CN106849859A - 一种太阳能全光谱利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能全光谱利用装置，包括槽式聚光镜、聚光光伏电池和集热管，聚光光伏电池设置于槽式聚光镜反射面的中轴线，集热管设置于槽式聚光镜的焦线处，其朝向槽式聚光镜反射面的底面涂覆有吸收涂层；太阳光经过槽式聚光镜反射面的反射后聚焦至集热管，吸收涂层对太阳光进行截断，部分太阳光被吸收涂层吸收，产生的热能传递给集热管内的工质，向外输出中高温热能；另一部分太阳光被吸收涂层反射，反射的太阳光聚焦于聚光光伏电池上，聚光光伏电池利用反射的太阳光发电。本发明不需要复杂的光学元件，降低了光谱梯级利用过程的光学损失，可减少安装维护成本，显著提高转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能全光谱利用装置，适用于太阳能全光谱梯级利用。
背景技术
目前工业领域中的太阳能利用主要有光伏、光热两种途径。
太阳能光伏利用就是借助光伏电池将入射光的能量转换为电能。当入射光波长处于光伏电池的最佳工作波长范围内时，其能量中绝大部分被转换为电能。当入射光波长不在光伏电池的最佳工作波长范围内时，其绝大部分被转换为中低温热能。过度产热会使光伏电池温度升高，降低光伏电池的光电转换效率，增加不可逆损失。
聚光光伏技术是第三代光伏利用技术，使用透镜或反射镜面等光学元件，将太阳辐射进行聚焦，再通过高转化效率的聚光光伏电池板转换为电能。与目前成熟的光伏技术相比，聚光光伏技术的显著优点是聚光比越高，原材料消耗量越少。但聚光带来更大的产热和温升，限制了其聚光比和光电转化效率的提高。
针对产热问题，现有的一种解决方案是太阳能的光伏光热互补利用。分频利用技术是常见的互补利用形式。所谓分频，就是把不同波长的光分离开。分频后，只允许光伏电池的最佳工作波长范围内的光进入光伏电池，从根本上减少光伏电池产热，提高了其聚光比和光电转化效率；而其他波长的光被用于多种途径。该技术解决了光伏利用的产热问题，实现聚光太阳能的高效综合利用。但分频技术往往需要大量精密光学元件，如滤光片、棱镜、透镜等，对制造加工、安装维护的要求过高；分频后光从一束变为多束，光路过于复杂，造成实际运行中的光学损失过高，装置整体的太阳能利用率低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种太阳能全光谱利用装置，以将聚光光伏技术、光伏光热互补利用技术与吸收涂层技术相结合，以解决聚光光伏技术、光伏光热互补利用技术中存在的上述问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种太阳能全光谱利用装置，包括：槽式聚光镜、聚光光伏电池和集热管；聚光光伏电池设置于槽式聚光镜反射面的中轴线，集热管设置于槽式聚光镜的焦线处，其朝向槽式聚光镜反射面的底面涂覆有吸收涂层；太阳光经过槽式聚光镜反射面的反射后聚焦至集热管，吸收涂层对太阳光进行截断，部分太阳光被吸收涂层吸收，产生的热能传递给集热管内的工质，向外输出中高温热能；另一部分太阳光被吸收涂层反射，反射的太阳光聚焦于聚光光伏电池上，聚光光伏电池利用反射的太阳光发电。
优选地，所述集热管包括同轴的内管和外管，内管底面朝向槽式聚光镜反射面，内管底面外壁涂覆有吸收涂层。
优选地，被吸收涂层吸收的部分太阳光的波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围外，被吸收涂层反射的部分太阳光的波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围内。
优选地，所述最佳工作波长范围为700-1100nm。
优选地，内管和外管底面的横截面轮廓为双曲线的其中一支，该双曲线的焦点与槽式聚光镜的焦点重合。
优选地，还包括冷却通道，其紧贴聚光光伏电池并固定于槽式聚光镜反射面的中轴线。
优选地，还包括驱动电机和跟踪机构，跟踪机构连接槽式聚光镜，驱动电机通过跟踪机构控制槽式聚光镜的转动，使槽式聚光镜的反射面朝向太阳光入射方向，实现太阳辐照的实时追踪。
优选地，当太阳辐照量高于光热利用设计辐照时，增大集热管的工质流量，调整吸收涂层的温度，防止吸收涂层被烧毁；当太阳辐照量低于光热利用设计辐照时，降低集热管的工质流量，防止集热管受热不均导致变形。
优选地，先在内管底面外壁镀吸热涂层，再采用离子镀工艺在吸热涂层上交替镀上Nb2O5和SiO2薄层而制成吸收涂层。
优选地，所述槽式聚光镜为抛物槽式聚光镜或线性菲涅尔聚光镜
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的太阳能全光谱利用装置具有以下有益效果：
(1)使用吸收涂层进行光谱截断，在相同聚光比下对比分频技术，不需要复杂的光学元件，降低了光谱梯级利用过程的光学损失，可减少安装维护成本，显著提高转换效率；有别于分频过程，可以将部分光谱直接吸收为热量，传热不可逆损失小。
(2)相比于光伏电池余热利用技术，由于吸热涂层直接吸收了最佳工作波长范围外的太阳光，可以获得更高温的热能；相比于传统的聚光光伏技术，由于聚光光伏电池只利用其最佳工作波长范围内的太阳光，使得光伏电池工作温度降低，光伏转换效率升高；相比于单一光热利用技术，显著提升了太阳能利用率，且实现自供电。
(3)集热管底面的横截面轮廓为双曲线的其中一支，不仅可适用于各种光热或热化学过程，还可同时充当二次反射镜，反射过程没有能量损失，功能多样，应用广泛。
(4)在太阳辐照量高于光热利用设计辐照和低于光热利用设计辐照的情形下均可正常工作，相比于传统的光伏光热互补利用装置，可以提高全年太阳能利用率，对环境的适应性高。
附图说明
图1为本发明实施例的太阳能全光谱利用装置结构示意图。
符号说明
1-槽式聚光镜；2-驱动电机；3-跟踪机构；4-冷却通道；5-聚光光伏电池；6-吸收涂层；7-外管；8-内管；9-集热管。
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。
吸收涂层技术是新一代光谱技术，通过在光学元件表面涂覆特定涂层，使其对不同波长的入射光表现为不同的光学性质。例如，可以将波长位于光伏电池最佳工作波长范围内的光反射给光伏电池，进行光伏利用；同时吸收其余的光进行光热利用。
参见图1，本发明实施例的一种太阳能全光谱利用装置，包括：槽式聚光镜1、驱动组件、聚光光伏电池组件和集热管9。
聚光光伏电池组件整体设置在槽式聚光镜1的反射面，即图1中的上表面，包括聚光光伏电池5和冷却通道4，聚光光伏电池5紧贴冷却通道4，二者固定于槽式聚光镜1反射面的中轴线上。
集热管9设置于槽式聚光镜1的焦线处，包括同轴的内管8和外管7，内管8底面朝向槽式聚光镜1反射面，底面外壁涂覆有吸收涂层6。内管8和外管7之间为封闭结构，并抽真空。外管7为玻璃材质，透光率为96％以上。
驱动组件包括驱动电机2和跟踪机构3，跟踪机构3连接槽式聚光镜1，驱动电机2通过跟踪机构3控制槽式聚光镜1的转动，使槽式聚光镜1的反射面朝向太阳光入射方向，实现太阳辐照的实时追踪。
本发明的太阳能全光谱利用装置，太阳光经过槽式聚光镜1反射面的反射后聚焦至集热管9，此为第一次反射聚焦，反射的太阳光经集热管外管7聚焦至集热管内管8底面，底面外壁涂覆的吸收涂层6对太阳光进行截断，部分太阳光被吸收涂层6反射，另一部分太阳光被吸收涂层6吸收，吸收涂层6反射的太阳光波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围内，反射的太阳光聚焦于聚光光伏电池5上，聚光光伏电池5利用反射的太阳光发电，进行光伏利用，此为第二次反射聚焦；吸收涂层6吸收的太阳光波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围外，这部分太阳光被吸收涂层6吸收并转化为热能，热能传递给内管8内部的工质，向外输出中高温热能，进行光热利用。
本发明可以采用各种类型的聚光光伏电池，包括但不限于聚光晶硅电池。聚光晶硅电池的截止波长为1100nm。吸收涂层6为多层膜结构，可以通过在内管8底面外壁镀吸热涂层、再采用离子镀工艺在吸热涂层上交替镀上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。针对上述截止波长为1100nm的聚光晶硅电池，吸收涂层6反射波长为700-1100nm的太阳光，而将380-700nm及1100-2500nm的太阳光转化为热能。
由此可见，本发明使用吸收涂层进行光谱截断，在相同聚光比下对比分频技术，不需要复杂的光学元件，降低了光谱梯级利用过程的光学损失，可减少安装维护成本，显著提高转换效率。相比于光伏电池余热利用技术，由于吸热涂层直接吸收了最佳工作波长范围外的太阳光，可以获得更高温的热能；相比于传统的聚光光伏技术，由于聚光光伏电池只利用其最佳工作波长范围内的太阳光，使得光伏电池工作温度降低，光伏转换效率升高；相比于单一光热利用技术，显著提升了太阳能利用率，且实现自供电。
在本发明中，集热管区别于传统的太阳能真空集热管，其底面的横截面轮廓为双曲线的其中一支，该双曲线的焦点与槽式聚光镜1的焦点重合，其顶面和侧面的横截面轮廓可以为多种形状，集热管不仅可适用于各种光热或热化学过程，还可同时充当二次反射镜，反射过程没有能量损失，功能多样，应用广泛。
槽式聚光镜1为线聚焦反射镜，其形式可以有多种，包括但不限于抛物槽式聚光镜、线性菲涅尔聚光镜等。根据工质类别与性质的不同，工质所吸收的中高温热能能够进行多种形式的光热利用，包括但不限于热力循环发电、化工过程反应热、吸收式制冷以及蓄热。
聚光光伏电池5吸收反射的太阳光，其中的大部分太阳光被转化为电能，进行光伏利用，少部分太阳光被转化为热能，这部分热能传递给冷却通道4内的工质带走，相比于传统聚光光伏电池，聚光光伏电池的实际工作温度更低，发电效率更高。
本发明的太阳能全光谱利用装置，当太阳辐照量高于光热利用设计辐照时，可以通过增大集热管内管的工质流量，调整吸收涂层的温度，防止吸收涂层被烧毁。
当太阳辐照量低于光热利用设计辐照时，可以降低集热管内管的工质流量，工质保持低速流动，防止集热管受热不均导致变形，聚光光伏电池正常工作，效率高于传统的聚光光伏利用，相比于传统的光伏光热互补利用装置，本装置可以提高全年太阳能利用率，对环境的适应性高。
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太阳能全光谱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)
1.一种太阳能全光谱利用装置，其特征在于，包括：槽式聚光镜、聚光光伏电池和集热管；
聚光光伏电池设置于槽式聚光镜反射面的中轴线，
集热管设置于槽式聚光镜的焦线处，其朝向槽式聚光镜反射面的底面涂覆有吸收涂层；
太阳光经过槽式聚光镜反射面的反射后聚焦至集热管，吸收涂层对太阳光进行截断，部分太阳光被吸收涂层吸收，产生的热能传递给集热管内的工质，向外输出中高温热能；另一部分太阳光被吸收涂层反射，反射的太阳光聚焦于聚光光伏电池上，聚光光伏电池利用反射的太阳光发电。
2.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，所述集热管包括同轴的内管和外管，内管底面朝向槽式聚光镜反射面，内管底面外壁涂覆有吸收涂层。
3.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，被吸收涂层吸收的部分太阳光的波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围外，被吸收涂层反射的部分太阳光的波长处于聚光光伏电池最佳工作波长范围内。
4.如权利要求3所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，所述最佳工作波长范围为700-1100nm。
5.如权利要求2所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，内管和外管底面的横截面轮廓为双曲线的其中一支，该双曲线的焦点与槽式聚光镜的焦点重合。
6.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，还包括冷却通道，其紧贴聚光光伏电池并固定于槽式聚光镜反射面的中轴线。
7.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，还包括驱动电机和跟踪机构，跟踪机构连接槽式聚光镜，驱动电机通过跟踪机构控制槽式聚光镜的转动，使槽式聚光镜的反射面朝向太阳光入射方向，实现太阳辐照的实时追踪。
8.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，
当太阳辐照量高于光热利用设计辐照时，增大集热管的工质流量，调整吸收涂层的温度，防止吸收涂层被烧毁；
当太阳辐照量低于光热利用设计辐照时，降低集热管的工质流量，防止集热管受热不均导致变形。
9.如权利要求2所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，通过在内管底面外壁镀吸热涂层，再采用离子镀工艺在吸热涂层上交替镀上Nb2O5和SiO2薄层而制成吸收涂层。
10.如权利要求1所述的太阳能全光谱利用装置，其特征在于，所述槽式聚光镜为抛物槽式聚光镜或线性菲涅尔聚光镜。
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