CN110260530B - 一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能聚光和热利用技术领域，特别涉及一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器。包括槽式复合多曲面太阳能聚光器、太阳能电池组件、玻璃盖板、玻璃真空管和直通管，玻璃真空管内设直筒管作为接收体。其中槽式复合多曲面太阳能聚光器将入射到聚光器内的太阳光汇聚到位于聚光器内部焦斑位置的玻璃真空管内，实现聚光光线发热；没有被玻璃真空管接收的太阳光则被反射到位于玻璃盖板内侧的太阳能电池组件上，实现聚光光线发电。同时通过将两块太阳能电池组件板背对板背高低错位布置，形成热风道，在两板背之间形成微换热通道，便于太阳能电池组件工作时产生的热量被微换热通道内空气带走，同时对玻璃盖板表面结霜进行融化，起到除霜的作用。

Description

一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及一种太阳能聚光器，具体涉及一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器，属太阳能聚光和光热光伏应用技术领域。
背景技术
利用太阳能聚光技术可以有效克服所收集到能量品位低的缺点，一方面提高了接收体表面的能流密度，是太阳能光热、光伏技术高效应用的前提之一；另一方面使得太阳能收集装置散热面积小于集热面积，这对于提高太阳能热利用效率是有益的。
但大多太阳能聚光器对跟踪精度要求高，需要实时对日跟踪，从而增大了太阳能聚光利用系统的建造成本，维护成本及耗电总量。虽然免跟踪太阳能聚光器具有接收半角大、无运动部件、换热管路安装简单、对电能等基础设施要求低、适合中低温利用等特点，但在一年的工作周期内输出能量稳定性差，且仅在某一段时间内具有较好的太阳能利用效率，以及对外输出能量类型单一。对于太阳能利用的重要形式——太阳能聚光光热利用技术，主要应用在建筑采暖、跨季度储热、物料干燥等领域，存在供热期间系统运行，非供热期间(如夏天无需供热)系统闲置的问题，同时也无法与太阳能光伏发电技术在同一个器具上实现高效耦合。因此，开展免跟踪光热光伏高效耦合太阳能收集装置的研究具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此：本发明提供一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器，能够实现免跟踪聚光器非有效聚光光线发电、聚光光线发热的联合供能，提高聚光器闲置期的太阳能利用效率。
所述的光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器包括：太阳能聚光器、玻璃真空管、太阳能电池组件、玻璃盖板和支架；
所述太阳能聚光器为槽式复合多曲面太阳能聚光器，包括两段半抛物反射面和两段渐开反射面；其中两段半抛物反射面左右对称设置后，其底部分别与两段渐开反射面的一端相连，两段渐开反射面的另一端连接在一起，由此形成顶部及前后端面开口的壳体结构；
所述太阳能聚光器的顶部开口为入光口，在入光口盖覆玻璃盖板，同时在太阳能聚光器的前后两端开口处安装聚光器侧板；
所述玻璃真空管内部同轴设置有直通管作为接收体，直通管内通热传导介质，用于对外输出热能；所述接收体外圆周面上设置有翅片；所述玻璃真空管安装在太阳能聚光器的焦斑位置；
在所述玻璃盖板内侧设置两个以上相互平行的条形卡槽；每个卡槽内安装一组双面太阳能电池组件，至少在其中一端聚光器侧板上设有透光窗，所述透光窗的位置与太阳能聚光器内部太阳能电池组件的位置相对；所述太阳能电池组件所生成电能由设置在其中一端聚光器侧板上的线槽内的导线输出。
进一步的，所述双面太阳能电池组件由太阳能电池板A和太阳能电池板B板背相对连接而成；所述太阳能电池板A和太阳能电池板B高低错位布置，其中所述太阳能电池板A与卡槽卡接，太阳能电池板B与卡槽端面间有间隙，形成热风道；太阳能电池板A和太阳能电池板B板背之间的间隙形成微换热通道；
双面太阳能电池组件发电过程中，所述微换热通道中的空气受热上升经所述热风道沿玻璃盖板内表面运动，对玻璃盖板上的结霜进行消融；最后气体沿排气通道排出太阳能聚光器。
进一步的，所述排气通道包括：在太阳能聚光器上设置有热风口及两个以上通气孔；
在所述半抛物反射面的顶部向外延伸有聚光器边框，在太阳能电池板B所在侧的聚光器边框内设置有热风通道，所述热风通道与外界连通；同时在该侧聚光器边框内设置有两个以上用于连通太阳能聚光器内部与热风通道的通气孔，热风口及通气孔均在聚光器边框内部与玻璃盖板平行的平面内。
有益效果：
(1)本发明利用多曲面反射聚光器接受半角大的特点，降低了聚光器对跟踪精度的要求，可实现免跟踪布置，同时将入射太阳光进行汇聚，提高位于焦斑位置接收体表面的能流密度；未被接收体接收的太阳光在聚光器内被双面太阳能电池组件接收发电，实现了免跟踪聚光器非有效聚光光线发电、聚光光线发热的联合供能，提高了聚光器闲置期的利用效率和经济性。
(2)发电过程中产生的热空气可对聚光器玻璃盖板上的结霜进行消融，同时玻璃盖板的保护大大减小了太阳能电池组件表面积尘对其发电性能的影响。
(3)本发明在一个器具内将太阳能聚光集热技术与太阳能光伏发电技术高效耦合，保证太阳能聚光集热系统有效运行时间，减小了固定放置太阳能聚光器在非供能期间高温对接收体的损伤，提高了太阳能聚光器分布式应用的能力，实现了零能耗太阳能光热光电应用，具有广阔的应用前景。
(4)采用本发明能够丰富太阳能聚光器的供能方式，消除高纬度地区冬季太阳能聚光集热过程中结霜对效率的影响，能够减小非供能期接收体闷晒所造成的装置寿命缩减的影响，增加槽式复合多曲面太阳能聚光器的运行时间，丰富太阳能聚光器的供能方式，进一步减小太阳能聚光应用系统的建造成本。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为太阳光正入射槽式复合多曲面太阳能聚光器的光路图(其中a、b、c指入射太阳光)；
图3为太阳光入射偏角小于接收半角斜入射槽式复合多曲面太阳能聚光器的光路图(其中d、e、f指入射太阳光)；
图4为太阳光入射偏角大于接收半角斜入射槽式复合多曲面太阳能聚光器的光路图(其中g、h、i指入射太阳光)；
图5为太阳能电池组件微换热通道工作原理图；
图6为不同双面太阳能电池组件代替相同双面太阳能电池组件的实施例图；
图7为本发明在温室大棚前地基布置的排列安装图。
其中：1-聚光器边框；2-太阳能聚光器；3-太阳能电池板B；4-微换热通道；5-太阳能电池板A；6-线槽；7-玻璃盖板；8-热风口；9-通气孔；10-支架；11-玻璃真空管；12-定位销；13-接收体；14-轴承；15-聚光器侧板；16-透光窗；17-热风道；18-半抛物反射面；19-渐开线反射面；20-卡槽；21-风机；22-出风口；23-进风口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器，能够实现免跟踪聚光器非有效聚光光线发电、聚光光线发热的联合供能；该太阳能聚光器可以用在冬季建筑太阳能供热系统、温室大棚供热系统、工业热供应系统等中。
如图1所示，该免跟踪太阳能聚光器包括：太阳能聚光器2、玻璃真空管11、太阳能电池组件、玻璃盖板7和支架10。
其中太阳能聚光器2为槽式复合多曲面太阳能聚光器，包括两段结构相同的半抛物反射面18和两段结构相同的渐开反射面19；抛物反射面指该反射面为半抛物线延伸一定长度后获得，渐开反射面指该反射面为渐开线延伸一定长度后获得，太阳能聚光器2的结构如图2所示。其中两段半抛物反射面18左右对称设置后，其底部分别与两段渐开反射面19的一端相连，两段渐开反射面19的另一端连接在一起，由此形成顶部及前后端面开口的壳体结构。其中顶部开口为太阳能聚光器2中与两段渐开反射面19相对的开口，太阳能聚光器2的顶部开口为入光口，在入光口盖覆玻璃盖板7，同时在太阳能聚光器2的前后两端开口处安装聚光器侧板15。
玻璃真空管11内部同轴设置有金属直通管作为接收体13，直通管内通热传导介质(如空气或导热油)，接收体13外圆周面上设置有翅片，用于吸收更多汇聚过来的太阳光，双面吸收。玻璃真空管11通过支架10支撑在太阳能聚光器2的焦斑位置，玻璃真空管11的轴线与抛物反射面18及渐开反射面19的长度方向一致。具体为：玻璃真空管11的轴向两端分别伸出太阳能聚光器2前后两端的聚光器侧板15后，通过轴承14支撑在前后两端的支架10上，太阳能聚光器2能够绕玻璃真空管11轴线旋转，转动到设定角度后，通过定位销12对太阳能聚光器2进行固定，即通过定位销12将太阳能聚光器2与支架10固接，从而实现太阳能聚光器2免跟踪固定放置。
在玻璃盖板7内侧(朝向太阳能聚光器2内部的一侧)设置多个相互平行的条形卡槽20，卡槽20用于安装太阳能电池组件；卡槽20的长度方向与抛物反射面18及渐开反射面19的长度方向一致。每个卡槽20内安装一组双面太阳能电池组件，双面太阳能电池组件由两个太阳能电池板板背相对连接而成。在太阳能聚光器2前后两端聚光器侧板15上设有透光窗16，透光窗16的位置与太阳能聚光器2内部太阳能电池组件的位置相对，利于大方位角入射太阳光照射到太阳能电池组件上，太阳能电池组件所生成电能由设置在另一端聚光器侧板15上的线槽6内的导线输出。也可只在其中一端聚光器侧板15上设置透光窗16，使用时，通过调整该太阳能聚光器的安装方位，使设置有透光窗16的一端朝东。
该太阳能聚光器冬春季运行时，太阳高度角低，当太阳光以大方位角入射时，穿过太阳能聚光器2侧面透光窗16的太阳光被位于玻璃盖板7内侧下表面的多个太阳能电池组件接收生成电能，对外输出；随着太阳方位角的较小、太阳高度角的增大和太阳辐照度的增加，穿过玻璃盖板7及太阳能电池组件的光线经太阳能聚光器2汇聚到玻璃真空管11内的接收体13上，为接收体13内的热传导介质提供热能，进而实现热能的对外输出，未被玻璃真空管11接收的光线经太阳能聚光器2反射面反射到太阳能电池组件，对外输出电能；此时，太阳能电池组件上接收的太阳能减少，玻璃真空管11上接收的太阳能增加。
夏秋季运行时，太阳高度角大，此时太阳辐照度值较大，大部分太阳入射偏角大于聚光器的接收半角，进入太阳能聚光器2中的大部分太阳光线被太阳能电池组件所接收，对外输出电能；汇聚到玻璃真空管11内的接收体13上的太阳光线仅为进入聚光器2的小部分，有效克服了聚光器对外不输出热能时接收体过热而受损的弊端，提高了装置对太阳能的利用效率和供能总量，延长了聚光器的使用寿命和有效运行时间。
图2为太阳光正入射太阳能聚光器2的光路图，其运行原理解释如下：
光线b和c分别入射到太阳能聚光器2的半抛物反射面18的上、下端点，经反射后汇聚到玻璃真空管11上，则整个抛物反射面上的光线均被反射到玻璃真空管11上，光线a为入射到聚光器2底部渐开线反射面19上，经反射后汇聚到玻璃真空管11上，所汇聚的太阳光线共同提高玻璃真空管11内接收体13中热传导介质的运行温度，对外输出热能。
图3为太阳光入射偏角小于接收半角斜入射太阳能聚光器2的光路图，其运行原理解释如下：
小于聚光器接收半角的斜入射光线d、e、f经聚光器玻璃盖板7沿着相邻两个双面太阳能电池组件的上下边缘进入聚光器2内，经半抛物反射面18和渐开线反射面19反射后被玻璃真空管11所接收，所汇聚的太阳光线共同提高玻璃真空管11内接收体13中热传导介质的运行温度，对外输出热能；未被玻璃真空管11接收的入射太阳光经半抛物反射面18和渐开线反射面19反射后被双面太阳能电池组件所接收，对外输出电能。
图4为太阳光入射偏角大于接收半角斜入射太阳能聚光器2的光路图，其运行原理解释如下：
大于聚光器接收半角的斜入射光线g、h经聚光器玻璃盖板7进入聚光器2中，被双面太阳能电池组件所接收，穿过相邻双面太阳能电池组件间隙的入射光线i经半抛物反射面18和渐开线反射面19反射后继续被双面太阳能电池组件所接收，主要对外输出电能。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，为实现自动除霜功能，进一步设置了热风道17和微换热通道4)，具体为：
每个太阳能电池组件由太阳能电池板A5和太阳能电池板B3板背相对连接而成；其中太阳能电池板A5和太阳能电池板B3高低错位布置，太阳能电池板A5与卡槽20卡接，太阳能电池板B3与卡槽20端面间有间隙，形成热风道17；太阳能电池板A5和太阳能电池板B3板背之间的间隙形成微换热通道4，可以实现内部空气的自然对流换热。
同时在太阳能聚光器2上设置有热风口8及多个通气孔9，太阳能电池组件产生的热空气经热风道17，沿玻璃盖板7经热风口8及通气孔9排出太阳能聚光器2外。具体的：在用于形成太阳能聚光器2的半抛物反射面18的顶部向外延伸有聚光器边框1，在太阳能电池板B3所在侧的聚光器边框1内设置有热风口8，热风口8位于聚光器边框1内，且沿其长度方向延伸，热风口8与外界连通；同时在该侧聚光器边框内1设置有多个用于连通太阳能聚光器2内部与热风口8的通气孔9，通气孔9的轴线垂直于热风口8的轴线，且多个通气孔9沿聚光器边框1的长度间隔分布。由此，热风口8及多个通气孔9均在聚光器边框1内部与玻璃盖板7平行的平面内，采用该种通气孔9和热风口8，能够在保证良好通气的同时，避免雨水进入太阳能聚光器2内部。
图5为微换热通道工作原理图，其运行原理解释如下：
该太阳能聚光器可以自动除霜，冬春季运行时，太阳高度角低，当太阳光以大方位角入射时，穿过太阳能聚光器2侧面透光窗16的太阳光被位于玻璃盖板7内侧下表面的多个太阳能电池组件接收生成电能，对外输出；同时位于太阳能电池组件中板背之间的微换热通道4中的空气吸收发电太阳能电池组件板背热量而受热上升经热风道17沿玻璃盖板7内表面运动，对玻璃盖板7上的结霜进行消融，提高玻璃盖板透光性能；最后受热气体沿玻璃盖板经热风口8从排气孔9排出聚光器。
实施例3：
在上述实施例1或实施例2的基础上，本实施例中在玻璃盖板7内侧设置不同尺寸的太阳能电池组件，如图6所示，在聚光器2上玻璃盖板7内表面居中位置布置面积较大的双面太阳能电池组件，沿着聚光器2横向逐渐减小双面太阳能电池组件的面积，由此能够提高聚光器2对结霜的消融能力，增大聚光器对外输出电能的比例，减少从聚光器逸出的光线数量。
实施例4：
如图7为实施例1-3所述的光伏光热联合供能免跟踪太阳能聚光器在温室大棚前地表布置的排列安装图。
多个光伏光热联合供能免跟踪太阳能聚光器串联(即通过管路将接收体串联)放置于温室大棚前地面，采用空气等作为热传导介质，串联管路的一端伸入温室大棚内作为出风口22，另一端伸入温室大棚内作为进风口23，同时在出风口22端的管路上设置风机21，温室大棚内的空气在风机21驱动下，经进风口23进入串联聚光器内受热升温，经出风口22进入温室大棚内，以提高温室大棚内温度。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)

1.一种光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器，其特征在于：包括：太阳能聚光器(2)、玻璃真空管(11)、太阳能电池组件、玻璃盖板(7)和支架(10)；
所述太阳能聚光器(2)为槽式复合多曲面太阳能聚光器，包括两段半抛物反射面(18)和两段渐开反射面(19)；其中两段半抛物反射面(18)左右对称设置后，其底部分别与两段渐开反射面(19)的一端相连，两段渐开反射面(19)的另一端连接在一起，由此形成顶部及前后端面开口的壳体结构；
所述太阳能聚光器(2)的顶部开口为入光口，在入光口盖覆玻璃盖板(7)，同时在太阳能聚光器(2)的前后两端开口处安装聚光器侧板(15)；
所述玻璃真空管(11)内部同轴设置有直通管作为接收体(13)，直通管内通热传导介质，用于对外输出热能；所述接收体(13)外圆周面上设置有翅片；所述玻璃真空管(11)安装在太阳能聚光器(2)的焦斑位置；
在所述玻璃盖板(7)内侧设置两个以上相互平行的条形卡槽(20)；每个卡槽(20)内安装一组双面太阳能电池组件，至少在其中一端聚光器侧板(15)上设有透光窗(16)，所述透光窗(16)的位置与太阳能聚光器(2)内部太阳能电池组件的位置相对；所述太阳能电池组件所生成电能由设置在其中一端聚光器侧板(15)上的线槽(6)内的导线输出；
所述双面太阳能电池组件由太阳能电池板A(5)和太阳能电池板B(3)板背相对连接而成；所述太阳能电池板A(5)和太阳能电池板B(3)高低错位布置，其中所述太阳能电池板A(5)与卡槽(20)卡接，太阳能电池板B(3)与卡槽(20)端面间有间隙，形成热风道(17)；太阳能电池板A(5)和太阳能电池板B(3)板背之间的间隙形成微换热通道(4)；
双面太阳能电池组件发电过程中，所述微换热通道(4)中的空气受热上升经所述热风道(17)沿玻璃盖板(7)内表面运动，对玻璃盖板(7)上的结霜进行消融；最后气体沿排气通道排出太阳能聚光器(2)；
所述排气通道包括：在太阳能聚光器(2)上设置有热风口(8)及两个以上通气孔(9)；
在所述半抛物反射面(18)的顶部向外延伸有聚光器边框(1)，在太阳能电池板B(3)所在侧的聚光器边框(1)内设置有热风口(8)，所述热风口(8)与外界连通；同时在该侧聚光器边框(1)内设置有两个以上用于连通太阳能聚光器(2)内部与热风口(8)的通气孔(9)，热风口(8)及通气孔(9)均在聚光器边框(1)内部与玻璃盖板(7)平行的平面内；
所述玻璃真空管(11)的轴向两端分别伸出太阳能聚光器(2)前后两端的聚光器侧板(15)后，通过轴承(14)支撑在前后两端的支架(10)上，所述太阳能聚光器(2)能够绕玻璃真空管(11)轴线旋转，转动到设定角度后，通过定位销(12)对太阳能聚光器(2)进行定位。
2.如权利要求1所述的光热光伏耦合供能免跟踪太阳能聚光器，其特征在于，位于所述玻璃盖板(7)内表面居中位置的太阳能电池组件的尺寸最大，其两侧的太阳能电池组件的尺寸按设定比例递减。
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