CN106482356B - 一种聚光型太阳能光热光电混合收集器 - Google Patents

一种聚光型太阳能光热光电混合收集器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，包括内部充满半透明液体的石英集热管、光伏电池及其冷却通道，还包括布置于石英集热管两侧的反射镜，包围在石英集热管、光伏电池及电池冷却通道外部的石英玻璃管，以及石英玻璃管两端的金属端盖，热膨胀抵消结构。石英玻璃管将石英集热管密闭在真空环境内，减少了石英集热管的热损失，石英集热管被设计成单面或双面内凹型的通道，使光伏电池处的入射光线更加均匀，提高光电效率，提高石英集热管的承压能力，热膨胀抵消结构吸收了石英集热管在高温下发生的轴向热形变。与现有技术相比，本发明有效的提高了光热光电混合收集器的太阳能利用效率，解决了石英集热管热膨胀、耐压问题，改善混合收集器的稳定性。

Description

一种聚光型太阳能光热光电混合收集器
技术领域
本发明涉及太阳能热电联用技术领域，尤其是涉及一种聚光型太阳能光热光电混合收集器。
背景技术
太阳能是重要的可再生能源，具有总量大、分布广泛、清洁安全等特点。高效利用太阳能成为解决全球能源短缺和环境污染问题的有效方式之一。
传统的太阳能光热光电混合收集系统通常采用在光伏电池背面布置冷却通道的方式来收集热能。然而，由于受光伏电池操作温度的限制，这样的系统无法获得较高温度的热能，这限制了其在工业领域的拓展。近期，基于纳米流体的太阳能光谱分频技术解除了光电单元和光热单元的热耦合，无法被光伏电池有效转化为电能的太阳能辐射波段首先被纳米流体过滤、吸收并转化为热能，而其余的波段的太阳辐射透过流体后被光伏电池转化为电能。这种技术降低了光电单元的温度，提高了光电转换效率，同时提高了光热单元的温度，提升了光热单元的产热效率和品位，从而进一步增加了太阳能的利用总效率。
采用基于纳米流体的光谱分频技术可有效提高太阳能光热光电混合收集系统中光热单元的集热温度，但光热单元与环境的导热、对流、辐射散热损失随着其温度升高而不断增加，这种热损失降低了光热单元发热效率，限制了光热单元工作的最高温度。因此，将光热单元密闭在真空中可以有效的减少其热损失，提高其热效率和集热温度。在采用了真空隔热技术之后，真空环境中的石英集热管需要承受内部液体的压力，而且石英集热管受热之后会发生热膨胀。由于石英集热管通常采用石英玻璃，所以必须采取适当的措施解决石英集热管的承压和热膨胀这两个难题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，通过双层真空管密封结构减少光热单元的热损失，提高光热单元的热效率和工作温度，利用金属波纹管解决了光热单元的热膨胀问题；同时，利用光热管对汇聚光线的折射效应，使透过光热单元的光线更加均匀地分布于光电单元，降低了光电单元的工作温度，提高了光电效率。通过上述方式获得更高的太阳能转换效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，包括石英玻璃管，以及安装在石英玻璃管内的石英集热管和光伏电池，所述的石英集热管设置在光伏电池的上方，其内部充满半透明吸热流体，所述的石英集热管为由透明的石英玻璃制成的不规则形截面管道，其中，石英集热管的光线入射面呈内凹状，光线出射面呈平面或内凹状，所述的石英集热管的两端还分别安装有一个起热膨胀抵消作用的金属波纹管。通过石英集热管中的吸热流体吸收太阳光中光辐射，不能被液体吸收的太阳辐射可透过石英集热管，透射至石英集热管下部的光伏电池并转化为电能。所述石英集热管被设计成单面或双面内凹型的通道，一方面可将汇聚的光线转化为平行光或发散的光线，更加均匀地入射至光伏电池，防止电池局部过热；另一方面可提高所述石英集热管对内部液体的承压能力，防止管内流体压力对于石英集热管的破坏。
所述的石英玻璃管的两端还分别安装有用于密封的金属端盖，所述的金属波纹管上安装有支撑模块，支撑模块的一端与金属波纹管之间滑动接触，另一端与金属端盖固定连接；当石英集热管发生热膨胀时，金属波纹管在支撑模块的引导下轴向移动，以抵消热膨胀作用。
所述的石英集热管通过法兰密封结构连接金属波纹管，在石英集热管与金属波纹管之间还设有耐高温密封圈。
在石英玻璃管的金属端盖上还设有电线引出接口，其用于穿出光伏电池的输电线，电线引出接口的其余空隙采用密封胶填实。
在石英集热管的两端还布置有反射镜。
在光伏电池的背面还设有电池冷却通道，在电池冷却通道内通导热流体。
所述的电池冷却通道为通过导热胶与光伏电池粘接的内部中空的金属管。
所述的石英玻璃管内部为真空环境。
本发明首先将光热单元密闭在真空中可以有效的减少其热损失，提高其热效率和集热温度。在采用了真空隔热技术之后，真空环境中的石英集热管需要承受内部液体的压力，而且石英集热管受热之后会发生热膨胀。因此，进一步采用金属波纹管与耐高温密封圈组成的热膨胀抵消结构，这样的结构可抵消由于所述石英集热管受热膨胀产生的热应力，使所述石英集热管在高温下不易损坏，且其密封结构可使石英集热管处于密封状态，并避免了石英集热管与金属的焊接。同时，利用光热管对汇聚光线的折射效应，使透过光热单元的光线更加均匀地分布于光电单元，降低了光电单元的工作温度，提高了光电效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)有效减少系统热损失。利用真空隔热措施将光热单元和光电单元密封在真空环境内，能够有效地减少光热单元与环境散热损失。这使光热单元可以工作在更高的温度下，提高了光热单元的产热效率和产生热能的品位。
(2)解决石英集热管承压问题。石英集热管被设计成单面或双面内凹型的通道，一方面可将汇聚的光线转化为平行光或发散的光线，更加均匀地入射至光伏电池，防止电池局部过热；另一方面可提高所述石英集热管对内部液体的承压能力，防止管内流体压力对于石英集热管的破坏。
(3)解决石英集热管热膨胀问题。利用热膨胀抵消结构吸收光热单元在高温下产生的轴向热膨胀，有效降低了光热单元损坏的可能性，增加了系统可靠性。
(4)有效解决了石英玻璃管与金属波纹管、金属端盖等的连接问题。利用法兰和密封圈的连接方式，避免了金属管和玻璃管焊接，也保证了管之间的密封性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的径向剖面示意图；
图3为本发明的热膨胀抵消结构的示意图；
图中，1-石英玻璃管，2-石英集热管，3-光伏电池，4-热膨胀抵消结构，5-反射镜，6-支撑模块，7-电线引出接口，8-电池冷却通道，9-法兰密封结构，10-金属端盖，11-耐高温密封圈，12-金属波纹管，13-入射光线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其结构如图1和图2所示，包括石英玻璃管1、石英集热管2、光伏电池3、电池冷却通道8、热膨胀抵消结构4、反射镜5、支撑模块6、电线引出接口7、法兰密封结构9、金属端盖10、耐高温密封圈11、金属波纹管12，光伏电池3、石英集热管2和电池冷却通道8被密封在石英玻璃管1之内，其内部为真空状态。
石英集热管2被设计成单面或双面内凹型的通道，当石英集热管2内部通过液体时，由于光的折射作用，其具有的特殊结构可使汇聚的光线再次变为平行光(下表面为平面)或发散光(下表面为内凹面)，这样可提高到达光伏电池3表面光线的均匀性，使光伏电池3的光电效率得到提升。另一方面，石英集热管2的这种结构可提高其对液体的承压能力，避免管内液体的压力对易碎石英管的损坏。石英集热管2内部充满可对阳光辐射进行部分吸收的半透明流体，其吸收适合产热的太阳辐射转变成热能，透过适合发电的太阳辐射至光伏电池3；
光伏单元用于对适合发电的太阳辐射进行光电转换，其通过导热胶粘贴在冷却通道的外侧表面。电池冷却通道8的内部具有通道，通道内有导热流体，用于收集光伏电池3在发电同时产生的热量。
如图3所示，热膨胀抵消结构4包括带有法兰接头的金属波纹管12和耐高温密封圈11。石英集热管2一端与金属波纹管12一端采用法兰密封结构9连接，法兰密封结构9中间安装耐高温密封圈11以保证管段密封，金属波纹管12另一端与金属端盖10焊接以保证密闭，防止流体穿过该混合收集器时发生泄露。当石英集热管2在高温下发生轴向热膨胀时，金属波纹管12被压缩以吸收形变，防止石英集热管2破损。
支撑模块6上部套在金属波纹管12的一端，用于支撑石英集热管2和热膨胀抵消结构4，使得金属波纹管12发生形变时可在该环内轴向移动。支撑模块6下部与电池冷却通道8相连接以固定光伏电池3。
反射镜5可将石英集热管2和光伏电池3反射、折射出的光重新反射回光伏电池3和石英集热管2，以提高系统光学效率。
电线引出接口焊接在金属端盖10上，光伏电池3的输电线穿过引出口，引出口的空隙填充有密封胶，保证了石英玻璃管1的密闭。
该系统运行时，被聚焦的入射光线13穿过石英玻璃管1投射到石英集热管2上，石英集热管2内流体对太阳光进行部分吸收，适合发热的光热波段能量被石英集热管2吸收转换成热能，适合发电的光电波段被透射到光伏电池3上进行发电。光伏电池3发电的同时产生的热量使电池表面温度升高，粘贴在光伏电池3背面的冷却通道内的冷却流体被加热，以带走电池热量，降低电池温度。
本发明在已有研究的基础上，将真空隔热技术、热膨胀补偿技术与聚光技术相结合，提出了一种聚光型光热光电混合收集器。采用的聚光技术减少了光伏电池3和太阳能石英集热管2的使用面积，降低了系统成本，同时提高了单位面积光电单元的发电量和光热单元的产热温度。采用真空隔热技术密闭光热单元进一步减少了光热单元的热损失，提高了系统热效率，进而提高了系统的太阳能利用总效率；采用热膨胀补偿技术解决了石英集热管2在高温下的热膨胀问题，增加了系统的稳定性；石英集热管2的特殊形貌有助于增强其对内部液体的承压，同时也使汇聚的光线更加均匀地分布于光电转化单元。
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使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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)

1.一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，包括石英玻璃管(1)，以及安装在石英玻璃管(1)内的石英集热管(2)和光伏电池(3)，所述的石英集热管(2)设置在光伏电池(3)的上方，石英集热管(2)内部充满半透明吸热流体，其特征在于，所述的石英集热管(2)为由透明的石英玻璃制成的不规则形截面管道，其中，石英集热管(2)的光线入射面呈内凹状，光线出射面呈平面或内凹状，所述的石英集热管(2)的两端还分别安装有一个起热膨胀抵消作用的金属波纹管(12)。
2.根据权利要求1所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，所述的石英玻璃管(1)的两端还分别安装有用于密封的金属端盖(10)，所述的金属波纹管(12)上安装有支撑模块(6)，支撑模块(6)的一端与金属波纹管(12)之间滑动接触，另一端与金属端盖(10)固定连接；当石英集热管(2)发生热膨胀时，金属波纹管(12)在支撑模块(6)的引导下轴向移动，以抵消热膨胀作用。
3.根据权利要求2所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，所述的石英集热管(2)通过法兰密封结构(9)连接金属波纹管，在石英集热管(2)与金属波纹管之间还设有耐高温密封圈(11)。
4.根据权利要求2所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，在石英玻璃管(1)的金属端盖(10)上还设有电线引出接口(7)，电线引出接口(7)用于穿出光伏电池的输电线，电线引出接口(7)的其余空隙采用密封胶填实。
5.根据权利要求1所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，在石英集热管(2)的两端还布置有反射镜(5)。
6.根据权利要求1所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，在光伏电池(3)的背面还设有电池冷却通道(8)，在电池冷却通道(8)内通导热流体。
7.根据权利要求6所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，所述的电池冷却通道(8)为通过导热胶与光伏电池(3)粘接的内部中空的金属管。
8.根据权利要求1所述的一种聚光型太阳能光热光电混合收集器，其特征在于，所述的石英玻璃管(1)内部为真空环境。
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