CN106549632A - 一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置及其发热发电方法 - Google Patents

一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置及其发热发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置及其发热发电方法。所述镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置包括两段式弧面反射镜、光伏电池组件、真空管集热器和实时跟踪装置，其特征在于：所述光伏光热切换式聚光装置还包括反射镜旋转轴，所述两段式弧面反射镜包括反射镜上段和反射镜下段，所述反射镜上段和所述反射镜下段由所述反射镜旋转轴转动联接，所述真空管集热器位于所述光伏电池组件的上方，所述光伏电池组件位于所述两段式弧面反射镜下方。本发明还公开了一种发热或发电的方法。本发明的装置结构简单，仅转动反射镜面便可实现切换，不涉及复杂传热管路或电池电路的移动，系统可靠性高，聚光参数可根据实际需求进行具体设计。

Description

一种镜面可折叠的光伏光热 切换式聚光装置及其发热发电方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光装置，尤其是一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置及其发热发电方法。
背景技术
光热发电与光伏发电两种技术分别利用了太阳辐射能量的不同转化形式。光热发电技术是将光能转化为热能，热能易储存，但需要太阳光法向直接辐射，效率受地域和季节影响较大；光伏发电技术则是将光能直接转换为电能，产生直流电，电能储存较难实现，但能利用太阳全辐射，有效发电时间长，受地域和环境限制小。
从上述特点可以看出，光热发电技术与光伏发电技术各有其优劣势和应用领域，两者并非替代关系，而是互补的关系。许多研究都在寻找两种技术有效结合的形式，主流的PV/T(光伏光热一体)集热器主要是回收电池背板的余热以实现热电联供。PV/T集热器的局限性在于，产生的热能始终只是光伏发电的副产品，供热温度较低应用范围受限。
发明内容
针对现有技术存在的产生的热能始终只是光伏发电的副产品，供热温度较低应用范围受限的技术问题，本发明提供一种光伏发电和光热发电可适时切换的装置，以满足不同季节、不同时段、对不同能源形式的需求。同时，光伏发电和光热发电两种工作状态下均利用聚光器的高倍汇聚作用，可实现较高效率的发电或较高效率的供热，提供用途广泛的热能和电能。
一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，该聚光装置包括两段式弧面反射镜、反射镜旋转轴、光伏电池组件、真空管集热器和实时跟踪装置，两段式弧面反射镜包括反射镜上段和反射镜下段。其中，两段式孤面反射镜的反射镜上段和反射镜下段由反射镜旋转轴联接，并可围绕其转动。两段式弧面反射镜的跟踪装置实时跟踪太阳，当两段式弧面反射镜位于初始位置时，光伏光热切换式聚光装置处于光热工作状态，反射镜镜面将入射太阳光线经过一次反射汇聚至真空管集热器上。当两段式弧面反射镜位于折叠位置时，光伏光热切换式聚光装置处于光伏工作状态，入射太阳光线经过反射镜镜面的一次或多次反射后被光伏电池组件接收，真空管集热器位于所述光伏电池组件的上方，所述光伏电池组件位于所述两段式弧面反射镜下方。
其中，两段式弧面反射镜可以采用镀膜钢化玻璃或反射铝材料制成；反射镜旋转轴带有角度限位功能，限定初始位置和折叠位置两个工作点。
中心线位于聚光装置的中垂面上，中垂面是聚光装置结构的对称面。光伏光热切换式聚光装置不论处于光热工作状态还是光伏工作状态，其包含的驱动装置保证沿中心线左右两侧的两段式弧面反射镜同步运动，光伏光热切换式聚光装置的结构始终关于中心线对称。
所述光伏光热切换式聚光装置的初始位置，是指两段式弧面反射镜的反射镜上段和反射镜下段平滑连接，且与沿中心线的对称侧的反射镜位于同一抛物线上，真空管集热器中心点与抛物线焦点重合。
所述两段式弧面反射镜的折叠位置，是指反射镜的反射镜上段沿反射镜旋转轴向靠近中心线方向转动20°～40°，反射镜下段3沿反射镜旋转轴向远离中心线方向转动至直立状态。采用转动限位方式，进行初始位置和折叠位置的切换，也即光热工作状态和光伏工作状态的切换。
所述折叠位置可保证照射到反射镜上段的所有光线经反射后均可到达光伏电池组件表面。其中，到达光伏电池组件的光线又可分为三种情况：光线经过反射镜上段的单次反射后直接到达光伏电池组件表面；光线经过反射镜上段的反射后到达对称侧反射镜的下段，被再次反射后到达光伏电池组件表面；光线不经反射直接垂直入射至光伏电池组件表面。
所述反射镜旋转轴会使反射镜上段和反射镜下段之间无法紧密贴合，存在一定间隙。在初始位置时，反射镜上段和反射镜下段构成平滑抛物线，间隙会对整段抛物线的连续性存在一定影响，导致真空管集热器上存在极小阴影，但该阴影并不影响真空管集热的集热性能。当光伏光热切换式聚光装置运行至折叠位置时，反射镜上段和反射镜下段分别实现不同的反射功能，间隙不影响其各自的连续性，因此不会在光伏电池组件表面造成阴影。
本发明的光伏光热切换式聚光装置工作方法如下。实时跟踪装置跟踪太阳，保证光线始终平行于装置中心线入射。
当光伏光热切换式聚光装置处于初始位置时，入射光线经呈抛物线结构的两段式弧面反射镜反射汇聚于抛物线的焦点，也即真空管集热器中心点，将太阳能转化为热能，通过储热工质储存，可满足工业或生活用热或储热需求。当光伏光热切换式聚光装置的长度或数量达到一定规模时，得到高温的储热工质可用于热发电。位于真空管集热器下方的光伏电池组件受到遮挡，处于不工作状态。
当光伏光热切换式聚光装置处于折叠位置时，两段式弧面反射镜的各部分不再处于同一抛物线，两段式弧面反射镜的反射镜上段沿反射镜旋转轴向靠近中心线方向转动，使得反射光线的传播路径整体下移；反射镜下段沿反射镜旋转轴向远离中心线方向转动，以便于将光线二次反射至光伏电池组件表面使之均匀接收，获得稳定的电力输出。此时的真空管集热器仅在其管径范围接收到一倍太阳的垂直照射，处于不工作的空晒状态。光伏电池组件上接收的光线主要来自各个方向的反射和二次反射光线，因此位于上方的真空管集热器并不会对光伏电池组件造成阴影。
当需要装置产热或进行热发电时，绕反射镜旋转轴旋转反射镜上段和反射镜下段，转至初始位置点限位固定，使其处于图2所示工作状态：左右两侧的两段式弧面反射镜构成一条抛物线，真空管集热器的中心与抛物线的焦点重合。实时跟踪装置确保太阳光线平行于中心线入射，反射镜上段和反射镜下段将平行的入射光反射至焦点处汇聚，加热真空管集热器中流动的传热工质。
当需要装置进行光伏发电时，绕反射镜旋转轴旋转反射镜上段和反射镜下段，转至折叠位置点限位固定，使其处于图3所示工作状态：两段式孤面反射镜的反射镜上段向靠近中心线方向转动20°～40°，反射镜下段转动至直立状态。实时跟踪装置确保太阳光线平行于中心线入射，照射在反射镜上段的光线经一次或多次反射后到达电池组件表面，光能直接转化为电能输出。
在两种工作状态切换时，除反射镜旋转轴带动两段式弧面反射镜的反射镜上段和反射镜下段转动以外，装置其它各部件的位置保持不变。
本发明的光伏光热切换式聚光装置具有以下优势：结构简单，易于实现，仅反射镜面转动便可实现切换，不涉及复杂传热管路或电池电路的移动，系统可靠性高，维护方便；装置在光热和光伏两种状态切换时，均可实现独立、高效，部件互不遮挡影响；参数灵活可调，聚光倍数、焦点位置、反射镜两段配比等均可根据实际需求进行具体设计；夏天采用光热模式，可储热用作电网调峰，同时能起到保护电池组件以免过热的作用；冬季采用光伏模式，充分利用光伏电池环境温度越低效率越高的特性，并可规避光热系统管路冬季热损大、易冻结等风险。
附图说明
图1为本发明光伏光热切换式聚光装置的原理图；
图2为本发明光伏光热切换式聚光装置处于光热发电状态的示意图；
图3为本发明光伏光热切换式聚光装置处于光伏发电状态的示意图；
其中附图标记为：两段式弧面反射镜1、反射镜上段2、反射镜下段3、反射镜旋转轴4、光伏电池组件5、真空管集热器6、太阳光线7-10、中心线11。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，该聚光装置包括两段式弧面反射镜1、反射镜旋转轴4、光伏电池组件5、真空管集热器6和实时跟踪装置(图中未示出)，两段式弧面反射镜1包括反射镜上段2和反射镜下段3。其中，两段式弧面反射镜1的反射镜上段2和反射镜下段3由反射镜旋转轴4联接，并可围绕其转动。两段式弧面反射镜1的跟踪装置实时跟踪太阳，当两段式弧面反射镜1位于初始位置时(图1中实线所示)，光伏光热切换式聚光装置处于光热工作状态，反射镜镜面将入射太阳光线7经过一次反射汇聚至真空管集热器6上。当两段式弧面反射镜1位于折叠位置时(图1中虚线所示)，光伏光热切换式聚光装置处于光伏工作状态，入射太阳光线经过反射镜镜面的一次或多次反射后被光伏电池组件5接收，真空管集热器6位于所述光伏电池组件5的上方，所述光伏电池组件5位于所述两段式弧面反射镜1下方。
其中，两段式弧面反射镜1可以采用镀膜钢化玻璃或反射铝材料制成；反射镜旋转轴4带有角度限位功能，限定初始位置和折叠位置两个工作点。
中心线11位于聚光装置的中垂面上，中垂面是聚光装置结构的对称面。光伏光热切换式聚光装置不论处于光热工作状态还是光伏工作状态，其包含的驱动装置保证沿中心线11左右两侧的两段式弧面反射镜1同步运动，光伏光热切换式聚光装置的结构始终关于中心线11对称。
所述光伏光热切换式聚光装置的初始位置，是指两段式弧面反射镜1的反射镜上段2和反射镜下段3平滑连接，且与沿中心线11的对称侧的反射镜位于同一抛物线上，真空管集热器6中心点与抛物线焦点重合。
所述两段式弧面反射镜1的折叠位置，是指反射镜的反射镜上段2沿反射镜旋转轴4向靠近中心线11方向转动20°～40°，反射镜下段3沿反射镜旋转轴4向远离中心线11方向转动至直立状态。采用转动限位方式，进行初始位置和折叠位置的切换，也即光热工作状态和光伏工作状态的切换。
所述折叠位置可保证照射到反射镜上段2的所有光线经反射后均可到达光伏电池组件5表面，如图3所示。其中，到达光伏电池组件5的光线又可分为三种情况：光线10经过反射镜上段2的单次反射后直接到达光伏电池组件5表面；光线9经过反射镜上段2的反射后到达对称侧反射镜的下段3，被再次反射后到达光伏电池组件5表面；光线8不经反射直接垂直入射至光伏电池组件5表面。
所述反射镜旋转轴4会使反射镜上段2和反射镜下段3之间无法紧密贴合，存在一定间隙。在初始位置时，反射镜上段2和反射镜下段3构成平滑抛物线，间隙会对整段抛物线的连续性存在一定影响，导致真空管集热器6上存在极小阴影，但该阴影并不影响真空管集热器6的集热性能。当光伏光热切换式聚光装置运行至折叠位置时，反射镜上段2和反射镜下段3分别实现不同的反射功能，间隙不影响其各自的连续性，因此不会在光伏电池组件4表面造成阴影。
本发明的光伏光热切换式聚光装置工作方法如下。实时跟踪装置跟踪太阳，保证光线7-10始终平行于装置中心线11入射。
当光伏光热切换式聚光装置处于初始位置时，入射光线7-10经呈抛物线结构的两段式弧面反射镜1反射汇聚于抛物线的焦点，也即真空管集热器6中心点，将太阳能转化为热能，通过储热工质储存，可满足工业或生活用热或储热需求。当光伏光热切换式聚光装置的长度或数量达到一定规模时，得到高温的储热工质可用于热发电。位于真空管集热器6下方的光伏电池组件5受到遮挡，处于不工作状态。
当光伏光热切换式聚光装置处于折叠位置时，两段式弧面反射镜1的各部分不再处于同一抛物线，两段式弧面反射镜1的反射镜上段2沿反射镜旋转轴4向靠近中心线11方向转动，使得反射光线的传播路径整体下移；反射镜下段3沿反射镜旋转轴4向远离中心线11方向转动，以便于将光线二次反射至光伏电池组件表面使之均匀接收，获得稳定的电力输出。此时的真空管集热器6仅在其管径范围接收到一倍太阳的垂直照射，处于不工作的空晒状态。光伏电池组件5上接收的光线主要来自各个方向的反射和二次反射光线，因此位于上方的真空管集热器6并不会对光伏电池组件5造成阴影。
当需要装置产热或进行热发电时，绕反射镜旋转轴4旋转反射镜上段2和反射镜下段3，转至初始位置点限位固定，使其处于图2所示工作状态：左右两侧的两段式弧面反射镜1构成一条抛物线，真空管集热器6的中心与抛物线的焦点重合。实时跟踪装置确保太阳光线平行于中心线11入射，反射镜上段2和反射镜下段3将平行的入射光反射至焦点处汇聚，加热真空管集热器6中流动的传热工质。
当需要装置进行光伏发电时，绕反射镜旋转轴4旋转反射镜上段2和反射镜下段3，转至折叠位置点限位固定，使其处于图3所示工作状态：两段式弧面反射镜1的反射镜上段2向靠近中心线11方向转动20°～40°，反射镜下段3转动至直立状态。实时跟踪装置确保太阳光线平行于中心线11入射，照射在反射镜上段2的光线经一次或多次反射后到达电池组件5表面，光能直接转化为电能输出。
在两种工作状态切换时，除反射镜旋转轴4带动两段式弧面反射镜1的反射镜上段2和反射镜下段3转动以外，装置其它各部件的位置保持不变。
本发明的光伏光热切换式聚光装置具有以下优势：结构简单，易于实现，仅反射镜面转动便可实现切换，不涉及复杂传热管路或电池电路的移动，系统可靠性高，维护方便；装置在光热和光伏两种状态切换时，均可实现独立、高效，部件互不遮挡影响；参数灵活可调，聚光倍数、焦点位置、反射镜两段配比等均可根据实际需求进行具体设计；夏天采用光热模式，可储热用作电网调峰，同时能起到保护电池组件以免过热的作用；冬季采用光伏模式，充分利用光伏电池环境温度越低效率越高的特性，并可规避光热系统管路冬季热损大、易冻结等风险。

Claims (12)

1.一种镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其包括两段式弧面反射镜、光伏电池组件、真空管集热器和实时跟踪装置，其特征在于：所述光伏光热切换式聚光装置还包括反射镜旋转轴，所述两段式弧面反射镜包括反射镜上段和反射镜下段，所述反射镜上段和所述反射镜下段由所述反射镜旋转轴转动联接，所述真空管集热器位于所述光伏电池组件的上方，所述光伏电池组件位于所述两段式弧面反射镜下方。
2.如权利要求1所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述光伏光热切换式聚光装置工作状态分为光热工作状态和光伏工作状态。
3.如权利要求2所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述光热工作状态为所述光伏光热切换式聚光装置产热或热发电的状态。
4.如权利要求2所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述光伏工作状态为所述光伏光热切换式聚光装置光伏发电的状态。
5.如权利要求1-4任一项所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述两段式弧面反射镜采用镀膜钢化玻璃或反射铝材料制成。
6.如权利要求5所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述反射镜旋转轴带有角度限位功能，限定位置分为初始位置和折叠位置。
7.如权利要求6所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，当所述两段式弧面反射镜位于所述初始位置时，所述光伏光热切换式聚光装置处于光热工作状态；当所述两段式弧面反射镜位于所述折叠位置时，所述光伏光热切换式聚光装置处于光伏工作状态。
8.如权利要求6或7所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述折叠位置是反射镜的反射镜上段沿反射镜旋转轴向靠近所述光伏光热切换式聚光装置的中心线方向转动20°～40°，反射镜下段沿反射镜旋转轴向远离所述中心线方向转动至直立状态。
9.如权利要求6或7所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，所述折叠位置保证照射到所述反射镜上段的所有光线经反射后均可到达所述光伏电池组件表面。
10.如权利要求9所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，到达所述光伏电池组件的光线又可分为三种情况：光线经过所述反射镜上段的单次反射后直接到达光伏电池组件表面；光线经过所述反射镜上段的反射后到达对称侧反射镜的下段，被再次反射后到达所述光伏电池组件表面；光线不经反射直接垂直入射至所述光伏电池组件表面。
11.如权利要求6或7所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置，其特征在于，当光伏光热切换式聚光装置处于所述初始位置时，入射光线经所述两段式弧面反射镜反射汇聚于所述真空管集热器中心点。
12.一种使用如权利要求1-11任一项所述的镜面可折叠的光伏光热切换式聚光装置进行发热发电的方法，其特征在于，当需要产热或进行热发电时，所左右两侧的两段式弧面反射镜构成一条抛物线，所述真空管集热器的中心与抛物线的焦点重合，实时跟踪装置使得太阳光线平行于所述光伏光热切换式聚光装置的中心线入射，所述反射镜上段和所述反射镜下段将平行的入射光反射至焦点处汇聚，加热所述真空管集热器中流动的传热工质；当需要装置进行光伏发电时，绕所述反射镜旋转轴，所述反射镜上段向靠近所述中心线方向转动20°～40°，所述反射镜下段转动至直立状态，实时跟踪装置确保太阳光线平行于中心线入射，照射在所述反射镜上段的光线经一次或多次反射后到达所述光伏电池组件表面，光能直接转化为电能输出。
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