CN110120781A - 一种光伏光热一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光伏光热一体化装置，包括聚光装置、光伏电池单元以及布置在所述光伏电池单元背部的第一通道，其特征在于，还包括吸热滤光组合结构和/或吸热反射组合结构；所述吸热滤光组合结构包括透明壳体，所述透明壳体空腔为第二通道；所述吸热反射组合结构包括吸热反射结构和背部布置的第三通道；汇聚的太阳光线经过波长分光装置后入射到光伏电池单元实现光伏发电。该装置将汇聚的太阳光进行分波段综合高效利用，能够高效输出电能和高温热水，成本低廉，适合大规模推广应用。

Description

一种光伏光热一体化装置
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术和太阳能光热利用技术，尤其涉及一种光伏光热一体化装置。
背景技术
现有技术中常规光伏发电装置的电池片只在部分太阳光波长范围内保持较高的光电转换效率，没有最大限度地对太阳光加以高效利用。而当今社会，随着环境治理的严格化，太阳能光热利用需求越来越大，因此光伏光热一体化装置越来越受到人们的青睐。
公开号为CN201020530609.7的专利提供了一种聚焦棱镜式光伏发电装置，由凸透镜、三棱镜和太阳能电池组件组成，该专利将太阳光在空间上分成多束波长不同的光。公开号为CN201710472248的专利提供了一种光伏光热一体化组件，该组件利用前置的具有聚光功能的水透镜结构吸收一部分热量，进而降低光伏电池单元的工作温度，提升光伏电池单元的工作效率。可见将太阳光进行波长分光后使用能够使太阳光的利用率提高，进而降低成本。现有专利里波长分光装置均为特别设计制作的波长选择性光学元件，成本高昂，影响了大规模推广使用。
传统的光热一体化装置，通常采用在光伏电池单元背部设置吸热板或换热管的方式对工作中的电池板进行散热，一方面可以提高光伏电池板的发电效率(光伏电池单元的工作效率与温度呈反比，温度越高，光伏电池单元的发电效率越低)，另一方面可以输出较低温度的热水。但是为保持光伏电池温度不致过高，该装置一般只能输出40-50℃的热水，品味较低，只能满足居民日常用水需求(洗菜，洗浴等)，远不能满足冬季北方居民楼的大量供暖需求。
如果将电池片无法进行光伏转换或光伏转换效率较低的波段的太阳光进行分离，并且将这部分能量转化为热能，则可以大幅度降低光伏电池单元工作温度，能够接收中低倍汇聚后的光线进行聚光发电，同时这部分分离出的波段能量还能将从光伏电池单元背部的输出散热流体进一步升温，得到高品位的热水。
为了解决现有光伏光热一体化装置成本较高，发电效率低以及无法输出高温高品质热水等问题，有必要对现有光伏光热一体化装置进行改进以提升其综合利用效率并促进其推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉，材料来源广泛，发电集热综合效能高的一体化光伏光热一体化装置，对传统的光伏光热一体化装置进行了优化，采用将太阳光进行分波段利用的方式，对太阳光进行了最大程度的高效利用。
本发明提供了一种光伏光热一体化装置，包括聚光装置、光伏电池单元以及布置在所述光伏电池单元背部的第一通道，其特征在于，还包括吸热滤光组合结构和/或吸热反射组合结构；
进一步地，所述吸热滤光组合结构包括透明壳体，所述透明壳体空腔为第二通道，可以将太阳光部分波段光能量吸收进行热利用；
进一步地，所述吸热反射组合结构包括吸热反射结构和背部布置的第三通道，所述吸热反射组合结构在反射光线的同时，也可以将一小部分太阳光吸收进行热利用；
进一步地，汇聚的太阳光线透过所述吸热滤光组合结构后，入射到光伏电池单元或经吸热反射组合结构反射后入射到光伏电池单元，或者汇聚的太阳光线经吸热反射组合结构反射后，入射到光伏电池单元或透过所述吸热滤光组合结构后入射到光伏电池单元；
进一步地，所述第一通道、第二通道以及第三通道中充满流动的液体工质，所述液体工质流经第一通道对光伏单元降温，进入第二通道和第三通道二者之一或者二者串联组合后，温度进一步升高；
优选地，所述第一通道、第二通道和/或第三通道并联或串联连接，可根据用户使用需求进行选择，以使液体工质升温再利用。
所述液体工质为水或含有防冻成分的水溶液。
进一步地，所述透明壳体呈平板腔式或部分圆环腔式或全部圆环腔式。
进一步地，所述第二通道腔体内部形成的工质透光厚度为2mm-20mm，可根据使用需求进行选择。
进一步地，所述吸热反射结构为金属片或镀有金属层的基体结构或金属膜。
优选地，述吸热反射结构为金属铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜。
进一步地，所述聚光装置为反射式聚光装置或透镜式聚光装置，可以将太阳光进行中低倍聚光。
优选地，所述光伏电池单元为晶硅光伏电池单元或碲化镉光伏电池单元或铜铟镓硒光伏单元。
优选地，所述光伏光热一体化装置还包括保温结构，减小所述液体工质的散热量。
优选地，所述保温结构布置于第一通道和/或第二通道和/或第三通道的外围，以提升光伏光热一体化装置的出水温度。本发明的有益效果在于：
本发明提供的光伏光热一体化装置较传统的光伏光热一体化装置相比，整体效能得到了优化，将汇聚的太阳光进行分波段利用，采用吸热滤光装置和/或吸热反射装置将对光伏电池单元发电效能利用率较低波段的能量进行热吸收，使冷却光伏电池的水温进一步提高，实现发电效率提升的同时，输出高品位的热水。本发明采用水或含有防冻成分的水作为滤光介质，来源广泛且成本低。本发明提供的光伏光热一体化装置结构简单，材料来源广泛，容易获取，能够高效输出电能和高温热水，适合大规模推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了太阳光的不同波长范围对应能量分布；
图2示出了不同种类光伏电池在不同波长范围内的效能曲线；
图3示出了不同金属材料对不同波段的反射率曲线；
图4示出了1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率；
图5、图6示出了一种平板式通道光伏光热一体化装置的结构原理图；
图7示出了另一优选实施例示出的平板式通道光伏光热一体化装置的结构示意图；
图8示出了一种采用环形通道的光伏光热一体化装置的结构示意图；
图9示出了另一优选实施例示出的采用环形通道的光伏光热一体化装置的结构示意图；
图10示出了种一种添加保温层的平板式通道光伏光热一体化装置的结构原理图。
图中，101为光伏电池单元，102为透明壳体，103为吸热反射结构，201 为第一通道，301为液体工质，203为第三通道，401为保温结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示太阳光的不同波长范围对应能量分布为：5％紫外光 (300-400nm)，43％可见光(400-700nm)，52％近红外光(700-2500nm)。
如图2所示为不同种类光伏电池在不同波长范围内的效能曲线，以晶硅光伏电池为例，晶硅在波长500-1100nm范围内的光电效能较高，其他波段太阳光的光谱能量可以由吸收率较高的其他装置进行吸收利用，仅将 500-1100nm波长范围内的光留给晶硅光伏板，这样可以将太阳光进行高效利用。
图3为不同金属材料对不同波段的反射率曲线，根据曲线可以得知，铜在波长700nm以上范围内，反射率较高，均在96％以上；而铜对500nm以下的短波光线的反射率很低，所以可以利用铜吸收短波段(500nm以下)的太阳光，而将其他波段的光线进行反射，基本不影响晶硅电池的光电转换效果。
由于包括晶硅电池在内的各类常规光伏电池都对1100nm以上波段的光线没有光电转换能力，因此找到一种对1100nm以上波段光线吸收率较高的装置，将这部分光线进行吸收利用后，透过的光线仍然可以有效进行光伏发电。
如图4所示，为1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率，在波长1100nm 以上的波段，水层对光线的吸收率较高，而对于1100nm以下的波段光线吸收较少。使用水作为一种吸热滤光介质对大于1100nm的波段进行吸收利用，其他波段光谱透过后进行光伏发电，是最佳的选择。
根据上述物质对太阳光的响应曲线和实验验证，本发明人得出结论：采用水和/或铜材作为光电池前端的分光装置，可以有效提高太阳光的利用程度，并且提升光伏电池的发电效能，同时该设计思路未选用昂贵的定制波长选择性光学器件，而利用了来源广泛的普通材料的基本物性特征，具有非常好的性价比，适合大规模推广应用。
下面结合附图进一步说明本发明的优选实施方式。
实施例一
图5示出了一种采用平板式通道光伏光热一体化装置的结构原理图，包括聚光装置、光伏电池单元101以及布置在所述光伏电池单元101背部的第一通道201，另外，还包括吸热滤光组合结构和/或吸热反射组合结构；所述吸热滤光组合结构包括透明壳体102，所述透明壳体102所形成的空腔为第二通道202，所述第二通道202腔体内部形成的工质透光厚度为2mm-20mm；所述吸热反射组合结构包括吸热反射结构103和背部布置的第三通道203。所述透明壳体呈平板腔式或部分圆环腔式或全部圆环腔式。优选地，所述光伏电池单元101为晶硅光伏电池单元或碲化镉光伏电池单元或铜铟镓硒光伏单元，所述聚光装置为反射式聚光装置或透镜式聚光装置，可以将太阳光进行中低倍聚光，需要注意的是，所述聚光装置在本发明所有附图中未体现，但是在实际应用时，可根据需要采用现有技术中所有形式的反射式聚光装置或透镜式聚光装置。
需要说明的是，本发明各实施例附图中的第一通道和第二通道所形成的腔体仅以管式腔体示出，实际应用时，还包括但不限于平板腔式，部分圆环腔式，全部圆环腔式。
所述第一通道201、第二通道202以及第三通道203中充满流动的液体工质301，所述液体工质301为水或含有防冻成分的水溶液；所述透明壳体 102优选为玻璃，透过率较高；所述透明壳体102呈平板腔式；所述光伏电池单元101优选为晶硅光伏电池单元。所述第一通道201、第二通道和/或第三通道203并联或串联连接
本实施例中的光伏光热一体化装置将汇聚的太阳光分为3个波段进行利用。第一步，通过聚光装置汇聚后的太阳光线透过所述吸热滤光组合结构，波段为1100nm以上的光谱大部分被所述吸热滤光组合结构中第二通道202 中的液体工质301吸收，转化为热量被水工质带走；第二步，透过所述吸热滤光组合结构的光线进一步照射到所述吸热反射组合结构上，经所述吸热反射组合结构反射后入射到所述光伏电池单元101实现光伏发电。其中所述吸热反射结构103为金属片或镀有金属层的基体结构或金属膜。优选地，所述吸热反射结构103为金属铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜，本实施例中优选为镀有金属铜层的基体结构，所述吸热反射结构103将 700-1100nm范围波段的光进一步反射，将700nm以下波段的光进行热吸收，热量被所述第三通道203内的液体工质301带走；第三步，被所述吸热反射结构103反射的光线到达所述光伏电池单元101上，所述光伏电池单元101将700-1100nm波段范围内的光能高效转化为电能，其余少量能量被所述光伏电池单元101吸收转化为热能，被所述第一通道201内的水工质带走。
如此，优选将所述水工质首先流经所述第一通道201对所述光伏电池单元101降温，控制所述光伏电池单元101的工作温度，以保证所述光伏电池单元101稳定的发电效率，然后水工质依次进入所述第三通道203和所述第二通道二者串联组合后，形成高品质的热水以供用户使用。
图6示出了另一种平板式通道光伏光热一体化装置的结构形式，将图5 中的吸热反射组合结构取消，其他结构不做改变，工作原理类似。所述水工质优先通过所述第一通道201升温后，直接进入所述第二通道202进一步升温后，最终输出高品质的热水。这种实施方式更加简化，将汇聚的太阳光分为两个波段的能量，分别高效加以利用，也可以达到与图5类似的有益效果。
实施例二
图7示出了另一优选实施例示出的平板式通道光伏光热一体化装置的结构示意图；本实施例较实施例一中图5相似，也是将汇聚的太阳光分为3 个波段，通过所述聚光装置汇聚后的太阳光依次通过所述吸热反射组合结构和所述吸热滤光组合结构，分别对太阳光波段700nm以下和1100nm以上的能量进行吸收，转化为热量后加以利用，其余光线到达所述光伏电池单元101 实施发电，所述光伏电池单元将700nm-1100nm波段范围内的能量高效转化为电能，其余小部分能量转化为热能加以利用。所述第一通道201、第二通道202和第三通道203并联或串联连接。当采用并联的连接方式时，水工质分别通过所述第一通201道、第二通道202以及第三通道203进行升温，从三个不同的通道中输出热水；当采用串联的连接方式时，水工质依次通过所述第一通201道、第二通道202以及第三通道203进行升温，最终输出高品质的热水。
需要说明的是，上述实施例方案可以简化为汇聚的太阳光线经吸热反射组合结构反射后，入射到光伏电池单元的实施例，该方案在申请中不再赘述。
实施例三
如图8所示，给出了一种采用环形通道的光伏光热一体化装置的结构示意图，包括聚光装置、光伏电池单元101以及布置在所述光伏电池单元背部的第一通道201，另外还包括吸热滤光组合结构和吸热反射组合结构；所述吸热滤光组合结构包括透明壳体102，所述透明壳体102呈部分圆环腔式，所述部分圆环腔为第二通道202；所述吸热反射组合结构包括吸热反射结构 103和背部布置的第三通道203，所述第三通道203为部分圆环腔。所述光伏电池单元101例如为晶硅光伏电池单元。在本实施例装置的第一通道201 和/或第二通道202和/或第三通道203的外围外部还布置有保温结构401，以减少通道中液体工质301的散热量。本实施例中，所述保温结构401仅布置于第三通道203的部分圆环的外围，以提升光伏光热一体化装置的出水温度。
优选地，所述第二通道202和第三通道203可以贯通布置；进一步地，所述第二通道202和第三通道203可以分隔布置，共同组成同一圆环。所述圆环的厚度为2mm-20mm,优选地，所述圆环的厚度为4mm。所述吸热反射组合结构103为金属膜，优选为金属铜银膜，所述铜膜布置在所述第三通道203 部分圆环的内表面上。优选地，所述圆环为两根同轴心布置的玻璃管组成，本实施例中的光伏光热一体化装置结构简单，用材便宜，分光工作原理与实施例一相同，集热工作原理与实施例二相同。
实施例四
图9示出了另一优选实施例示出的采用环形通道的光伏光热一体化装置的结构示意图；本实施例的工作原理与实施例三类似，所述第一通道201、第二通道202和第三通道203分隔布置，共同组成同一圆环，所述光伏电池单元101的宽度方向的两端与所述圆环内壁相固定接触，所述光伏电池单元 101的宽度小于所述圆环内圆的直径，所述吸热反射组合结构为金属膜，优选为金属铜膜103，布置在由光伏电池单元101拆分的大部分圆环的部分内壁上，所述金属铜膜103的一端与所属光伏电池单元101靠近布置。本实施例的分光工作原理与实施例一相同，集热工作原理与实施例二相同。
实施例五
图10示出了种一种添加保温结构的平板式通道光伏光热一体化装置的结构原理图，与实施例一中仅有吸热滤光组合结构的装置类似，还布置了保温结构401，所述保温结构401布置于第二通道202的上表面和下表面，所述保温结构401可以为真空保温结构或其他任意透光率高形式的保温结构。本实施例的工作原理与实施例一中的第二种形式的仅有吸热滤光组合结构的光伏光热一体化装置相同。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种光伏光热一体化装置，包括聚光装置、光伏电池单元以及布置在所述光伏电池单元背部的第一通道，其特征在于，还包括吸热滤光组合结构和/或吸热反射组合结构；
所述吸热滤光组合结构包括透明壳体，所述透明壳体空腔为第二通道；
所述吸热反射组合结构包括吸热反射结构和背部布置的第三通道；
汇聚的太阳光线透过所述吸热滤光组合结构后，入射到光伏电池单元或经吸热反射组合结构反射后入射到光伏电池单元，或者
汇聚的太阳光线经吸热反射组合结构反射后，入射到光伏电池单元或透过所述吸热滤光组合结构后入射到光伏电池单元；
所述第一通道、第二通道以及第三通道中充满流动的液体工质。
2.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述液体工质流经第一通道吸收热量对光伏电池单元降温，进入第二通道和第三通道二者之一或者二者串联组合吸收热量。
3.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述第一通道、第二通道和/或第三通道并联或串联连接。
4.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述液体工质为水或含有防冻成分的水溶液。
5.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述透明壳体呈平板腔式或部分圆环腔式或全部圆环腔式。
6.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述第二通道腔体内部形成的工质透光厚度为2mm-20mm。
7.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述吸热反射结构为金属片或镀有金属层的基体结构或金属膜。
8.根据权利要求7所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述吸热反射结构为金属铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜。
9.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述聚光装置为反射式聚光装置或透镜式聚光装置。
10.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述光伏电池单元为晶硅光伏电池单元或碲化镉光伏电池单元或铜铟镓硒光伏单元。
11.根据权利要求1所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，还包括保温结构。
12.根据权利要求10所述的一种光伏光热一体化装置，其特征在于，所述保温结构布置于第一通道和/或第二通道和/或第三通道的外围。
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CN201256368Y (zh) * 2008-07-23 2009-06-10 黄加玉 高效率低成本太阳能热电联产系统
CN106849859A (zh) * 2017-01-22 2017-06-13 中国科学院工程热物理研究所 一种太阳能全光谱利用装置
CN209982429U (zh) * 2019-04-01 2020-01-21 北京兆阳能源技术有限公司 一种光伏光热一体化装置

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