CN111404449A - 一种浮动式水面太阳能光伏发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮动式水面太阳能光伏发电系统，包括浮动式集光单元、传导单元、发电单元和牵引单元；所述浮动式集光单元漂浮在水面上用于收集太阳光，且浮动式集光单元与牵引单元牵引连接；所述传导单元为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接浮动式集光单元，光纤传导装置的输出端连接发电单元；所述发电单元设置在牵引单元上。本发明将浮动式集光单元与发电单元分离，无需先行建立工作平台或人工岛，即可实现水面光伏发电的布置与运行。牵引单元还可带动整个发电系统移动，提升了系统整体的可靠性和运输的便捷性，系统可依据水域的气候条件，实时运送到适宜于太阳能发电的区域。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种浮动式水面太阳能光伏发电系统。
背景技术
水面光伏发电系统是利用浮块将光伏组件漂浮在水面进行发电的一种新型太阳能发电系统，相对于陆地光伏发电系统而言，能够有效节约土地资源占用，大幅提高了光伏发电效率，同时对于减少水面蒸发、抑制藻类繁殖和保护水资源都具有重要作用。当前，日本、英国、韩国和新加坡等世界上多个国家都在积极推广和建设这种新型光伏发电系统，与之相比，我国起步较晚但是发展较快，但是却已经是全球最大的水面光伏发电系统建设国。未来，全球水面光伏发电系统市场规模将持续高速增长。
我国发展水面光伏发电系统具有以下优势：（1）我国东南沿海人多地少，电力需求量较大，发展水面光伏系统可以在不占用土地的前提下有效缓解局部能源压力；（2）我国内陆水库和湖泊众多，水域面积广大，具备大规模内陆推广水面光伏发电系统的地域优势，同时水面光伏系统还可以有效减少水面蒸发量，缓解北方内陆的用水压力；（3）我国有3.2万公里长海岸线，沿线发展水面光伏系统，可全面为沿线经济发达地带提供电力支持。
现有的水面光伏发电系统一般也采用聚光发电系统和非聚光发电系统两大类。聚光发电系统主要由太阳能电池、集光器、太阳光定位追踪系统组成，应用集光器能够将太阳光聚焦到入光面1/10至1/1000甚至更小的接收面（太阳能电池）上，相对于非聚光发电系统，聚光发电系统能够大幅度减少太阳能电池的使用面积和提高系统转换效率，进而有效节省光伏发电的成本，相对于平板非聚光太阳能电池而言，其转化电流能够提高2 倍以上，其发电效率可提高30%以上，进而有效地减少了太阳能电池的用量，降低了光伏发电成本。聚光发电系统是将光学技术与太阳能电池发电技术有机结合起来的一种高效发电模式。
然而，聚光发电系统在应用于水面光伏发电存在以下几个问题：（1）集光器结构精密复杂，整体设计制造难度较大，在水面布置困难，且集光器很难水面工作环境；（2）太阳光定位追踪系统对系统运行的长期可靠性要求较高，在水面布置困难；（3）需要搭建水上工作平台，成本高，并且水上工作平台很难满足聚光发电系统的工作要求。
公告号CN110920819A的发明公开了一种浮式太阳能高压气垫发电岛，包括漂浮在海面上的主体和用于发电的光伏板，光伏板布置于主体的表面，主体包括外围环形走廊、十字分隔走廊，气垫模块，以及用于支撑气垫模块的第一依附管组和第二依附管，十字分隔走廊设于外围环形走廊中且十字交叉点与外围环形走廊的中心重合，第一依附管组位于水面上，第二依附管位于水面下，气垫模块包括水平设置的平面气垫和竖向设置的裙带部分，平面气垫与第一依附管组连接，裙带部分的顶端与第一依附管组连接，底端与第二依附管连接，光伏板安装于平面气垫上。与现有技术相比，本发明通过设计十字分隔走廊有助于提高浮式太阳能高压气垫发电岛的稳定性，并且便于在大尺寸的应用时安装光伏板等设备，以及现场检修。
但是该技术方案仍然是先建岛，再安装光伏发电模块的思路，工作成本高，不适用于聚光发电系统。
公告号CN110380680A的发明公开了一种非跟踪式聚光光伏发电装置，涉及太阳能发电技术领域，包括串行连接并呈矩阵排列的各光伏发电单元和封装于各光伏发电单元外部的封闭盒体，太阳能电池片位于光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于光纤光锥光伏聚光器外部并将光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成光伏发电单元。本发明能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，不仅可以接收直射光，而且还可以接收漫射光，无需跟踪太阳便可以实现空间大角度太阳光线收集并通过圆形太阳能电池将太阳能转化为电能，解决现有技术在入射光线偏离聚光器轴心较大时不适用的问题。
该技术方案中各锥形光纤大端对大端、小端对小端由内向外紧贴密排构成整体呈锥形结构且小端朝下、大端朝上的光纤光锥光伏聚光器，太阳能电池片位于所述光纤光锥光伏聚光器底部，其受光面与所述光纤光锥光伏聚光器的小端紧密贴合，固定支架设于所述光纤光锥光伏聚光器外部并将所述光纤光锥光伏聚光器支撑固定，构成所述光伏发电单元。光纤光锥光伏聚光器能够利用各个方向的锥形光纤接收其对应的各个方向的太阳光线，虽然相对于现有的集光器，能够提高太阳光线的汇聚收集，且无需太阳光定位追踪系统，但是其光纤光锥光伏聚光器的结构精密复杂，整体设计制造难度较大，运行成本高，很难在水面应用。
公告号CN105144403B的发明公开一种太阳能光纤光伏发电装置。该装置包括聚光单元(1)、分光单元(8)和光纤发电单元；聚光单元用于将入射光进行聚光处理；分光单元用于将自然光或经聚光单元处理后的光根据光的波长进行分光处理；发电单元用于利用分光单元处理后的光源转化成电能。该装置将太阳光通过聚光结合分光处理后导入发电单元进行能量转换，可高效、快速的将太阳能转化为电能，发电量大而且环保。
该技术方案中光纤主要应用与发电单元，其对于聚光单元仍存在结构精密复杂以及需要太阳光定位追踪系统的缺陷，很难在水面应用。
公告号CN102943989A的发明专利提供一种太阳光室内照明光纤传导装置及其工作方法，太阳光室内照明光纤传导装置由定位单元、采光单元、板式框架、固定板、活动板和驱动机构构成。采光单元和定位单元的双球节在双球节定位孔中由固定板和活动板夹持，组成互相平行的双球节组合并行机械结构，由驱动机构驱动活动板，使得采光单元和定位单元在跟踪太阳时平行摆动；采用定位光纤在十字定位光纤头上十字排列以及定位光纤与光敏元件一一对应的光耦合实现光纤传导装置的全部采光单元对太阳同步跟踪。本发明外观紧凑，整体呈板状，安装位置并不局限于楼顶，也可以壁挂于楼宇的外墙上，有利于实现建筑一体化，适用于背阴房间和地下室的自然光照明。
该技术方案首先是作为室内照明用，虽然其中采用光纤进行光纤传导，但其采光单元仍存在结构精密复杂的问题，并且需要定位单元配合跟踪太阳，运行成本较高，很难在水面应用。
公告号CN107800375A的一种太阳能发电装置，包括立柱、支架结构、驱动机构和多个太阳能聚光发电单元，各太阳能聚光发电单元各包括一支撑架、一多抛物面聚光器、一太阳能电池组件和一栅型散热器。本发明将单抛物面聚光器设计成多抛物面聚光器，不同子抛物面分别将太阳光汇聚到太阳能电池组件表面，通过一定算法，使太阳能电池组件表面得到的光照均匀度、光的能量明显优于相同聚光倍率的单抛物面聚光器。
该技术方案采用单抛物面聚光器，仍是传统的聚光器结构，存在集光器结构精密复杂，整体设计制造难度较大的问题，很难在水面应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浮动式水面太阳能光伏发电系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种浮动式水面太阳能光伏发电系统，包括浮动式集光单元、传导单元、发电单元和牵引单元；
所述浮动式集光单元漂浮在水面上用于收集太阳光，且浮动式集光单元与牵引单元牵引连接；
所述传导单元为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接浮动式集光单元，光纤传导装置的输出端连接发电单元；
所述发电单元设置在牵引单元上。
所述浮动式集光单元包括浮体，浮体上布置有光纤集光层结构，光纤集光层结构包括由下至上依次布置的反射层和光纤编制层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面；
光纤传导装置的输入端连接纤编织层的光纤束末端。
所述光纤编织层由未加包层的光纤束按纬向法编制。
所述浮体为气囊型结构，气囊型结构的下半部填有发泡材料，气囊型结构的上半部为透明材料制成的膜状结构，光纤集光层结构设置在膜状结构的内衬处。
所述浮动式集光单元呈阵列布置并连接形成浮动式集光单元方阵，浮动式集光单元方阵与牵引单元牵引连接。
所述发电单元包括菲尼尔透镜、太阳能电池板和蓄电池，光纤传导装置的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜，经菲尼尔透镜聚光后进入太阳能电池板将太阳能转化为电能，电能储存在蓄电池中。
所述光纤编织层有两个光纤束末端，其中一个光纤束末端与光纤传导装置的输入端连接。
还包括反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与纤编织层的另一个光纤束末端连接。
所述 LED发光装置由发电单元的蓄电池供电。
本发明的有益效果是：
1.本发明将浮动式集光单元与发电单元分离，浮动式集光单元漂浮在水面上用于收集太阳光，且浮动式集光单元与牵引单元牵引连接，发电单元设置在牵引单元上，然后发电单元与浮动式集光单元通过传导单元连接，通过该设计，无需先行建立工作平台或人工岛，即可实现水面光伏发电的布置与运行。
牵引单元还可带动整个发电系统移动，提升了系统整体的可靠性和运输的便捷性，系统可依据水域的气候条件，通过牵引单元实时运送到适宜于太阳能发电的区域，省去了传统太阳能跟踪系统。
同时浮动式集光单元构件便于工厂预制，可采用岸边组装和水路运输的方式、极大的降低了成本。
2. 本发明浮动式集光单元包括浮体，浮体上布置有光纤集光层结构，为光纤集光层结构其包括由下至上依次布置的反射层和光纤编制层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面，当太阳光线照射在光纤编制层的整段光纤上时，一部分光线发生折射进入到光纤中，在反射层的作用下，一部分光线会在光纤的内部发生反射并沿着光纤纤维的方向传导，最终汇集到光纤纤维束的末端，另外一部分光线产生折射耗散再次传播到空气中，由于光纤编制层中每根光纤都整体暴露在太阳光下，就弥补了这一部分折射光纤的耗散，同时光纤编制层为面结构，接收的太阳光更多，进而提高了光纤对太阳光线的汇集效率。
本发明的光纤集光层结构相对于传统集光器而言，所采用的光纤编制层具有成本低廉、结构简单和制作方便等优点，省去了传统集光器复杂的光学元件集光系统和太阳光定位追踪系统，虽然单位面积上的集光效率不如传统集光器，但是由于采用由光纤束编制成面，能够依据设计要求制作成任意尺寸的编织布，因而，在展开的情况下能够最大的限度的汇聚太阳光，弥补单位面积上的光纤耗散损失。
本发明中光纤集光层结构的反射层设计，光纤所收集的光能，要考虑到光能的散射和折射损耗，因而在光纤集光层结构的底面增加反射层，到达减少光能的散射和折射损耗，增加光能的收集效率的目的。
4. 本发明中浮体为气囊型结构，气囊型结构的下半部填有发泡材料，气囊型结构的上半部为透明材料制成的膜状结构，光纤集光层结构设置在膜状结构的内衬处，采用这样的组合有效提升了产品的抗老化、机械强度和耐腐蚀性，并且大幅度减小了水面光伏发电系统单体的自重，增强了发电单体的浮力。
5. 本发明中浮动式集光单元呈阵列布置并连接形成浮动式集光单元方阵，浮动式集光单元方阵与牵引单元牵引连接，实现系统化、整体化作业。
6．本发明还加有反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与纤编织层的另一个光纤束末端连接，其结合LED照明和光纤传导原理，利用光线在未加包层的纯光纤中传导的过程中会存在光纤的反射与折射的耗散特性，LED发光装置采用不同滤镜变换灯光颜色，实现整个光纤编织层呈现出不同的颜色，大幅度提升整个发电单体的在夜晚的辨识度，便于夜间的检查维修和警示过往船只。
7．本发明的利用光纤传导装置将聚集的太阳光汇集在菲尼尔透镜上，通过透镜的聚焦功能，有效的增强光线的强度，结合太阳能电池板和蓄电池，实现了太阳能/电能的有效转化。
太阳能电池板，由于菲尼尔透镜的聚焦作用，大幅提升了光能的利用率，从而有效的减小了太阳能电池板的尺寸，更便于适应产品的规格尺寸限制要求。
附图说明
图1是本发明的工作示意图；
图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明浮动式集光单元的示意图；
图4是本发明的光纤集光层结构的断面示意图；
图5是本发明的光纤集光层结构的平面示意图；
图6是本发明的光纤集光层结构收集太阳光线原理示意图；
图7是本发明的光纤集光层结构反向发光原理示意图；
图8是本发明的储能电路设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1至图8所示，本发明的一种浮动式水面太阳能光伏发电系统，包括浮动式集光单元1、传导单元2、发电单元和牵引单元5。
浮动式集光单元1漂浮在水面上用于收集太阳光，且浮动式集光单元1与牵引单元5牵引连接；
传导单元2为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接纤编织层的其中一光纤束末端，光纤传导装置的输出端连接发电单元。光纤传导装置为加包层的光纤束。
发电单元设置在牵引单元5上。牵引单元5可选取拖船。
本实施例中，浮动式集光单元1呈阵列布置并连接形成浮动式集光单元方阵，浮动式集光单元方阵与牵引单元5牵引连接。
本发明将浮动式集光单元1与发电单元分离，浮动式集光单元1漂浮在水面上用于收集太阳光，发电单元设置在牵引单元5上，然后发电单元与浮动式集光单元1通过传导单元2连接，通过该设计，无需先行建立工作平台或人工岛，即可实现水面光伏发电的布置与运行。
牵引单元5还可带动整个发电系统移动，提升了系统整体的可靠性和运输的便捷性，系统可依据水域的气候条件，通过牵引单元实时运送到适宜于太阳能发电的区域，省去了传统太阳能跟踪系统。
浮动式集光单元1通过方阵加强稳定性，并且由于发电单体采用轻型化设计，结合方阵优化布局设计，可有效抵御台风侵袭。
浮动式集光单元1包括浮体10，浮体10上布置有光纤集光层结构，光纤集光层结构包括由下至上依次布置的反射层11和光纤编制层12，光纤编织层12由未加包层的光纤束按纬向法编制成面，采用多根纱线沿着横向（纬线）顺序依据浮体的形状尺寸进行编织，均匀布置在气囊内部表面，编织布的两端各都留有一套纤维束，形成两个光纤束末端。
如图6所示，当太阳光线照射在光纤编制层12的整段光纤上时，一部分光线发生折射进入到光纤中，在反射层的作用下，一部分光线会在光纤的内部发生反射并沿着光纤纤维的方向传导，最终汇集到光纤纤维束的末端，另外一部分光线产生折射耗散再次传播到空气中，由于光纤编制层12中每根光纤都整体暴露在太阳光下，就弥补了这一部分折射光纤的耗散，同时光纤编制层为面结构，接收的太阳光更多，进而提高了光纤对太阳光线的汇集效率。
本发明的光纤集光层结构相对于传统集光器而言，所采用的光纤编制层12具有成本低廉、结构简单和制作方便等优点，省去了传统集光器复杂的光学元件集光系统和太阳光定位追踪系统，，虽然单位面积上的集光效率不如传统集光器，但是由于采用由光纤束编制成面，能够依据设计要求制作成任意尺寸的编织布，因而，在展开的情况下能够最大的限度的汇聚太阳光，弥补单位面积上的光纤耗散损失。
反射层11选用图银涂层，光纤所收集的光能，要考虑到光能的散射和折射损耗，因而在光纤集光层结构的底面增加反射层，到达减少光能的散射和折射损耗，增加光能的收集效率的目的。
本实施例中，浮体10为气囊型结构，由防破损透明EVA 树脂薄膜气囊，防漏气安全阀组成。气囊型结构的下半部填有发泡材料13（选用高密度聚乙烯材料和填聚氨酯泡沫材料复合制成），气囊型结构的上半部为透明材料制成的膜状结构，光纤集光层结构11设置在膜状结构的内衬处，采用这样的材料组合有效提升了产品的抗老化、机械强度和耐腐蚀性，并且大幅度减小了水面光伏发电系统单体的自重，增强了发电单体的浮力。
所述发电单元包括菲尼尔透镜31、太阳能电池板32和蓄电池33，光纤传导装置2的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜31，经菲尼尔透镜31聚光后进入太阳能电池板32将太阳能转化为电能，电能储存在蓄电池33中。
本发明的利用光纤传导装置将聚集的太阳光汇集在菲尼尔透镜31上，通过透镜的聚焦功能，有效的增强光线的强度，结合太阳能电池板32和蓄电池33，实现了太阳能/电能的有效转化。
太阳能电池板32，由于菲尼尔透镜31的聚焦作用，大幅提升了光能的利用率，从而有效的减小了太阳能电池板的尺寸，更便于适应产品的规格尺寸限制要求。
本发明的一种浮动式水面太阳能光伏发电系统，还包括反向照明单元，反向照明单元只在夜间工作。反向照明单元包括LED发光装置41和LED光传导装置42，LED发光装置41产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置42的输入端，LED光传导装置42的输出端与纤编织层12的另一个光纤束末端连接。
本实施例中， LED发光装置41由发电单元的蓄电池供电。LED光传导装置为加包层的光纤束。
反向照明单结合LED照明和光纤传导原理，如图7所示，利用光线在未加包层的纯光纤中传导的过程中会存在光纤的反射与折射的耗散特性，LED发光装置采用不同滤镜变换灯光颜色，实现整个光纤编织层呈现出不同的颜色，大幅度提升整个发电单体的在夜晚的辨识度，便于夜间的检查维修和警示过往船只。
本实施例还公开了浮动式水面太阳能光伏发电系统的储能电路，如图8所示，储能电路主要由FWSPVS发电阵列（浮动式水面太阳能光伏发电系统，Floating Water SurfacePhotovoltaic System, 简称FWSPVS）、控制器、逆变器四个主要部分组成。
FWSPVS发电阵列：主要由FWSPVS发电单体构成的串并联组件、防逆流二极管和旁路二极管构成。FWSPVS发电单体按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。防逆流二极管，能够有效防止电流从蓄电池反向流向FWSPVS发电阵列以及保护失效FWSPVS发电单元。旁路二极管，能够保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏；控制器：是为了控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；逆变器：能够按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以用于水上或离岸的直流或交流负载供电。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “前”、“后”、上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
Claims (9)
1.一种浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：包括浮动式集光单元、传导单元、发电单元和牵引单元；
所述浮动式集光单元漂浮在水面上用于收集太阳光，且浮动式集光单元与牵引单元牵引连接；
所述传导单元为光纤传导装置，光纤传导装置的输入端连接浮动式集光单元，光纤传导装置的输出端连接发电单元；
所述发电单元设置在牵引单元上。
2.根据权利要求1所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述浮动式集光单元包括浮体，浮体上布置有光纤集光层结构，光纤集光层结构包括由下至上依次布置的反射层和光纤编制层，光纤编织层由未加包层的光纤束编制成面；
光纤传导装置的输入端连接纤编织层的光纤束末端。
3.根据权利要求2所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述光纤编织层由未加包层的光纤束按纬向法编制。
4.根据权利要求2所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述浮体为气囊型结构，气囊型结构的下半部填有发泡材料，气囊型结构的上半部为透明材料制成的膜状结构，光纤集光层结构设置在膜状结构的内衬处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述浮动式集光单元呈阵列布置并连接形成浮动式集光单元方阵，浮动式集光单元方阵与牵引单元牵引连接。
6.根据权利要求5所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述发电单元包括菲尼尔透镜、太阳能电池板和蓄电池，光纤传导装置的输出端传输的光线进入菲尼尔透镜，经菲尼尔透镜聚光后进入太阳能电池板将太阳能转化为电能，电能储存在蓄电池中。
7.根据权利要求6所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述光纤编织层有两个光纤束末端，其中一个光纤束末端与光纤传导装置的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：还包括反向照明单元，反向照明单元包括LED发光装置和LED光传导装置，LED发光装置产生LED光线，LED光线进入LED光传导装置的输入端，LED光传导装置的输出端与纤编织层的另一个光纤束末端连接。
9.根据权利要求8所述的浮动式水面太阳能光伏发电系统，其特征在于：所述 LED发光装置由发电单元的蓄电池供电。
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