CN107255368A - 一种分频式低倍聚光光伏‑高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分频式低倍聚光光伏‑高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统。该系统包括基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器、光热/热电复合集热管、光热二级聚光器以及太阳光实时跟踪系统。所述基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器包括光谱选择性透射玻璃、低倍光伏聚光器，光伏电池、散热翅片。所述光热/热电复合集热管包括同轴的玻璃外管、圆环式金属内管、玻璃内管和热电器件。该太阳能全光谱利用系统不仅可以通过光伏、热电、热机发电，而且也可以选择利用热化学储能，从而实现太阳能全光谱的高效利用。此外，该系统成本低，适用面广泛，具有极大的社会经济效益和广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统。
背景技术
无论是化石能源的逐渐枯竭，还是日益严重的环境问题，都促使以太阳能为代表的可再生绿色能源受到越来越多的关注。目前最具应用前景的太阳能利用方式主要有：光伏、热电以及光热。
太阳能光伏电池利用光生伏特效应，可以将部分太阳光直接转换为电能。由于半导体材料禁带宽度的限制，光伏电池可以利用的太阳光主要集中在可见光范围(波长在300nm至800nm)，因此理想光伏电池的转换效率的Shockley理论极限为30％，这意味着有70％以上的太阳能没有被利用。聚光设备虽然可以通过增加光伏电池的入射光强，提高光伏电池的转换效率，但是高聚光比同时会带来高温，从而降低光伏电池的性能。为了保证光伏电池的转换效率，通常需要额外添加冷却系统。此外，高聚光比也意味着更多未能被光伏利用的太阳能以热能形式耗散掉。目前，适合高倍聚光的光伏材料是砷化镓，该半导体材料不仅转换效率高，而且温度敏感性较低。但是砷化镓材料价格非常昂贵，而且砷是剧毒的。单晶硅材料价格低廉，商用单晶硅太阳能电池的转换效率可以达到22％，是目前主要的量产型光伏电池。然而，单晶硅太阳能电池热敏感性较高，不适用于高倍聚光光伏系统。
太阳能热电器件是通过吸收太阳光，在半导体上形成温度差异，之后利用塞贝克效应产生电流。现有的热电器件转换效率较低，通常低于5％。热电材料需要较低的热导率，同时在热端有较高的温度，以便在整个器件上形成温差。这就意味着热电器件不宜放在光伏电池下面形成串联的光伏-热电耦合系统。
太阳能光热利用的核心是将太阳光以热的形式收集起来，利用高倍聚光设备可以得到温度很高热源。该热源可以通过热机、热电器件转换为电能，或者通过热化学反应转换为化学能。虽然这样可以实现太阳能的全光谱利用，但是整个过程都需要先把太阳能先转换为较低品位的热能，再转换为电能或者化学能，这就导致太阳能全光谱利用效率很低。
因此，实现太阳能高效低成本的全光谱利用，是目前太阳能利用技术的迫切需求和必然趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能全光谱的高效低成本利用的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统。
为了实现该目的，本发明采用的技术方案是：包括带有太阳光实时跟踪系统的若干个基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器以及设置在其反射光路聚焦处的光热/热电复合集热管，在光热/热电复合集热管上方安装有位于其反射光路聚焦处的光热二级聚光器；
所述的基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器包括自上而下依次设置的光谱选择性透射玻璃、低倍光伏聚光器、光伏电池和散热翅片，光谱选择性透射玻璃覆盖在低倍光伏聚光器上方，低倍光伏聚光器贴于光伏电池上方，散射翅片贴于光伏电池下面；
所述的光热/热电复合集热管包括自外向内同轴设置的玻璃外管、圆环式金属内管、热电器件和玻璃内管，热电器件沿周向分布在圆环式金属内管的内环与玻璃内管之间，且在圆环式金属内管的外环内壁面与内环外壁面之间流通传热工质或热化学反应物。
所述的若干个基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器以抛物线或线性菲涅尔式分布。
所述的光谱选择性透射玻璃采用透射可见光300nm～800nm的太阳光，而反射其余波段的太阳光，从而起到分频作用的青蓝色玻璃。
所述的低倍光伏聚光器为复合抛物面聚光器，由高反射率的反光铝或平面镜制成，其聚光比为5，能够将透过选择性透射玻璃的可见光波段的太阳光聚焦在光伏电池上。
所述的散热翅片为直肋或者针肋翅片，其材质为铝。
所述的光伏电池为单晶硅太阳能电池。
所述的热电器件热端紧贴圆环式金属内管的内环内壁面，热电器件冷端与玻璃内管的外壁面相贴。
所述的玻璃外管与圆环式金属内管之间、圆环式金属内管的内环与玻璃内管之间均为真空结构。
所述的圆环式金属内管的外环外壁面设置有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层，圆环式金属内管的内环内壁面上设置有低发射比的镀膜层。
所述的玻璃内管内流通给热电器件冷端降温的空气。
本发明通过结合低倍聚光光伏和光谱选择性透过玻璃，将可见光波段的太阳能光聚焦在光伏电池上，而将其余波段的太阳光聚焦在光热/热电复合集热管。低倍聚光光伏在光谱选择性透过玻璃和散热翅片的作用下，光伏温度温度升高很小，因此可以使用低成本的单晶硅光伏电池。光热/热电复合集热管，不仅可以加热热介质，从而通过热机或者热化学进行能量转换和储存，而且可以在不影响集热的前提下，通过热电器件输出电能，是一种高效的集热管。因此，该分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统不仅可以实现太阳能全光谱的高效利用，而且其设备成本低廉，适用面广泛，具有极大的社会经济效益和广阔的市场前景。
本发明选择性透射玻璃为青蓝色玻璃将可见光波段的太阳光透射至所述光伏电池上，进行光电转换；将其余波段的太阳光反射至所述光热/热电复合集热管上，进行热能收集。
低倍光伏聚光器为复合抛物面聚光器(由高反射率的反光铝制成)或者平面镜，聚光比为5左右。可以将透过所述选择性透射玻璃的可见光波段的太阳光聚焦在光伏电池上。
光伏电池为低成本的单晶硅太阳能电池，其转换效率为22％。光伏电池所用的聚光器为所述低倍光伏聚光器，同时所述选择性透射玻璃又将一部分太阳光反射至所述光热/热电复合集热管上，因此具有所述散热翅片的光伏电池温度升高很小，使所述光伏电池始终保持高效运行。
玻璃外管与圆环式金属内管之间、圆环式金属内管的内环与玻璃内管之间均为真空结构减少热损失，在热电器件良好工作的基础上尽可能的减少导热损失。
圆环式金属内管的外环内壁面与内环外壁面之间流通传热工质或热化学反应物。高温的传热工质可以用于热机发电，而加热热化学反应物可以将热能转换为化学能，进行了能量储存
圆环式金属内管的内环内壁面上具有低发射比的镀膜层，用于减少辐射热损耗。所述玻璃内管内流通空气，用于给所述热电器件冷端降温。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器的结构示意图。
图3是本发明基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器的局部剖面结构示意图。
图4是本发明光热/热电复合集热管的剖面示意图。
图5是本发明光热/热电复合集热管的局部剖面示意图。
图6是本发明另一种实施方式的结构示意图。
图中：1、基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器，2、光热/热电复合集热管，3、光热二级聚光器，4、选择性透射玻璃，5、低倍光伏聚光器，6、光伏电池，7、散热翅片，9、玻璃外管，10、圆环式金属内管，11、玻璃内管，12、热电器件，13、圆环式金属内管内环，14、圆环式金属内管外环。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对发明做进一步详细说明。
实施例1：
参见图1，本实施例包括带有太阳光实时跟踪系统的若干个基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器1以及设置在其反射光路聚焦处的光热/热电复合集热管2，在光热/热电复合集热管2上方安装有位于其反射光路聚焦处的光热二级聚光器3；
如图2所示，基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器1以线性菲涅尔式分布。从图3中可知，基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器1包括自上而下依次设置的光谱选择性透射玻璃4、低倍光伏聚光器5、光伏电池6和散热翅片7，光谱选择性透射玻璃4覆盖在低倍光伏聚光器5上方，低倍光伏聚光器5贴于光伏电池6上方，散射翅片7贴于光伏电池6下面；
选择性透射玻璃4为青蓝色玻璃，可以透射可见光范围(300nm～800nm)的太阳光，而反射其余波段的太阳光。
低倍光伏聚光器5为复合抛物面聚光器，由高反射率的反光铝或平面镜制成，其聚光比为5，能够将透过选择性透射玻璃4的可见光波段的太阳光聚焦在光伏电池6上。
所述光伏电池6为低成本的单晶硅太阳能电池，其转换效率为22％，散热翅片7为直肋或者针肋翅片，其材质为铝。。
如图4所示，光热/热电复合集热管2包括自外向内同轴设置的玻璃外管9、圆环式金属内管10、热电器件12和玻璃内管11，热电器件12沿周向分布在圆环式金属内管10的内环13与玻璃内管11之间，且在圆环式金属内管10的外环内壁面与内环外壁面之间流通传热工质或热化学反应物。
如图5所示，所述热电器件12沿周向分布在所述圆环式金属内管10内环13与所述玻璃内管11之间。所述热电器件12热端紧贴所述圆环式金属内管内环13内壁面，所述热电器件12冷端与所述玻璃内管12外壁面相贴。
所述玻璃外管9与所述圆环式金属内管10之间为真空。所述圆环式金属内管10的外环14内壁面与内环13外壁面之间流通传热工质或热化学反应物。所述玻璃内管11内部流通空气。
本发明具有太阳光实时跟踪系统，尽可能始终保证太阳光垂直入射至基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器1。当太阳光到达基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器1的表面，即，选择性透射玻璃4时，可见光波段的太阳光被透射，进而通过低倍光伏聚光器5聚集在光伏电池6上。由于选择性透射玻璃4仅透射了可见光波段的太阳光，同时光伏电池6下安装了散射翅片7，因此光伏电池6的温度升高很小，光伏电池6则可以选择低成本的单晶硅太阳能电池。另一部分没有被选择性透射玻璃4投射的太阳光将会被反射至光热/热电复合集热管2和光热二级聚光器3，最终被光热/热电复合集热管2吸收，用于加热圆环式金属内管10中传热工质或者热化学反应物，高温的传热工质可以用于热机发电，而加热热化学反应物可以将热能转换为化学能，进行了能量储存。此外，圆环式金属内管内环13与玻璃内管11之间沿周向分布热电器件12，来充分利用圆环式金属内管10中的热能。圆环式金属内管外环14外壁面具有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层。圆环式金属内管内环13内壁面上具有低发射比的镀膜层，同时，圆环式金属内管内环13与玻璃内管11之间为真空，通过这种方法，在热电器件12良好工作的基础上尽可能的减少热损失。玻璃内管11流通空气，用于给热电器件12冷端降温。
实施例2：图6所示，本实施例的基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器15以抛物线形式分布。其他同实施例1。
Claims (10)
1.一种分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：包括带有太阳光实时跟踪系统的若干个基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器(1)以及设置在其反射光路聚焦处的光热/热电复合集热管(2)，在光热/热电复合集热管(2)上方安装有位于其反射光路聚焦处的光热二级聚光器(3)；
所述的基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器(1)包括自上而下依次设置的光谱选择性透射玻璃(4)、低倍光伏聚光器(5)、光伏电池(6)和散热翅片(7)，光谱选择性透射玻璃(4)覆盖在低倍光伏聚光器(5)上方，低倍光伏聚光器(5)贴于光伏电池(6)上方，散射翅片(7)贴于光伏电池(6)下面；
所述的光热/热电复合集热管(2)包括自外向内同轴设置的玻璃外管(9)、圆环式金属内管(10)、热电器件(12)和玻璃内管(11)，热电器件(12)沿周向分布在圆环式金属内管(10)的内环(13)与玻璃内管(11)之间，且在圆环式金属内管(10)的外环内壁面与内环外壁面之间流通传热工质或热化学反应物。
2.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的若干个基于低倍聚光光伏的高倍分频聚光器(1)以抛物线或线性菲涅尔式分布。
3.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的光谱选择性透射玻璃(4)采用透射可见光300nm～800nm的太阳光，而反射其余波段的太阳光，从而起到分频作用的青蓝色玻璃。
4.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的低倍光伏聚光器(5)为复合抛物面聚光器，由高反射率的反光铝或平面镜制成，其聚光比为5，能够将透过选择性透射玻璃(4)的可见光波段的太阳光聚焦在光伏电池(6)上。
5.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的散热翅片(7)为直肋或者针肋翅片，其材质为铝。
6.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的光伏电池(6)为单晶硅太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的热电器件(12)热端紧贴圆环式金属内管(10)的内环(13)内壁面，热电器件(12)冷端与玻璃内管(11)的外壁面相贴。
8.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的玻璃外管(9)与圆环式金属内管(10)之间、圆环式金属内管(10)的内环(13)与玻璃内管(11)之间均为真空结构。
9.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的圆环式金属内管(10)的外环外壁面设置有高吸收比、低发射比的选择性吸收膜层，圆环式金属内管(10)的内环内壁面上设置有低发射比的镀膜层。
10.根据权利要求1所述的分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，其特征在于：所述的玻璃内管(11)内流通给热电器件(12)冷端降温的空气。
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