CN106533328B - 集成式太阳能利用装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种集成式太阳能利用装置及系统，其中装置包括至少一个光电转换元件和至少一个热电转换元件。其中热电转换元件包括至少一个用于热量流入的第一热传导端，光电转换元件与第一热传导端导热连接。当热电转换元件为温差式发电元件时，其还包括至少一个用于热量流出的第二热传导端，当第一热传导端的温度高于第二热传导端的温度时，热电转换元件输出电能。由于利用热电转换元件对光电转换元件产生的热能进行进一步地电能转换，使得未被光电转换元件利用的太阳能能够再次得到利用，从而可以有效提升利用太阳能发电的能量转换效率。

Description

集成式太阳能利用装置及系统

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域，具体涉及一种对太阳能进行利用的集成式太阳能利用装置及系统。

背景技术

随着对环境保护的日益重视，太阳能系统得到了越来越广泛的应用。目前使用的太阳能系统基本可分为供电和供热两大类。

在用于供电的太阳能系统中，又可分为采用光电转换来发电的系统和采用光热转换来发电的系统。其中，采用光电转换来发电的系统主要是利用光伏板直接将所吸收的太阳能部分转换成电能。而采用光热转换来发电的系统主要是利用太阳能对工作介质进行加热使之汽化，再由汽化的介质驱动汽轮机等发电设备进行发电。此外，也有直接利用热能来发电的太阳能系统，例如使用斯特林（Stirling）发电机或其他直接热电转换装置的太阳能系统。

不管是哪种类型的太阳能发电系统，目前的能量转换效率仍有待提升。

发明内容

依据本发明的一方面提供一种集成式太阳能利用装置，包括至少一个光电转换元件和至少一个热电转换元件。其中热电转换元件包括至少一个用于热量流入的第一热传导端，光电转换元件与第一热传导端导热连接。热电转换元件可以是温差式发电元件或储能式发电元件。当热电转换元件为温差式发电元件时，其还包括至少一个用于热量流出的第二热传导端，当第一热传导端的温度高于第二热传导端的温度时，热电转换元件输出电能。当热电转换元件为储能式发电元件时，其还包括工作物质，工作物质用于将从第一热传导端流入的热量直接储存或转换为化学能进行储存，以及将所储存的能量转换为电能输出。热能的直接储存包括工作物质的温度升高或者相变，例如液化和汽化。化学能可包括物质分子的化学变化（例如电离、电解、化合和分解等）所储存的能量。

依据本发明的另一方面提供一种太阳能利用系统，包括上述集成式太阳能利用装置和第一循环系统。第一循环系统为开放式的或封闭式的循环系统，其包括用于加热第一工质的容器，第一管道系统，至少一个阀门和至少一个节点设备。容器上设置有至少一个第一工质入口和至少一个第一产物出口，至少集成式太阳能利用装置中的第二热传导端与容器中的第一工质导热连接。第一管道系统至少与第一产物出口连接，或者，至少与第一工质入口和第一产物出口连接。阀门用于控制第一管道系统中的一段管道的接通和关闭。节点设备连接在第一管道系统中，用于储存，或者用于能量转换，或者用于能量交换。

依据本发明的集成式太阳能利用装置将光电转换元件与热电转换元件集成在一起，利用热电转换元件对光电转换元件产生的热能进行进一步地电能转换，使得未被光电转换元件利用的太阳能能够再次得到利用，从而可以有效提升利用太阳能发电的能量转换效率。

依据本发明的太阳能利用系统，将集成式太阳能利用装置作为热源置入循环系统中，对循环系统的工质进行加热，不仅能够更充分地利用太阳光的能量，也有利于扩展更多的功能，例如可通过循环系统将太阳能转换为可以利用的其它方式的能量，如蒸汽提供的动能或可供长期储存的热能或化学能等。

以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。

附图说明

图1是依据本发明的集成式太阳能利用装置的结构示意图；

图2是本发明中用于生成菲涅尔折射面的两种共轴面的示意图；

图3是本发明中具有两个齿面的聚光元件的示意图；

图4是本发明中反射式菲涅尔透镜的结构示意图；

图5是依据本发明的多个热电转换元件的一种导热连接方式示意图；

图6是依据本发明的太阳能利用系统的一种结构示意图；

图7是实施例1的集成式太阳能利用装置的示意图；

图8是实施例1中热电转换元件的等效电路示意图；

图9是实施例1中集成有连接电路和导热元件的PCB示意图；

图10是实施例1中连接电路的一种开关布置方式的示意图；

图11是实施例1中热电转换元件在电路切换后的等效电路示意图；

图12是实施例2的集成式太阳能利用装置的示意图；

图13是实施例3的太阳能利用系统的示意图；

图14是实施例4的太阳能利用系统的示意图；

图15是实施例5的太阳能利用系统的示意图。

具体实施方式

依据本发明的集成式太阳能利用装置的一种基本结构可参考图1，包括光电转换元件110和热电转换元件120。

光电转换元件110可采用各种能够直接将光能转换为电能的元件，例如光伏板、光电薄膜等。所称光伏板例如可以是单晶硅光伏板、多晶硅光伏板、非晶硅光伏板、复合半导体材料光伏板等。装置中的光电转换元件的数量、种类以及布置方式可根据需要进行设计，例如以串联或并联或混合的方式进行布置。

优选地，装置中还可包括至少一个聚光元件（未图示），用于会聚太阳光以提供给光电转换元件。聚光元件具有至少一个聚光折射面，其可以具有较大的面积，以接收更多的太阳光。此外，聚光折射面（或者该折射面所在的光学元件的另一面）还可以镀有用于抗反射、增强透射率的膜，以减少太阳光在聚光元件中的反射损失，提高聚光效率。抗反射镀膜在一定程度上还能增强聚光元件的抗腐蚀性，从而提高聚光元件的寿命。此外，为提高装置对极端环境的适应性，还可在聚光元件的镜片上设置电加热元件，例如电热丝，用于除雪或除冰。

将聚光式的光电转换元件与热电转换元件集成，是特别有利的。事实上，热电转换效应的发现远早于光电转换效应，利用热能直接发电也比利用光能发电要早。但目前对光电转换的利用远远多于对热电转换的利用，一个重要的原因在于，当热能强度较低时，只能采用直接的热电转换方式，而当前光电转换的效率远超直接热电转换的效率，并且，在相同功率输出的情况下，光伏板的成本也远低于热电转换器的成本。然而，在使用聚光元件对大面积的太阳光进行会聚后，能够成倍缩减光伏板的使用量，从而使得产生的热能更为集中。在这种情况下，只需要配置少量的热电转换元件就能够大幅提高太阳能的直接发电效率，大大提升了使用热电转换元件的性价比。当热能强度足够强（即会聚的太阳能足够强）时，还能采用相对高效率的热能发电装置，如众所周知的斯特林（Stirling）发电机和蒸汽发电机等，从而进一步提高太阳能的利用效率。

优选地，聚光折射面可采用由菲涅尔透镜提供的齿面，为便于理解，以下先对相关概念进行介绍。

菲涅尔（Fresnel）透镜是一种薄型透镜。通过将普通透镜连续的原始曲面分割成若干段，在减少每段的厚度后将各段曲面置于同一平面或同一基本光滑的曲面上即形成为菲涅尔透镜。这种由原始曲面演变而来的不连续的折射面可称为菲涅尔折射面，一般呈阶梯状或齿状。理论上菲涅尔折射面与相应的原始曲面相比具有近似的光学性能，但厚度却大为减少。可以将由一个原始曲面（或原始曲面的一部分）生成的菲涅尔折射面称为一个菲涅尔单元。

传统的用于生成菲涅尔折射面的原始曲面一般为绕光轴对称的曲面，例如球面、旋转抛物面等旋转曲面。传统的原始曲面的焦点在一个点上，因此，可称为“共点面”。在本发明中，原始曲面可以是任何形式的共轴面，可根据应用的需要具体设置。所称共轴面是指焦点在同一直线上（而不一定是在同一个点上）的曲面，该直线可称为“共轴线”。传统的共点面可视为共轴面的共轴线退化为一个点时的特例。采用共轴但不共点的原始曲面，可以将用于设置在聚焦位置的感应元件从较小的面积（对应于焦点）扩展为长条形（对应于由焦点组成的共轴线），从而在不显著增加成本的情况下，提升信号收集的能力并有助于解决局部过热问题。典型的共轴面包括旋转曲面（含二次或高阶旋转曲面）、柱面、锥面等。其中柱面又可称为等截面共轴面，这种曲面沿着共轴线的垂直方向在任何一点切开，所得到的横截面的形状和大小都是一致的，圆柱面是柱面的一种特例。锥面沿着共轴线的横截面则具有相似的形状但大小不同，圆锥面是锥面的一种特例。图2示出了以上两种共轴面，其中图2(a)为等截面共轴面，图2(b)为锥形共轴面，其焦点F均位于各自的共轴线L上。

由一个或多个菲涅尔单元组成的宏观折射面可称为齿面，与之相对的基本光滑或平坦的面则可称为背面。可将只含有一个菲涅尔单元的齿面称为“简单菲涅尔折射面”，而将含有两个以上菲涅尔单元的齿面称为“复合菲涅尔折射面”。一般而言，复合菲涅尔折射面上各个菲涅尔单元的基本参数（例如，面积、焦距、所对应的原始曲面的形状、分割原始曲面所使用的同心环的数量等）均可以灵活布置，可以完全相同、部分相同或完全不同。在一种实施方式中，复合菲涅尔折射面上的每个菲涅尔单元各自有自己的光学中心，但焦点落在同一个点，或者一条直线，或者一个有限的区域内。这可以通过对构成该复合菲涅尔折射面的每个菲涅尔单元进行空间布置来实现。可以认为这些菲涅尔单元被布置在一个宏观曲面上，例如平面、二次曲面（包括球面、椭球面、圆柱面、抛物柱面、双曲柱面）、高阶多项式曲面（非球面的通常实现方式）、以及由多个平面拼接成的折面以及梯台面等。

齿面和背面可以灵活地组合以形成不同类型的元件。例如具有一个齿面和一个背面的菲涅尔透镜可称为“单面菲涅尔透镜”，进一步的，若齿面为“简单菲涅尔折射面”，则透镜为“单面简单菲涅尔透镜”，若齿面为“复合菲涅尔折射面”，则透镜为“单面复合菲涅尔透镜”。两面都是齿面的菲涅尔透镜可称为“双面菲涅尔透镜”，并同样可根据齿面的类型进一步分为“双面简单菲涅尔透镜”和“双面复合菲涅尔透镜”。若双面菲涅尔透镜的一个齿面为简单菲涅尔折射面，而另一个齿面为复合菲涅尔折射面，则可称为“双面混合菲涅尔透镜”。此外，作为一种变形，在双面菲涅尔透镜中，若齿面之一为“简单菲涅尔折射面”，则该齿面可以由一个传统的凸透镜面或凹透镜面来取代。

在同一光路上设置两个或更多的齿面可以使聚光元件具有更好的会聚能力。图3示出了一种具有两个齿面的聚光元件，其中，复合菲涅尔折射面s3和简单菲涅尔折射面s4既可以由一个双面菲涅尔透镜同时提供，也可以由两个单面菲涅尔透镜分别提供。

值得一提的是，系统中的两个齿面可以通过设置反射面的方式由同一个物理界面来充当。参考图4，元件FL1具有反射式的背面s1（内表面为镜面），背面s1可采用例如在单面菲涅尔透镜的光滑面镀反射膜或者粘贴具有反射能力的贴片等方式形成。由于反射，入射光路两次经过其物理折射界面s2，因此该物理界面等效于两个齿面，元件FL1也可被称为反射式菲涅尔透镜，并且这两个齿面的凹凸性质是一致的。通过设置反射式背面的方式，能够简便地增加光路中的齿面数，降低制作和安装的成本，并且大大丰富了菲涅尔透镜的使用形态。

本文中涉及的聚光元件及发散透镜均可采用具有凸透镜或凹透镜光学特性的菲涅尔透镜或菲涅尔透镜组合来充当。菲涅尔透镜可采用玻璃、树脂、透明塑胶等材料来制作。在采用玻璃时，还可以对玻璃进行钢化处理以提升其强度和安全性。

热电转换元件120包括至少一个用于热量流入的第一热传导端121，光电转换元件与第一热传导端121导热连接。目前光电转换元件的转换效率一般不超过20%，同时会产生大量的热能，依据本发明，这些热能可以被传导给热电转换元件以进一步利用。

在一些实施方式中，第一热传导端可以直接与光电转换元件接触以进行热传导，例如通常可设置在光电转换元件与被太阳光照射的表面（如图中箭头所示）相对的另一面处。在另一些实施方式中，第一热传导端也可以通过导热介质（例如导热硅胶或者导热液体）或导热元件（例如金属板）间接地与光电转换元件进行热交换。

热电转换元件可采用各种能够将热能转换为电能的元件，例如温差式发电元件或储能式发电元件。参考图1，若热电转换元件为温差式发电元件，其还包括至少一个用于热量流出的第二热传导端122，当第一热传导端的温度高于第二热传导端的温度时，温差式发电元件输出电能。温差式发电元件具体可以是例如半导体热电转换器、碱盐金属热电转换器（Alkali-metal thermal electric converter）等。若热电转换元件为储能式发电元件，其还包括工作物质，例如正负电极以及电解液，这些工作物质用于将从第一热传导端流入的热量转换为化学能进行储存，以及将所储存的化学能转换为电能输出。储能式发电元件具体可以是例如以加热方式再生的熔盐电池（melt salt battery）等。高温产生的热能还可用来驱动Stirling发电机、蒸汽发电机等，从而产生高于光伏板的电能转换效率。需要说明的是，熔盐电池也可以作为储能元件设置于装置中，用于储存热能或电能，使得装置能具有长期能量储存的能力，不仅能克服太阳能供电不稳定和多余能量浪费的问题，也能够进一步提高太阳能的利用效率。

热能已经被证明是一种可长期(如半年)、高效率（如99%）保存的一种能量形式。热能可通过热容量大的物质（如石腊、硝酸盐）及它们的相变来高密度地储存，所储存的热能可直接利用热电池（如熔盐电池）、热电转换转置来发电，也可用来驱动Stirling发电机、蒸汽发电机，余热还可用于作为热水或供暖系统的热源。

因此充分地利用太阳能所产生的热能，是提高太阳能利用率、降低太阳能系统成本的一种非常重要和有效的方法，而当前的太阳能发电系统里未能足够地重视热能。其重要原因之一是之前的太阳能聚光系统成本太高而效率不高。而本发明优选地使用菲涅尔透镜，尤其具有至少两层聚光折射面和/或有多个菲涅尔透镜单元的菲涅尔透镜聚光系统，从而在提高聚光效率的同时，降低了聚光系统的成本，使得对太阳能所产生的热能的利用更加方便和有效。此外，本发明与之前的太阳能热电系统（如Stirling太阳能发电机）的不同之处还在于，本发明首先用光电转换元件接受太阳能，让20%或更多的太阳能先直接转换成电能，然后将未被转换成电能的太阳能热能（70%左右）通过热电转换元件以及进一步的储存或利用装置进行储存和利用，从而大幅提高太阳能的利用效率，并同时解决能量的长期储存和发电量不稳定的问题。

装置中的热电转换元件的数量、种类以及布置方式可根据需要进行设计。在使用两个以上的热电转换元件时，可以采用相同或不同的类型，并以串联或并联的方式与光电转换元件导热连接。参考图5，热源（光电转换元件或者为其传导热能的导热元件）210周围设置有三个热电转换元件220a、220b、220c。其中，元件220a和220b以串联方式与热源导热连接，所称串联是指前一元件的热能流出端与后一元件的热能流入端连接；元件220c与元件220a/220b以并联方式导热连接，所称并联是指元件以彼此独立地导热通路与同一热源连接。在一些实施方式中，距离热源最近的热电转换元件220a和220c可采用工作温度较高的类型，例如碱盐金属热电转换器、熔盐电池、蒸汽发电机或Stirling热能发电机，距离热源较远的热电转换元件220b可采用工作温度较低的类型，例如半导体热电转换器。

此外，当采用温差式发电元件时，为保持温差以提高转换效率，第二热传导端可以与冷却介质131导热连接。例如，第二热传导端（或者为其传导热能的导热元件）可设置于装置底部并被浸泡在液体池中。液体池具体可以是水箱、池塘、湖泊、河流或海洋。装置底部的外表面可相应地进行防水或防腐处理，装置的外形也可进行适应性设计，例如设计为盆形，以便安装于水面。优选地，所使用的冷却介质还作为热能储存器的工作物质，以便于对能量进行进一步的回收利用，例如用于提供热水或房间供热。

优选地，光电转换元件和热电转换元件中的至少一者设置于一封闭腔体中，或者二者分别设置在两个相互嵌套的封闭腔体中，位于内部的腔体可优选用于设置光电转换元件。当光电转换元件设置于封闭腔体中时，该封闭腔体上还设置有至少一个光线入口，太阳光由导光元件引导经过光线入口进入到封闭腔体内。

为更好地储存和利用由太阳能转换得到的电能，还可以附加配置或者在装置中进一步集成以下列出的附加元件（未图示）：

电能储存器，其与发电元件（例如光电和热电转换元件）电连接，用于储存电能。电能储存器可选自超级电容、可充电电池、熔盐电池和空气压缩机等。电能储存器可通过连接的直流电压输出装置直接向用户提供各种电压的直流输出。

交流逆变器，其与电能储存器电连接或直接与发电元件电连接，用于将发电元件输出的直流电转换为交流电，例如60赫兹的120V或50赫兹的220V，其既可以直接向用户提供交流输出，也可以外接连网开关柜，将电能回馈到电网中。

状态感应器和状态显示器，分别用于感应和显示各种运行参数，这些运行参数可选自以下集合中的一种或多种：电压、电流、功率、冷却介质或其他工作物质的存量、压力和温度等。

控制器，用于根据状态感应器的感应结果对装置的工作状态进行控制。例如，控制整个装置的启动和关闭，选择工作模式，在感应到参数出现异常时进行自动报警等。

依据本发明的集成式太阳能利用装置不仅能显著增加太阳光直接转换为电能的效率，还可以降低光电转换元件的温度，从而延长其使用寿命。

依据本发明的太阳能利用系统的一种结构示意图可参考图6，包括依据本发明的各种集成式太阳能利用装置以及第一循环系统。

第一循环系统可以是开放式的或封闭式的循环系统。本文中所称“开放式的”是指系统中的工质是开路循环的，工质可以流出到系统外并从系统外补充，例如，在以水作为工质时，从外部供水系统接入冷水，然后将加热后的水提供给用户使用的系统即为一种开放式的循环系统，或者将水电解为氢气和氧气释放出去的系统也是一种开放式的循环系统。在开放式的循环系统中，管道并不需要构成回路。所称“封闭式的”是指系统中的工质为闭路循环的，工质在系统内部循环，基本不会产生损耗，例如，以制冷剂作为工质，使其在压缩机内压缩散热，然后在换热器处膨胀吸热的系统即为一种封闭式的循环系统。在封闭式的循环系统中，管道需要构成回路。一个循环系统也可以在开放式和封闭式之间切换，例如在管道构成回路的情况下，通过关闭系统对外连接的阀门使得系统从开放式系统变为封闭式系统。

第一循环系统包括容器332、由若干管道333（未完全标识出，图中的箭头表示管道中流体的流向）组成的第一管道系统、若干个阀门334（未完全标识出）和若干个节点设备335a、335b、335c、335d。

容器332用于加热第一工质。容器上设置有至少一个第一工质入口3321和至少一个第一产物出口3322。至少集成式太阳能利用装置（未图示）中的第二热传导端与容器中的第一工质导热连接。例如，第二热传导端可浸泡在容器中。

在一些实施方式中，集成式太阳能利用装置可整体或部分浸泡在容器中。在另一些实施方式中，容器同时也是集成式太阳能利用装置的一部分，第一工质从集成式太阳能利用装置中流过。对于开放式的循环系统而言，第一工质可以是水或空气等。对于封闭式的循环系统而言，也可以根据需要选择其他类型的第一工质，例如：酒精、制冷剂（氟利昂等）、液氮。

第一管道系统至少与第一产物出口连接，或者，参照图3，至少与第一工质入口和第一产物出口连接。

本实施例中采用阀门来控制第一管道系统中的管道的接通和关闭，每个阀门控制一段管道，可以根据需要给全部或部分管道配置阀门。简明起见，图中省略了部分设置在管道上的阀门。阀门可以是自动阀门，例如由管道中的压力控制开启或关闭的阀门，也可以是按照控制系统的指令进行电动控制的阀门。所采用的阀门还可以具有控制流量的功能。

节点设备连接在第一管道系统中，用于储存，或者用于能量转换，或者用于能量交换。通过配置各种节点设备能够实现丰富的功能。

图6中，假定第一工质为淡水或海水，第一产物为水蒸汽。节点设备335a为汽轮发电机，可利用水蒸汽发电。节点设备335b为蒸汽储存罐或空气压缩机，可用于储存能量。节点设备335c和335d分别为按照产物流向顺次连接的电解炉和反应炉。其中，电解炉用于接收水蒸汽并电解为氢气H2和氧气O2。电解产生的氧气可以接入储气罐（未图示）使之形成为工业用或医用氧气瓶。电解产生的氢气可以经过压缩机的压缩后储存起来，用作氢燃料电池或内燃机的燃料，可选地或替代地，还可以被用于生成进一步的可储存的能源。反应炉用于接收电解炉生成的氢气以及来自外部的含有二氧化碳CO2的气体（例如空气）并反应生成甲烷CH4（Methane）和水H2O。反应炉需要被加温，例如可采用太阳能聚光加热的方式来获得反应需要的高温，在一些实施方式中也可以采用完全电加热或辅助电加热的方式。反应炉所产生的甲烷可以被压缩后储存起来，或者也可经过一个安全的（无火花的）汽轮发电机后再被压缩和储存，以达到发电和冷却的双重效果。反应炉所产生的水则可回流到容器332，以实现水的循环以及余热的再利用。

在一些实施方式中，可选择一种或几种不同的节点设备。在另一些实施方式中，同一种节点设备也可以设置多个，例如，根据水蒸汽产生量的大小，可以串联或并联地设置多个汽体储存装置和汽轮发电机。通过配置各种节点设备，不仅能够更充分地利用太阳能，还能够实现能量短期或长期储存、海水淡化、工业制氧等功能。

以下对依据本发明的装置和系统的进行举例说明。

实施例1

依据本发明的集成式太阳能利用装置的一种实施方式可参考图7至图11，包括光电转换元件410和热电转换元件420。

本实施例中，光电转换元件采用光伏板，其可由若干个光伏模块组成。热电转换元件采用半导体热电转换器，其由若干对P型和N型电臂连接而成，例如串联或并联或混合式连接。可以根据热电转换元件的设计需要为其配置连接电路，例如，可配置第一连接电路以用于提供热电转换元件位于第一热传导端处的部件之间的导电连接，或者用于提供热电转换元件与光电转换元件之间的导电连接。还可配置第二连接电路，用于提供热电转换元件位于第二热传导端处的部件之间的导电连接。当然，若所选择的热电转换元件并不具有第二热传导端，也可不必配置第二连接电路。

半导体热电转换器的一种等效电路示意图可参考图8，当温度T1>T2时，热量沿箭头方向流动，即可在正极V+与负极V-之间输出电能。每个电臂具有第一热传导端421和第二热传导端422。简明起见，图7中仅示出了一对P型和N型电臂。

本实施例中，光伏板410通过第一导热元件441a与第一热传导端421导热连接。并且，参考图9，作为一种优选的实施方式，第一导热元件与第一连接电路442a集成于同一基板440a。基板可以是刚性或柔性的，例如可采用印刷线路板PCB或者柔性印刷线路板FPC。需要说明的是，图9仅示出了电路与导热元件的一种简单的集成方式，即，彼此隔离地布置在基板的不同区域，但是在其他实施方式中，若基板本身即具有良好的导热性，例如采用具有绝缘包覆的金属基板，此时基板自身即可视为导热元件。

类似地，还可包括至少一个第二导热元件441b，用于传导第二热传导端422流出的热量。同样地，第二导热元件也可以与第二连接电路442b集成于同一基板440b。并且，若第一连接电路和第二连接电路之间需要电连接，还可以在两个基板之间设置额外的连接线442c。

为适应某些使用环境，装置还可包括一个封闭腔体490（为便于说明，图示为透明的，实际可以是透明或不透明的），光伏板设置在封闭腔体的一个外表面上，例如，光伏板可形成为该腔体的壁的一部分。热电转换元件设置在腔体内，第二热传导端通过腔体的另一外表面与外部环境进行热交换。例如，可将第二热传导端或者第二导热元件浸泡在不导电的导热液体491中，从而与外部环境进行热交换。为进一步地利用未被热电转换元件转换的热能，还可将封闭腔体490设置在水箱432中，以对其中的水431进行加热，从而利用余热提供热水（供水管道未图示）。当然，水箱432也可以是水库、湖泊或海洋等。

采用PCB将连接电路和导热元件集成在一起是特别有利的。一方面，集成式的设计能够保障装置的热通路和电通路的稳定性和可靠性。另一方面，也使得结构更为简单和紧凑，更加有利于热量的传导。更重要的是，基于已有的丰富而成熟的PCB线路设计和制作技术，能够方便地在基板上设计各种单层或多层的电路，以及集成各种测量、控制、开关器件，例如图9中的开关443，以实现所期望的功能。

参考图10，是一种示例性的开关布置方式，其中第一连接电路与第二连接电路之间导电连接，整个电路中设置有若干开关。显然，通过控制开关的通断，能够容易地得到图8所示的等效电路，以使得半导体热电转换器工作于常规模式下，即T1>T2，并输出电能。

基于热电转换元件的功能的可逆性，在需要的情况下，例如需要利用第二热传导端作为加热用的工作面的情况，可以通过连通正极V+和负极V-与外部电源相连的开关（未图示）来向图8所示的热电转换元件输入电能，使得第一热传导端的温度T1降低而第二热传导端的温度T2升高。所称外部电源例如可以是光电转换元件410或者其他外部电源。

图10所示的开关还可用于进行电路切换，例如得到图11所示的等效电路，其适用于第一热传导端和第二热传导端的温度发生逆转的情况。这种情况下，第二热传导端还用于热量流入，第一热传导端还用于热量流出。当第二热传导端的温度T2高于第一热传导端的温度T1时，热电转换元件输出电能。这种逆转的发电模式的一个适用场景是：在白天被加热的热水431如果在晚上没有被用完，则可切换至该模式，利用热水的热量继续发电。另一适用场景是：在较为寒冷的地区，封闭腔体490被浸泡在海水或湖水中；白天，光伏板的温度高于水温，则装置以正常模式工作，而晚上，水温高于光伏板的温度，则可切换为逆转的发电模式继续发电。

当然，根据需要，图11所示的热电转换元件同样也可以被输入电能，使得第二热传导端的温度降低而第一热传导端的温度升高，例如可用于对光伏板进行加热以除冰或除霜。

本实施例装置在用于建造大型太阳能电站时，适合安装于水面。由于太阳能系统通常需要占用很大的面积，安装在水面上能有效节省对陆地的占用，而且能够方便地对装置进行冷却，有利于提高能量转换效率以及使用寿命。

本实施例中仅以半导体热电转换器为例进行说明，本领域技术人员应当理解，还可采用其他的温差型热电转换元件，具体的电路设计以及开关控制方式均可根据实际元件的类型以及应用场景的需要进行变化。

实施例2

依据本发明的集成式太阳能利用装置的另一种实施方式可参考图12，包括光电转换元件710，热电转换元件720和用作聚光元件的一透射式菲涅尔透镜751和一反射式菲涅尔透镜752。

光电转换元件710采用能够从正面和反面两个方向吸收入射的太阳光的双面元件，例如双面双层光伏板，其设置于透射式菲涅尔透镜和反射式菲涅尔透镜之间，使得两面分别接收由所面对的透镜会聚的太阳光。

热电转换元件720形成为光电转换元件的支撑物，其第一热传导端721相对于光电转换元件固定，其第二热传导端722相对于反射式菲涅尔透镜固定。例如，参考图12，第二热传导端可设置于反射式菲涅尔透镜下方。在其他实施方式中，第二热传导端还可与反射式菲涅尔透镜导热连接。由于反射式菲涅尔透镜的反射面通常为金属镀膜，因此可以提供很好的导热效果。安全起见，反射面的镀膜可采用导热不导电的材质，例如氧化铝等。

依据本发明的装置中的第一热传导端和第二热传导端均可采用实施例一中所描述的集成式基板，以便于设置例如开关以及切换工作模式的控制电路等，以适用于不同的环境状态。

本实施例装置通过巧妙组合的聚光元件来增强会聚能力以减小光伏板的面积，并使用热电转换元件来充当光伏板的支撑物，因此结构简单，在大规模使用时更具有成本优势，尤其适合用于水面安装。本实施例中的热电转换元件若具有在温差方向逆转时进行电路切换的功能，当水面温度高于大气温度时，热电转换元件也能发电。

本实施例装置也适用于作为路灯的一部分或安装于停车场。

实施例3

依据本发明的太阳能利用系统一种实施方式可参考图13，包括集成式太阳能利用装置和第一循环系统。

本实施例系统中的集成式太阳能利用装置包括光电转换元件510、热电转换元件520、封闭腔体590、聚光元件550和导光元件553。

封闭腔体590上设置有一个光线入口。本文中“封闭”的含义是指，入射到腔体中的太阳光和/或存在于腔体中的物质（若有）不会自由散失。一方面，对于通过光线入口进入到腔体内的太阳光而言，不会穿过腔体的壁离开腔体而散失，例如可使用反光材料来制作腔体。另一方面，对于存在于腔体中的物质而言，或者被完全封闭在腔体中，或者采用可控的方式与外部连通，例如通过带有阀门的管道与外部连通，由于连通的受控性，其不会破坏腔体“封闭”的含义。

光电转换元件510，例如光伏板，设置在封闭腔体的内壁上，或者设置在封闭腔体的内部空间中。作为一种优选的实施方式，可以在封闭腔体的内表面设置光反射元件，例如，封闭腔体的内表面可以由光伏板和反射镜铺满，使得进入腔体的太阳光能够充分地被光电转换元件利用。

热电转换元件520设置在封闭腔体的外壁，具体而言，其第一热传导端紧贴围绕在封闭腔体外部，以充分地吸收封闭腔体内产生的热量。在其他实施例中，热电转换元件的第一热传导端可以至少部分地围绕封闭腔体。

聚光元件550用于将太阳光会聚到导光元件的光路入口。本实施例中，具有两个沿光路方向依次设置的聚光折射面551、552，以获得更强的会聚效果。

导光元件553与所对应的光线入口密闭配合，用于引导聚光元件收集的太阳光经过光线入口进入到封闭腔体内。导光元件可依据各种已有的光传导技术来制作，例如，可采用实心透明材料或空心管道制作，其外表面或内表面镀有反射膜，使得太阳光在进入导光元件后只能前行到光线入口并入射到腔体中。

优选地，本实施例中还包括发散透镜554（例如凹形菲涅尔透镜），设置于光线入口。使用发散透镜可以使得进入光线入口的太阳光被发散开，以尽可能的避免太阳光在照射到光线入口所面对的壁（例如光伏板或反射镜）后被反射回来，又通过光线入口射出腔体。在其他实施方式中，也可以不使用发散透镜，而通过其他方式来减少或避免太阳光从光线入口散失，例如，可以将导光元件插入到腔体中适当的深度，或者可以使导光元件的出光方向与其面对的内壁的法线方向具有夹角，或者在腔体内正对导光元件的出光方向的位置设置散射元件等。这些不同的方式可以互相配合使用。

本实施例中示意性地示出了一个光线入口，以及对应的一个导光元件和一个聚光元件，在其他实施方式中，也可以为封闭腔体配置多个光线入口以及对应的多个导光元件和多个聚光元件。

与本文之前的描述类似，第一循环系统包括容器532、由若干管道533组成的第一管道系统、若干个阀门（未图示）和节点设备（未图示）。容器532上设置有至少一个第一工质入口5321和至少一个第一产物出口5322。本实施例中，集成式太阳能利用装置的完全容纳在容器532中，第一循环系统的工质为水，第一产物为水蒸汽。

工作时，冷水沿箭头方向通过入口5321进入容器532，受热汽化后沿箭头方向通过出口5322流出，并在后续的节点设备中被储存或利用。

在其他实施方式中，也可以省去容器532，而由封闭腔体590来替代。

采用本实施例的封闭式太阳能利用装置，一方面太阳光被会聚在封闭的腔体中，其能量几乎被完全转换为热能或电能，避免了能量的散失，另一方面，剩余的未被热电转换元件转换的热能也通过加热工质被利用，进一步提高了对太阳能的利用效率，并能够获得更丰富的功能，例如提供热水，或者实现海水淡化，或者利用水蒸汽来进行再次发电等。此外，由于光伏板及反射镜等元件均封闭在腔体中，不仅不会产生光污染，也不会对周边的生态环境产生不利影响。

本实施例与其它的太阳能发电系统或太阳能热能利用系统有三个明显的差别：其一，太阳能首先被用于直接转换为电能，未被转换为电能的太阳能被转换为热能后，被再次利用；其二，在将热能传导至工质的热通道（在本实施例中即为封闭腔体590的壁）上设置有热电转换元件，换言之，热能在被用于对工质进行加热之前，又部分地被直接转换成了电能；其三，光电转换元件和热电转换元件都被设置在相对封闭的腔体或容器里，因此，无论是光能还是热能，都能得到充分地利用。

实施例4

依据本发明的太阳能利用系统的另一种实施方式可参考图14，包括集成式太阳能利用装置和第一循环系统。

本实施例系统中的集成式太阳能利用装置与实施例3中的类似，包括光电转换元件610、热电转换元件620、封闭腔体690、聚光元件650和导光元件653，除以下明确说明的特别之处以外，可参照实施例3中的描述。封闭腔体690内还可设置透明性较好、热容量大的储热物质，如石蜡、硅胶、透明液体等。

光电转换元件610为光伏板，设置在封闭腔体顶部的内表面上。热电转换元件620的第一热传导端621则紧贴封闭腔体顶部的外表面。其第二热传导端622形成的平面可用作工作面。本实施例中的热电转换元件为功能可逆的温差式热电转换元件，既可以利用温差发电，也能输入外部电能进行制冷/制热。

简明起见，图14中仅示出了第一循环系统的容器632（也可以是为容器传导热能的导热元件），其余详细描述可参照本文中之前的内容。容器632可以是移动式的热水箱。

当工作面空闲时，热水箱632可放置在工作面上，用来吸收元件620未能转换的热量。当需要使用工作面时，例如使用工作面作为加热面来进行烹饪时，则可将热水箱632移开以便于操作。在太阳光不足或者工作面温度达不到使用要求时，还可以逆转热电转换元件的功能，即，向热电转换元件输入电能以对工作面进行加热。在某些实施例中，还可以直接在工作面上设置辅助电加热的线路，使其在需要时成为电炉。

此外，为起到保温以及安全防护的作用，还可以在封闭腔体的外表面设置隔热护板（或额外的热电转换元件）636。图14中仅示例性地示出了两块护板（或额外的热电转换元件），在实际使用中，可以使用护板包裹封闭腔体的四周。

本实施例的系统，不仅具有增强的光能直接发电效率，而且未被转换的余热也能得到充分的利用。这种系统，尤其适用于寒冷的北方和野外工作使用。

实施例5

依据本发明的太阳能利用系统的另一种实施方式可参考图15。本实施例是一个高效率、高能量密度的太阳能利用系统，并且还具备能量储存以及供热功能，尤其适合用于酒店、工厂、办公楼、独立住宅、发电厂等场所。

本实施例系统包括集成式太阳能利用装置和第一循环系统。其中集成式太阳能利用装置包括光电转换元件（光伏板）810、热电转换元件820、封闭腔体890、聚光元件850、导光元件853和热能储存器891。

封闭腔体890的内表面由光伏板和反射镜铺满，热电转换元件820铺设在其外表面。封闭腔体内正对光线入口之处，可设置一锥形反射体855，用以改变入射光的方向，以避免其从光线入口处反射出去。太阳能通过由两个菲涅尔聚光透镜851和852组成的聚光元件850以及导光元件853被引入到封闭腔体内部。所使用的菲涅尔聚光透镜可以为简单菲涅尔透镜，也可以为复合菲涅尔透镜。

热能储存器891包裹在封闭腔体周围，其内部填充有热容量大的储热物质，例如可以是熔盐、石蜡、低熔点金属化合物等。热能储存器内部的热能可通过一个热流量可控制的热交换通道与外部导热连接。

示例性地，本实施例中的热流量可控制的热交换通道为一个可移动的隔热板892。当隔热板移开使得导热通道越大时，热能储存器对外释放的热流量就越大。在其它实施方式中，热交换通道也可以是带有阀门的热交换管道、电磁控制的金属导热开关等等。

简明起见，图15中仅示出了第一循环系统的容器832，其余详细描述可参照本文中之前的内容。容器832将热能储存器包裹在其中。第一工质自入口8321进入，而第一产物自出口8322流出。由于热能储存器所使用的储热物质通常是昂贵的，而且具有危险性，因此本实施例中将其封闭在热能储存器内，通过其与第一循环系统的工质在容器832中的热交换来实现对热能的利用。优选地，为了充分地利用热能发电，在热能储存器与容器之间的热交换通道上，还可进一步设置热电转换元件893。例如，为了提高热能发电率，可以在所有的热交换通道上设置热电转换元件。

根据实际应用的需要，出口8322可以与蒸汽发电机相连，也可与Stirling发电机或其它的热能利用系统相连。

在日照充足的地区，如果将本实施例系统应用于新建的建筑设施，即可实现该建筑的能源自给以及能量的季节性储存（比如夏能冬用）。

以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (14)

1.一种集成式太阳能利用装置，其特征在于，包括，

至少一个光电转换元件，所述光电转换元件为能够从正面和反面两个方向吸收入射的太阳光的双面元件，

至少一个热电转换元件，所述热电转换元件为温差式发电元件，其包括至少一个用于热量流入的第一热传导端和至少一个用于热量流出的第二热传导端，当第一热传导端的温度高于第二热传导端的温度时，所述热电转换元件输出电能，所述光电转换元件与第一热传导端导热连接，以及

一透射式菲涅尔透镜和一反射式菲涅尔透镜，用于会聚太阳光以提供给所述光电转换元件，

其中，所述光电转换元件设置于所述透射式菲涅尔透镜和反射式菲涅尔透镜之间，所述热电转换元件形成为所述光电转换元件的支撑物，其第一热传导端相对于所述光电转换元件固定，其第二热传导端相对于所述反射式菲涅尔透镜固定。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述光电转换元件通过至少一个第一导热元件与第一热传导端导热连接，

所述装置还包括第一连接电路，用于提供所述热电转换元件位于第一热传导端处的部件之间的导电连接，或者用于提供所述热电转换元件与所述光电转换元件之间的导电连接，

至少一个第一导热元件与第一连接电路集成于同一基板，所述基板为刚性或柔性的。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括

至少一个第二导热元件，用于传导第二热传导端流出的热量，以及

第二连接电路，用于提供所述热电转换元件位于第二热传导端处的部件之间的导电连接，

至少一个第二导热元件与第二连接电路集成于同一基板，所述基板为刚性或柔性的。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述第一连接电路与第二连接电路之间导电连接，整个电路中还设置有若干开关，

所述开关用于接入来自所述光电转换元件或者外部的电流，以向所述热电转换元件输入电能，使得第一热传导端的温度降低而第二热传导端的温度升高，或者，

所述开关用于进行电路切换，以使得当第二热传导端的温度高于第一热传导端的温度时，所述热电转换元件输出电能，这种情况下，第二热传导端还用于热量流入，第一热传导端还用于热量流出，或者，

所述开关用于接入来自所述光电转换元件或者外部的电流并且进行电路切换，以向所述热电转换元件输入电能，使得第二热传导端的温度降低而第一热传导端的温度升高。

5.如权利要求1～4任意一项所述的装置，其特征在于，

所述热电转换元件有两个以上，以串联或并联的方式与光电转换元件导热连接。

6.如权利要求1～4任意一项所述的装置，其特征在于，还包括一封闭腔体，所述光电转换元件和热电转换元件中的至少一者设置于所述封闭腔体中。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述热电转换元件设置于所述封闭腔体中，所述光电转换元件设置在所述封闭腔体的一个外表面上，第二热传导端通过腔体的另一外表面与外部环境进行热交换。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述光电转换元件设置在封闭腔体的内壁上，或者设置在所述封闭腔体的内部空间中，

所述热电转换元件的第一热传导端至少部分地围绕所述封闭腔体，

所述封闭腔体上设置有至少一个光线入口，并且，所述装置还包括至少一个导光元件，每个导光元件与所对应的光线入口密闭配合，用于引导太阳光经过所述光线入口进入到所述封闭腔体内。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括热能储存器，所述封闭腔体设置于所述热能储存器中，所述热能储存器内填充有储热物质，用于储存热能。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述热能储存器具有热流量可控制的对外热交换通道，所述对外热交换通道上设置有至少一个热电转换元件。

11.一种太阳能利用系统，其特征在于，包括，

如权利要求1～10任意一项所述的集成式太阳能利用装置，和

第一循环系统，其为开放式的或封闭式的循环系统，第一循环系统包括，

用于加热第一工质的容器，所述容器上设置有至少一个第一工质入口和至少一个第一产物出口，至少所述集成式太阳能利用装置中的第二热传导端与所述容器中的第一工质导热连接，

第一管道系统，其至少与第一产物出口连接，或者，至少与第一工质入口和第一产物出口连接；

至少一个阀门，用于控制第一管道系统中的一段管道的接通和关闭；和

至少一个节点设备，所述节点设备连接在第一管道系统中，用于储存，或者用于能量转换，或者用于能量交换。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，

所述集成式太阳能利用装置为权利要求6～10任意一项所述的装置，

所述封闭腔体设置在所述容器内。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，

所述集成式太阳能利用装置为权利要求9或10所述的装置，

所述热能储存器设置在所述容器内。

14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，

第一工质为淡水或海水，第一产物为水蒸汽，

所述节点设备包括按照产物流向顺次连接的电解炉和反应炉，

所述电解炉用于接收所述水蒸汽并电解为氢气和氧气，

所述反应炉用于接收所述电解炉生成的氢气以及来自外部的含有二氧化碳的气体并反应生成甲烷和水。