CN106788236A - 一种线聚焦聚光光伏‑光热全光谱梯级利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种线聚焦聚光光伏‑光热全光谱梯级利用装置，通过设置上层聚光镜，相比于传统的聚光光伏技术，由于只对聚光光伏电池工作波长范围内的太阳光而不是全部太阳光进行光伏利用，减少光伏电池产热量的同时，提升了光伏电池的光电转换效率；通过中温光热利用，提升了光伏‑光热利用光热的品位，从而提高了太阳辐射利用率，实现了太阳能全光谱利用，减小了太阳能利用过程中的不可逆损失。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置。
背景技术
太阳能作为储量最大的可再生能源，近年来得到国内外的广泛重视。通常利用太阳能形式有光-热转换、光-电转换、光-化学转换和光-生物转换。2014年国际能源署预测2050年以光-热转换和光-电转换为核心的太阳能发电将占全球装机容量的27％，其中光-热转换主要以槽式聚光集热技术和塔式聚光集热技术为代表；光-电转化主要以非聚光光伏技术和聚光光伏技术为代表。以成熟的槽式聚光技术配以聚光光伏电池的技术路线，可有效降低光伏发电成本。
然而单一光伏发电只能利用特定波长光谱范围，致使光伏发电过程中太阳能转化率低；而单一光热发电尽管可实现全光谱利用太阳能，但受聚光集热技术以及集热温度限制，其转化率仍然比较低。因此，实现高效的太阳能发电是当前太阳能利用技术亟待解决的科研技术难题。近几年，全光谱利用作为太阳能利用领域重要的研究方向为解决这一难题提供了有效途径，其中，美国能源部2013年率先推出了“太阳能的全光谱最优转换与利用”重要研究计划。现有的全光谱太阳能利用发电的主要途径是光伏-余热和光伏-热电-余热形式，然而光伏电池余热属于低品位热，同时热电材料和光伏电池间存在功率和材料匹配不当问题，致使太阳能全光谱利用不可逆性大，利用率低。
光伏电池光电效应存在禁带宽度，能量低于和高于禁带宽度的电子会转化为低品位余热，由于光伏电池工作效率受自身温度的升高而降低，因此仅通过提升余热的温度增加太阳能利用率的空间有限。如何全光谱综合利用太阳能，将特定波长段光谱用于光伏发电，剩余光谱用于中高温光热利用，在增加光伏电池发电效率的同时，减小太阳光转化为低品位余热造成的不可逆损失，是实现全光谱高效利用太阳能所面临的主要问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，以解决全光谱高效利用太阳能过程中存在的上述问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，包括：装置支架；两组下层聚光镜支架，对称安装在所述装置支架的顶端；下层聚光镜，由所述下层聚光镜支架支撑；集热管支架，其穿过所述下层聚光镜并安装于所述装置支架的顶端；沿远离下层聚光镜的方向，所述集热管支架依次安装有光伏电池组件支架和集热管，所述集热管位于下层聚光镜的焦线位置，所述光伏电池组件支架顶端安装有光伏电池组件；两个上层聚光镜，设置在所述下层聚光镜的关于光伏电池组件对称的位置，所述上层聚光镜相对于下层聚光镜可在分离伸展状态与面型重合状态之间切换，使线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置工作于光伏-光热运行模式和单一光伏运行模式。
优选地，还包括：上层聚光镜支架，所述上层聚光镜通过穿过下层聚光镜的上层聚光镜支架固定于所述下层聚光镜支架；滑轨结构，以及安装于所述滑轨结构上的第二驱动电机；在所述滑轨结构和第二驱动电机的作用下，所述上层聚光镜支架相对下层聚光镜支架移动，带动上层聚光镜相对下层聚光镜移动；所述集热管支架为滑轨式伸缩结构，通过其伸缩运动改变光伏电池组件和集热管的位置。
优选地，当工作于光伏-光热运行模式时，所述上层聚光镜支架带动上层聚光镜离开下层聚光镜，使所述上层聚光镜的靠近下层聚光镜边缘的端部紧贴下层聚光镜，沿所述下层聚光镜的边缘至中心的方向，所述上层聚光镜逐渐远离下层聚光镜，所述上层聚光镜相对下层聚光镜处于分离伸展状态，所述光伏电池组件位于上层聚光镜的散焦焦斑位置；所述上层聚光镜将工作波长范围的光反射至光伏电池组件，光伏电池组件利用反射光进行光伏发电；所述上层聚光镜将工作波长范围外的光透射至下层聚光镜，透射至下层聚光镜的光与直接入射至下层聚光镜的光被下层聚光镜反射至集热管进行中温光热利用。
优选地，当工作于单一光伏运行模式时，所述上层聚光镜支架带动上层聚光镜向下层聚光镜移动，使所述上层聚光镜背向太阳光的面紧贴下层聚光镜，所述上层聚光镜相对下层聚光镜处于面型重合状态；所述集热管支架带动光伏电池组件和集热管向下层聚光镜移动，所述光伏电池组件位于下层聚光镜的散焦焦斑位置；所述上层聚光镜和下层聚光镜将入射太阳光全部反射至光伏电池组件，所述光伏电池组件利用反射光进行光伏发电。
优选地，还包括：配重结构，安装于所述装置支架的与集热管支架对称的一侧。
优选地，还包括：第一驱动电机，所述第一驱动电机驱动下层聚光镜支架和集热管支架转动，使所述下层聚光镜正对太阳光入射方向。
优选地，所述下层聚光镜的被上层聚光镜覆盖的表面，与上层聚光镜具有相同的面型。
优选地，所述光伏电池组件包括聚光光伏电池，所述工作波长范围根据聚光光伏电池的工作波段而定。
优选地，所述光伏电池组件包括聚光光伏电池、中间冷却通道和非聚光光伏电池，中间冷却通道夹设于聚光光伏电池和非聚光光伏电池之间。
优选地，所述上层聚光镜为透光镜片，其朝向太阳光的面涂覆有选择性涂层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置具有以下有益效果：
(1)通过设置上层聚光镜，相比于传统的聚光光伏技术，由于只对聚光光伏电池工作波长范围内的太阳光而不是全部太阳光进行光伏利用，减少光伏电池产热量的同时，提升了光伏电池的光电转换效率；
(2)通过中温光热利用，提升了光伏-光热利用光热的品位，从而提高了太阳辐射利用率，实现了高效的太阳能全光谱利用，减小了太阳能利用过程中的不可逆损失；
(3)上层聚光镜分离伸展时形成两行聚光焦斑，利用散焦的形式对聚光光伏电池进行匀光，避免了常规匀光光学器件带来的光学损失。
(4)在600W/m2设计辐照下，选择单晶硅聚光光伏电池，上层聚光镜占通用下层聚光镜开口面积65％时，相对单一聚光光伏发电效率增加5％；
(5)当光伏-光热实际所需太阳能分配比变化时，仅需改变上层聚光镜的开口面积即可，其余结构不需要改变，使用起来方便快捷，有很高的通用性；
(6)聚光光伏电池和非聚光光伏电池进行光伏发电时所产生的热量被中间冷却通道内的工质带走，光伏电池的实际工作温度更低，发电效率更高，不仅能够充分利用冷却通道的冷却能力，还可避免因光伏电池组件的存在而减小下层聚光镜开口可利用面积，从而有效增加太阳能利用效率；
(7)在辐照不足和辐照充足的情况下均可以工作，通过改变上层聚光镜和聚光光伏电池的位置，配合双层聚光镜相对位置改变实现单一光伏发电利用和光伏-光热利用间的切换，从而实现了宽幅照高效率的利用太阳能；
(8)集热管支架的伸缩结构，消除了加工、安装过程中造成的光学损失，同时又可以改变光斑在集热管表面的分布，减小了因光斑集中而带来的集热管热应力问题。
附图说明
图1为本发明实施例的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置在高辐照下光伏-光热利用模式下的工作原理示意图；
图2为本发明实施例的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置在低辐照下单一光伏利用模式下的工作原理示意图。
符号说明
1-装置支架；2-下层聚光镜；3-上层聚光镜；4-上层聚光镜支架；5-下层聚光镜支架；6-光伏电池组件；7-光伏电池组件支架；8-集热管；9-集热管支架；10-第一驱动电机；11-配重结构；12-滑轨结构；13-第二驱动电机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参照图1，本发明实施例提供了一种线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，可用于太阳能全光谱综合利用，包括：装置支架1、下层聚光镜2、上层聚光镜3、上层聚光镜支架4、下层聚光镜支架5、光伏电池组件6、光伏电池组件支架7、集热管8、集热管支架9、第一驱动电机10、配重结构11、滑轨结构12、第二驱动电机13。
装置支架1为整个装置提供支撑，其底端固定于地面或其他载体，支架顶端安装有轴承，轴承上安装有对称的两组下层聚光镜支架5，下层聚光镜支架5支撑下层聚光镜2。集热管支架9穿过下层聚光镜2并安装于轴承上，沿远离下层聚光镜2的方向，集热管支架9依次安装有光伏电池组件支架7和集热管8，集热管8安装于集热管支架9顶端，并位于下层聚光镜2的焦线位置，光伏电池组件支架7顶端安装有光伏电池组件6，即光伏电池组件6比集热管8位于更远离下层聚光镜2的位置，轴承的与集热管支架9对称的一侧安装有配重结构11，用于平衡配重。
在下层聚光镜2的关于光伏电池组件6对称的位置，设置有两个上层聚光镜3，每个上层聚光镜3通过两个穿过下层聚光镜2的上层聚光镜支架4，固定于下层聚光镜支架5，上层聚光镜3的靠近下层聚光镜2边缘的端部紧贴下层聚光镜2，沿下层聚光镜2的边缘至中心的方向，上层聚光镜3逐渐远离下层聚光镜2，上层聚光镜3处于分离伸展状态，使光伏电池组件6位于上层聚光镜3的散焦焦斑位置。
光伏电池组件6包括聚光光伏电池，聚光光伏电池位于上层聚光镜3的散焦焦斑位置，本发明的光伏电池组件6可以采用但不限于单晶硅聚光电池，单晶硅聚光电池的截止波长为1100nm。上层聚光镜3为透光镜片，其朝向太阳光的面涂覆有选择性涂层，选择性涂层可以是多层膜结构，采用蒸镀或离子镀工艺在衬底玻璃上交替镀上Nb2O5和SiO2薄层而制成。通过调整各层的镀膜厚度可以设置涂层反射和吸收的光谱范围。例如，针对上述截止波长为1100nm的单晶硅聚光电池，略小于其截止波长的700-1100nm波段的太阳光，光伏转换效率较高，通过控制Nb2O5和SiO2薄层的厚度，将700-1100nm波段作为上层聚光镜3的工作波长范围，上层聚光镜3可实现700-1100nm波段光的98％的反射率，其余波段光的92％的透射率。
本实施例的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置工作时，第一驱动电机10驱动下层聚光镜支架5和集热管支架9转动，带动上层聚光镜3、下层聚光镜2、聚光光伏电池和集热管8同步转动，使下层聚光镜2正对太阳光入射方向，太阳光正对下层聚光镜2开口面积入射至上层聚光镜3和下层聚光镜2。上层聚光镜3将工作波长范围的光反射至聚光光伏电池，聚光光伏电池利用反射光进行光伏发电，上层聚光镜3将工作波长范围外的光透射至下层聚光镜2，透射至下层聚光镜2的光与直接入射至下层聚光镜2的光被下层聚光镜2反射至集热管8进行中温光热利用。
本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，通过设置上层聚光镜，相比于传统的聚光光伏技术，由于只对聚光光伏电池工作波长范围内的太阳光而不是全部太阳光进行光伏利用，减少光伏电池产热量的同时，提升了光伏电池的光电转换效率；并且通过中温光热利用，提升了光伏-光热利用光热的品位，从而提高了太阳辐射利用率，实现了高效的太阳能全光谱利用，减小了太阳能利用过程中的不可逆损失。同时，上层聚光镜分离伸展时形成两行聚光焦斑，利用散焦的形式对聚光光伏电池进行匀光，避免了常规匀光光学器件带来的光学损失。在600W/m2设计辐照下，选择单晶硅聚光光伏电池，上层聚光镜占通用下层聚光镜开口面积65％时，本发明相对单一聚光光伏发电效率增加5％。
在本发明中，上层聚光镜的开口面积可以根据实际情况进行设置，上层聚光镜与下层聚光镜的开口面积比例可根据光伏-光热实际所需太阳能分配比决定，当光伏-光热实际所需太阳能分配比变化时，仅需改变上层聚光镜的开口面积即可，其余结构不需要改变，使用起来方便快捷，有很高的通用性。
进一步地，光伏电池组件6还可以包括中间冷却通道和非聚光光伏电池，中间冷却通道设置于聚光光伏电池远离下层聚光镜的一侧，非聚光光伏电池设置于中间冷却通道远离下层聚光镜的一侧，即中间冷却通道夹设于聚光光伏电池和非聚光光伏电池之间，聚光光伏电池和非聚光光伏电池进行光伏发电时所产生的热量被中间冷却通道内的工质带走，相比于传统的光伏电池，光伏电池的实际工作温度更低，发电效率更高，不仅能够充分利用冷却通道的冷却能力，还可避免因光伏电池组件的存在而减小下层聚光镜开口可利用面积，从而有效增加太阳能利用效率。
上述线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置工作于光伏-光热运行模式，其适用于太阳辐射高于光热最低需求的情况。在本发明中，上层聚光镜支架4还可以通过滑轨结构12连接下层聚光镜支架5，滑轨结构12上还安装有第二驱动电机13，在滑轨结构12和第二驱动电机13的作用下，上层聚光镜支架4可相对下层聚光镜支架5移动，从而带动上层聚光镜3相对于下层聚光镜2移动，改变二者之间的距离。集热管支架9为一滑轨式伸缩结构，通过其伸缩运动可以改变光伏电池组件6和集热管8在焦线上的位置。
本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置还工作于单一光伏运行模式，其适用于太阳辐射低于光热最低需求的情况。如图2所示，在第二驱动电机13的作用下，上层聚光镜支架4带动上层聚光镜3向下层聚光镜2移动，使上层聚光镜3背向太阳光的面紧贴下层聚光镜2，使两者处于面型重合状态，下层聚光镜2的被上层聚光镜3覆盖的这部分表面，与上层聚光镜3具有相同的面型。与之同时，集热管支架9收缩，光伏电池组件6和集热管8沿下层聚光镜2的焦线方向朝下层聚光镜2移动，聚光光伏电池位于下层聚光镜2的散焦焦斑位置。上层聚光镜3和下层聚光镜2将入射太阳光全部反射至聚光光伏电池，聚光光伏电池利用反射光进行光伏发电。
通过上述结构，本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置可以在光伏-光热运行模式和单一光伏运行模式之间进行切换。当太阳辐射高于光热最低需求时，上层聚光镜3相对下层聚光镜2处于分离伸展状态，聚光光伏电池光伏发电，集热管8进行中温光热利用；当太阳辐射低于光热最低需求时，上层聚光镜3相对下层聚光镜2处于面型重合状态，聚光光伏电池光伏发电。
由此可见，本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，在辐照不足和辐照充足的情况下均可以工作，通过改变上层聚光镜和聚光光伏电池的位置，配合聚光镜相对位置改变实现单一光伏发电利用和光伏-光热利用间的切换，从而实现了宽幅照高效率的利用太阳能。集热管支架的伸缩结构，消除了加工、安装过程中造成的光学损失，同时又可以改变光斑在集热管表面的分布，减小了因光斑集中而带来的集热管热应力问题。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，包括：
装置支架；
两组下层聚光镜支架，对称安装在所述装置支架的顶端；
下层聚光镜，由所述下层聚光镜支架支撑；
集热管支架，其穿过所述下层聚光镜并安装于所述装置支架的顶端；
沿远离下层聚光镜的方向，所述集热管支架依次安装有光伏电池组件支架和集热管，所述集热管位于下层聚光镜的焦线位置，所述光伏电池组件支架顶端安装有光伏电池组件；
两个上层聚光镜，设置在所述下层聚光镜的关于光伏电池组件对称的位置，所述上层聚光镜相对下层聚光镜可在分离伸展状态与面型重合状态之间切换，使线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置工作于光伏-光热运行模式和单一光伏运行模式。
2.如权利要求1所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，还包括：
上层聚光镜支架，所述上层聚光镜通过穿过下层聚光镜的上层聚光镜支架固定于所述下层聚光镜支架；
滑轨结构，以及安装于所述滑轨结构上的第二驱动电机；
在所述滑轨结构和第二驱动电机的作用下，所述上层聚光镜支架相对下层聚光镜支架移动，带动上层聚光镜相对下层聚光镜移动；
所述集热管支架为滑轨式伸缩结构，通过其伸缩运动改变光伏电池组件和集热管的位置。
3.如权利要求2所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，当工作于光伏-光热运行模式时，
所述上层聚光镜支架带动上层聚光镜离开下层聚光镜，使所述上层聚光镜的靠近下层聚光镜边缘的端部紧贴下层聚光镜，沿所述下层聚光镜的边缘至中心的方向，所述上层聚光镜逐渐远离下层聚光镜，所述上层聚光镜处于分离伸展状态，所述光伏电池组件位于上层聚光镜的散焦焦斑位置；
所述上层聚光镜将光伏电池工作波长范围的光反射至光伏电池组件，光伏电池组件利用反射光进行光伏发电；
所述上层聚光镜将光伏电池工作波长范围外的光透射至下层聚光镜，透射至下层聚光镜的光与直接入射至下层聚光镜的光被下层聚光镜反射至集热管进行中温光热利用。
4.如权利要求2所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，当工作于单一光伏运行模式时，
所述上层聚光镜支架带动上层聚光镜向下层聚光镜移动，使所述上层聚光镜背向太阳光的面紧贴下层聚光镜，所述上层聚光镜相对下层聚光镜处于面型重合状态；所述集热管支架带动光伏电池组件和集热管向下层聚光镜移动，所述光伏电池组件位于下层聚光镜的散焦焦斑位置；
所述上层聚光镜和下层聚光镜将入射太阳光全部反射至光伏电池组件，所述光伏电池组件利用反射光进行光伏发电。
5.如权利要求1所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，还包括：配重结构，安装于所述装置支架的与集热管支架对称的一侧。
6.如权利要求1所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，还包括：第一驱动电机，所述第一驱动电机驱动下层聚光镜支架和集热管支架转动，使所述下层聚光镜正对太阳光入射方向。
7.如权利要求4所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，所述下层聚光镜的被上层聚光镜覆盖的表面，与上层聚光镜具有相同的面型。
8.如权利要求3所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，所述光伏电池组件包括聚光光伏电池，所述工作波长范围根据聚光光伏电池的工作波段而定。
9.如权利要求8所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其特征在于，所述光伏电池组件还包括中间冷却通道和非聚光光伏电池，中间冷却通道夹设于聚光光伏电池和非聚光光伏电池之间。
10.如权利要求1所述的线聚焦聚光光伏-光热全光谱梯级利用装置，其征在于，所述上层聚光镜为透光镜片，其朝向太阳光的面涂覆有选择性涂层。
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