CN110034720A - 一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统和方法，包括反射聚光薄膜太阳电池组件、聚热装置、蒸汽发生器、汽轮机和DC/AC转换单元。反射聚光薄膜太阳电池组件按能够将太阳光反射汇聚到聚热装置设置。聚热装置、蒸汽发生器、汽轮机依次相连，汽轮机和发电机相连，通过发电机做功发电。反射聚光薄膜太阳电池组件还与DC/AC转换单元相连。反射聚光薄膜太阳电池组件包括红外反射层、薄膜太阳电池和托架，按照从迎光面到背光面依次设置。反射聚光薄膜太阳电池组件既反射和汇聚太阳光，又能透射太阳光，同时起到光热发电和光伏发电的作用。本发明具有能量利用效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，尤其涉及一种利用太阳能同时进行光热利用、光热发电和光伏发电的系统及方法，可实现不同频段太阳能的梯级利用，生产热能和电能。
背景技术
能源是人类发展生存的根本保证，随着经济的发展、人口增长，能源的消耗量与日剧增，化石能源面临枯竭。做一个简单的猜测：地球直径12000km，表面积为4.52×1014m2，假设地球表面都都覆盖着8m厚的厚煤层，则地球的煤炭储量约为4.34×1015t。目前，每年全球约消耗200亿吨煤炭，则基于此假设情景的煤炭尚可供人类消耗21万年。如果不是8m厚煤层，只是1m厚的薄煤层，则减少为2.7万年；如果再假设海洋内的煤层无法开采，则进一步减少为7800年；再考虑其他折减因素，就可能减少到1000年以内！从以上的估算可以看出，化石能源的大量开发和利用，不可逆转地使之终将枯竭。
要解决未来人类的能源利用问题就要大力发展新能源、清洁能源，用新能源替代旧能源是必然趋势。太阳能以其独特的储量“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性，在未来的能源结构中占有重要之地。我国陆地每年接收的太阳辐射总量相当于2.4×104亿吨标准煤，约相当于为我国年均能源消耗的600倍，即只要有1/600的太阳能被利用起来，就可以解决我国的能源供给问题。开发太阳能是“百年大计、千年大计”。太阳能光热发电、光伏发电等都是利用太阳能的可选途径。
光热发电是通过槽式、碟式、塔式等反射聚光聚热装置将太阳能的热量汇聚起来加热空气、导热油、熔盐等工作介质，然后通过朗肯循环或者斯特林循环原动机输出动力，驱动发电机发电，但在光热发电中有一部分可见光和紫外频段的能量被转化成了热量，而这部分能量是可以直接通过光伏发电的方式转换成电能的，可见光通过光伏发电直接转化为电能的效率约50％，远高于光热发电的25％。
光伏发电主要是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。太阳能电池按照材料来说，大致可以分为以下几类：
(1)第一代硅基太阳能电池，主要是指以单晶硅、多晶硅及其与非晶硅复合为基础的太阳能电池，目前实验室效率可以达到25％以上，根据肖特基极限预测，理想最高效率约32％。
(2)第二代多元化合物薄膜太阳能电池，主要包括砷化镓GaAs、磷化铟InP、铜铟镓硒CIGS、碲化镉CdTe太阳能电池等，这类电池的光电转换效率较高，器件性能稳定，电池的吸光层厚度较薄，可以大幅减少原材料消耗，是目前业界看好的薄膜型太阳能电池。
(3)第三代新型太阳能电池，主要包括钙钛矿太阳能电池PSC、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池等。近10年来新兴的杂化钙钛矿太阳能电池PSC迅速受到了世界瞩目，截止2019年3月，该类薄膜电池的最高效率从2009年的3.8％提高到了23.7％。这种钙钛矿薄膜可以涂抹在任意形状的物体表面形成光伏电池，但这类电池只吸收紫外和可见光区段的能量，对红外区域的能量吸收较少。红外区域的能量更适合生产热能，并利用热能去发电，利用热能产生的蒸汽驱动汽轮发电实际可行的效率已经达到50％。如果把太阳视作5800K的黑体，地球的环境温度视为300K，则在太阳与地面之间架设一台锅炉，按照卡诺循环发电最高效率可达85％。可见无论单纯光伏发电和光热发电目前都远远低于这个理想相率。
通过一种装置，将太阳能的红外区域能量汇聚起来以热能的形式利用供热或者发电，将紫外和可见光区域的能量通过光伏发电的形式利用，则可整体上提高太阳能的能源利用效率。
发明内容
本发明旨在提供反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统和方法，充分考虑太阳能利用的频谱特性，将工作在紫外区域、可见光区域的光伏发电和红外区域的光热发电结合起来，尽最大可能的利用太阳能，提供热能和电力等输出。
本发明通过以下技术方案实现：
一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，包括反射聚光薄膜太阳电池组件、聚热装置、蒸汽发生器、汽轮机和DC/AC转换单元；所述反射聚光薄膜太阳电池组件按能够将太阳光反射汇聚到所述聚热装置设置，所述聚热装置、蒸汽发生器、汽轮机依次相连，所述汽轮机和发电机相连；所述反射聚光薄膜太阳电池组件还与DC/AC转换单元相连。
上述技术方案中，所述反射聚光薄膜太阳电池组件包括红外反射层、薄膜太阳电池和托架，按照从迎光面到背光面依次设置；所述薄膜太阳电池选用钙钛矿(PSC)薄膜电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池、多晶硅薄膜电池或碲化镉(CdTe)薄膜电池中的任一种。
上述技术方案中，所述薄膜太阳电池包括透明玻璃层、导电玻璃层、电子传输层、活性层、空穴传输层和背电极层，沿着透射光进入方向依次设置。
上述技术方案中，所述红外反射层选用SiO2和TiO2的多层介质膜。
上述技术方案中，所述活性层选用具有ABX3结构的钙钛矿材料。
上述技术方案中，所述反射聚光薄膜太阳电池组件的横截面为槽式抛物线型。
一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用方法，采用上述一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，所述方法包括：
在聚热装置中加入导热油作为导热介质；
在蒸汽发生器中加入水作为工作介质；
通过反射聚光薄膜太阳电池组件将太阳光反射聚集于聚热装置，使聚热装置内的导热油加热升温后进入蒸汽发生器，与蒸汽发生器中的水换热，使水受热，成为压力为P、温度为T℃蒸汽，并将蒸汽送入汽轮机，使汽轮机驱动发电机发电；导热油换热后温度降低回到聚热装置继续作为导热介质；
使太阳光透射通过反射聚光薄膜太阳电池组件实现太阳能发电，将发电通过DC/AC转换单元转换成交流电。
上述技术方案中，所述蒸汽压力P为3-5MPa，蒸汽温度T为350-500℃。
本发明具有以下优点及突出性效果：①可以同时生产电能和热能；②能源的综合利用率提高，发电效率可提高至30％以上，能源综合利用效率65％以上。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统示意图。
图2为本发明所涉及的反射聚光薄膜太阳电池组件示意图。
图中：1－反射聚光薄膜太阳电池组件；2－聚热装置；3－蒸汽发生器；4－汽轮机；5－DC/AC转换单元；6－托架；7－热用户；8－发电机；9－背电极层；10－薄膜太阳电池；11－红外反射层；12－透明玻璃层；13－导电玻璃层；14－电子传输层；15－活性层；16－空穴传输层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
太阳电磁辐射中99.9％的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。太阳辐射主要集中在可见光部分(400～760nm)，波长大于可见光的红外线(>760nm)和小于可见光的紫外线(<400nm)的部分少。在全部辐射能中，波长在150～4000nm之间的占99％以上，且主要分布在可见光区和红、紫外区，可见光区占太阳辐射总能量的约50％，红外区占约43％，紫外区占总量的约7％。在地面上接收到的太阳辐射的波段范围大约为295～2500nm。短于295nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，不能到达地面。
如附图1所示，一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，包括反射聚光薄膜太阳电池组件1、聚热装置2、蒸汽发生器3、汽轮机4和DC/AC转换单元5。反射聚光薄膜太阳电池组件1的横截面为槽式抛物线型。
如图2所示，反射聚光薄膜太阳电池组件1包括红外反射层11、薄膜太阳电池10和托架6，按照从迎光面到背光面依次设置。红外反射层11选用SiO2和TiO2的多层介质膜。
薄膜太阳电池10选用钙钛矿PSC薄膜电池、铜铟镓硒CIGS薄膜电池、多晶硅薄膜电池或碲化镉CdTe薄膜电池中的任一种。
薄膜太阳电池10包括透明玻璃层12、导电玻璃层13、电子传输层14、活性层15、空穴传输层16和背电极层9，沿着透射光进入方向依次设置。活性层15选用具有ABX3结构的钙钛矿材料。有机金属卤化物CH3NH3PbX3具有典型的钙钛矿ABX3的结构，其中A一般代表CH3NH3 +或NH2CH＝NH2+，B是金属阳离子(Sn2+或Pb2+)，X是卤素阴离子(Cl-，Br-或I-)。
反射聚光薄膜太阳电池组件1按能够将太阳光反射汇聚到聚热装置2设置，尤其是其红外反射层11能够就太阳光中的红外光反射汇聚到聚热装置2。聚热装置2、蒸汽发生器3、汽轮机4依次相连。聚热装置2选用导热油为导热介质。通过反射聚光薄膜太阳电池组件1将太阳光中的红外光反射聚集于聚热装置2，使聚热装置2内的导热油加热升温后进入蒸汽发生器3。蒸汽发生器3以水作为工作介质。导热油与蒸汽发生器3中的水换热，使水受热，成为压力为P、温度为T℃蒸汽。然后将蒸汽送入汽轮机4，使汽轮机4驱动发电机8做功发电。发电机发的电能够传输到电网上。做功后的蒸汽可供用户7使用，和/或回到蒸汽发生器3继续作为工作介质。
导热油换热后温度降低回到聚热装置2继续作为导热介质。
太阳光中的红外光反射后，使其余太阳光透射通过反射聚光薄膜太阳电池组件1，通过薄膜太阳能电池10充分利用和实现太阳能发电，然后将发电通过DC/AC转换单元5转换成交流电后也传输到电网上。
本发明中，在光伏发电方面，太阳能光伏电池主要是吸收可见光，还可以吸收一部分红外波段的光，一般吸收波段是300nm到1100nm。在光热利用方面，紫外、可见光、红外区的辐射能量均可转化为热能。
反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统的表面涂有红外反射层，该红外发射层对波长750nm以上的红外发射率接近1，对小于750nm波长的辐射透射率接近1，使太阳辐射的可见光和紫外辐射透过红外反射层达到活性层产生光伏效应发电，而红外辐射的仍能则可以被聚集起来供给热用户或者汽轮机发电，从而实现了光热和光伏的组合梯级利用。
钙钛矿薄膜电池PSC加工涂覆方便，薄膜可粘附在任何形状基体上。粘附的托架基体截面是抛物线型，薄膜电池则敷设成槽型抛物面，其上的红外反射层可有效反射汇聚热量，聚集在聚热装置内的热量通过介质与蒸汽发生器内的水交换热量，从而产生蒸汽。透过红外反射层的光线在反射聚光薄膜太阳电池组件内通过光伏效应将光能转化为电能。
太阳能中约57％的紫外和可见光能量被用来进行光伏发电，全光谱光伏发电效率按照20％计算(由于红外部分能量被反射，因而按照实际吸收光谱计算效率则高达35％)，47％的红外能量用来光热发电，基于实际吸热热量的光热发电的效率在30％左右。因而，综合发电效率约(35％*57％+30％*47％)＝34％，高于单纯的光伏发电肖特基理论极限。如果考虑将红外辐射能量只做热量利用，则能源利用效率可趋近(35％*57％+47％)＝67％。
以上实施例只示意了钙钛矿薄膜电池PSC的应用案例，采用铜铟镓硒CIGS薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉CdTe薄膜电池构成该系统同样适用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于，所述系统包括反射聚光薄膜太阳电池组件(1)、聚热装置(2)、蒸汽发生器(3)、汽轮机(4)和DC/AC转换单元(5)；所述反射聚光薄膜太阳电池组件(1)按能够将太阳光反射汇聚到所述聚热装置(2)设置，所述聚热装置(2)、蒸汽发生器(3)、汽轮机(4)依次相连，所述汽轮机(4)和发电机(8)相连；所述反射聚光薄膜太阳电池组件(1)还与DC/AC转换单元(5)相连。
2.按照权利要求1所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于，所述反射聚光薄膜太阳电池组件(1)包括红外反射层(11)、薄膜太阳电池(10)和托架(6)，按照从迎光面到背光面依次设置；所述薄膜太阳电池(10)选用钙钛矿薄膜电池、铜铟镓硒薄膜电池、多晶硅薄膜电池或碲化镉薄膜电池中的任一种。
3.按照权利要求2所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于，所述薄膜太阳电池(10)包括透明玻璃层(12)、导电玻璃层(13)、电子传输层(14)、活性层(15)、空穴传输层(16)和背电极层(9)，沿着透射光进入方向依次设置。
4.按照权利要求2所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于：所述红外反射层(11)选用SiO2和TiO2的多层介质膜。
5.按照权利要求3所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于：所述活性层(15)选用具有ABX3结构的钙钛矿材料。
6.按照权利要求1所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于：所述反射聚光薄膜太阳电池组件(1)的横截面为槽式抛物线型。
7.一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用方法，其采用如权利要求1所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用系统，其特征在于，所述方法包括：
在聚热装置(2)中加入导热油作为导热介质；
在蒸汽发生器(3)中加入水作为工作介质；
通过反射聚光薄膜太阳电池组件(1)将太阳光反射聚集于聚热装置(2)，使聚热装置(2)内的导热油加热升温后进入蒸汽发生器(3)，与蒸汽发生器(3)中的水换热，使水受热，成为压力为P、温度为T℃蒸汽，并将蒸汽送入汽轮机(4)，使汽轮机(4)驱动发电机(8)发电；导热油换热后温度降低回到聚热装置(2)继续作为导热介质；
使太阳光透射通过反射聚光薄膜太阳电池组件(1)实现太阳能发电，将发电通过DC/AC转换单元(5)转换成交流电。
8.按照权利要求7所述的一种反射式聚热光热光伏发电组合能源利用方法，其特征在于，所述蒸汽压力P为3-5MPa，蒸汽温度T为350-500℃。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111765652A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-10-13 | 清华大学 | 一种塔式光伏光热组合发电装置 |
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2019
- 2019-04-09 CN CN201910281321.6A patent/CN110034720A/zh active Pending
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