具有相同的结构，且反射镜101被配置为把太阳光聚焦到二次镜102的光线入射端面，二次镜102的光线出射端面与接收器103中的光伏电池相配合，以向光伏电池传输光线，并利用光伏电池将太阳能转换为电能。由于光电转换效率的限制，接收器103中同时产生热能，该热能可加热流过接收器103的传热流体4。经接收器103加热的传热流体4进一步流至黑体腔3内，并被进一步加热。

需要说明的是，虽然图10中仅示出了一个接收器103和一个黑体腔3，但本领域技术人员容易理解，本发明的光热光电联产模组中接收器103和黑体腔3的数量可以基于用户的不同需求而设置，以得到不同比例的电能和热能、以及不同温度的传热流体。

虽然以上通过优选实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，凡依照本发明所作的同等改进，应为本发明的发明范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种聚光光热系统，包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器和用于容纳传热流体的黑体腔；其中，所述黑体腔具有被密封的入射窗口；所述次级聚光器安装在所述入射窗口处，接收由所述初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至所述黑体腔内。

2.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，所述次级聚光器伸入所述黑体腔的入射窗口内，并与所述黑体腔形成密封且固定连接。

3.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，所述次级聚光器的光线入射端面和光线出射端面的面积比大于等于2。

4.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，所述次级聚光器构造为使得进入其中的光线发生不超过两次全反射。

5.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，所述黑体腔的内表面分布有光热转换材料。

6.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，所述的传热流体为液态流体。

7.如权利要求6所述的聚光光热系统，其中，所述的传热流体为水或熔盐。

8.如权利要求1所述的聚光光热系统，其中，每一所述黑体腔均具有至少两个入射窗口；所述次级聚光器的数量与所述入射窗口的数量相等，且所述次级聚光器和所述入射窗口之间一一对应。

9.一种光电光热联产模组，包括聚光光伏系统以及如权利要求1至8任一项所述的聚光光热系统；其中，所述的聚光光伏系统包括经由流体管道与所述黑体腔连接的接收器，所述接收器用于将太阳能转换为电能，并加热流过所述接收器的传热流体。

10.如权利要求9所述的光电光热联产模组，其中，在所述传热流体的流动路径上，所述接收器位于所述黑体腔的上游侧。