CN111615786A - 具有地下光室的太阳能发电厂设计 - Google Patents
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Abstract
一种新的太阳能发电厂设计，其包括建造在地下的“光室”、用于CSP和CPV发电厂的市售反射镜，以及市售光伏组件。在地下建造的光室通过提高直射光伏模块的阳光的百分比，显著提高太阳光到电的转换效率，其中，所述光伏模块通过风扇保持冷却和清洁。该设计的建设、运营和维护更加容易、快捷和经济。并且显著降低了总体用地需求、单位装机功率投资成本和平准化度电成本(LCOE)。该设计允许在农村和城市地区安装，使得在当前技术水平下不可行的应用成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的太阳能发电厂设计，其包括建造在地下的“光室”、用于聚光太阳能(concentrated solar power，CSP)和聚光光伏(concentrated photovoltaic，CPV)发电厂的市售反射镜以及市售光伏(photovoltaic，PV)模块。与传统的光伏发电厂和聚光太阳能发电厂相反，光伏模块被放置在地下的光室中。通过使用各种反射镜阵列将阳光引导并限制在光室中。这种设计通过将被光伏模块反射的光重新引导至光伏模块上来提高发电量，并保持光伏模块的表面清洁，同时使其温度低于传统太阳能发电厂设计的运行值，从而提高单位面积发电量。由于使灰尘、污垢以及外界因素远离光伏模块，消除了定期清洁的必要性，降低了维护和运行成本。该设计将检修箱建在光伏模块的墙壁后，易于检修和接入光伏模块以及布线。通过使用可携带待放置的光伏模块的预装配框架或卡匣，能够实现更加容易、经济及快捷的安装。通过将光伏框架和模块移动到地下，仅将三组反射镜阵列和一个供阳光通过的具有可调节旋转挡板的闸门留在地面上的方式来减少环境用地。通过建造在地下的光室减少了传统太阳能发电厂设计中的大部分土地使用面积，可用于农业或其他传统用途。
背景技术
这一部分说明了与本公开有关的背景信息。
反射镜通常以许多不同配置用于CSP和CPV太阳能发电厂。所有不同设计的太阳能设施都包括地上建筑元素。可以通过将阳光直接集中在光伏模块上来发电，或通过带有熔融盐或其他高热容液体的管，使其将热量转移到沸水中，使得汽轮发电机组发电的方式进行发电。
肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)极限或详细平衡极限是指由单个P-N结制成的太阳能电池的最大理论效率。这是由William Shockley和Hans Queisser首次计算出来的。
参考：William Shockley和Hans J.Queisser：“P-N结太阳能电池效率的详细平衡极限”，《应用物理学杂志》，第32卷，第510-519页(1961)(William Shockley and HansJ.Queisser:"Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction SolarCells",Journal of Applied Physics,Volume 32,pp.510-519(1961))
限制太阳能发电厂以接近肖克利-奎塞尔理论极限运行的主要障碍可归纳为以下内容：
光反射的影响：被光伏模块反射的阳光降低了所吸收阳光的百分比，由此减少了发电量。
光伏模块的最大效率要求入射的阳光在到达吸收层的过程中不会被反射，并且进入该层的光随后不会被反射出来或通过电池传输。
光伏模块中已经配置了多种抗反射技术，并且仍在积极研究这一主题。抗反射技术可大致分为两类：1)抗反射涂层(Anti-reflective coating，ARC)减少了电池的光吸收层上的反射；2)纹理化表面，其具有两个目的，分别为提高透光率和将光捕获在吸收层中。最有效的策略通常是结合使用这些技术。
参考：Dan M.J.Doble，John W.Graff，美国马萨诸塞州麻省理工学院弗劳恩霍夫可持续能源系统中心(Dan M.J.Doble,John W.Graff,Fraunhofer Center ForSustainable Energy Systems,Massachusetts Institute of Technology,Cambridge MAUSA)http://www.renewableenergyworld.com/articles/2009/03/minimization-of- reflec ted-light-in-photovoltaic-modules.html
温度的影响：光伏模块的温度和产量成反比，因此，当光伏模块更多地暴露在阳光和热中时，其整体效率就会降低。在室温(300°K)下的太阳能电池的黑体辐射(blackbodyradiation)无法被电池捕获，其约占可用入射能量的7％。电池中损失的能量通常会转化为热量，因此，在将电池置于阳光下时，电池效率低下会导致电池温度的提高。随着电池温度的升高，黑体辐射也随之增加直到达到平衡为止。实际上，在高达360°K的温度下会达到这种平衡，而此时电池的工作效率也低于其在室温时的效率。
将太阳能电池封装到光伏模块中还会产生不期望的副作用，即封装改变了流入和流出光伏模块的热流，导致光伏模块的工作温度被提高。温度升高会降低光伏模块的电压，从而降低输出功率，会对光伏模块的效率产生重大影响。另外，温度升高会提高与热膨胀相关的应力，并且温度每升高10℃，老化率也会随之提高约两倍，因此，温度升高还会导致光伏模块的多种故障或老化。
参考:
http://ph.qmul.ac.uk/sites/default/files/u75/Solar％20cells_
environmental％20impact.pdf
如灰尘、污垢、雨水、风、雪、暴风雨等外部因素的影响：通过详细分析两个现有光伏装置与它们所暴露的天气的关系，检验了气候参数对光伏板性能的影响。室内实验的结果表明，即使少量的细小颗粒也会使透光率降低11％。从暴露在外的玻璃单元中收集粉尘并分析其分布，发现其粒径小于400微米，最高频率在20微米以下，但由于雨水频繁，在暴露四个星期后粉尘对穿过玻璃传输的太阳能的影响仅为5％。在统计分析中使用的各种气候参数中，高湿度、雨雪对两个光伏装置效率的影响最为显著，在一些情况下可能会破坏任意系统输出。这项研究还揭示了这座沿海城市中鸟类带来的地理问题，鸟类的粪便会在光伏板上形成过热点并降低其产量。
参考文献：英国东南部气候条件对光伏电池板效率的影响
https://www.researchqate.net/publication/261218699The
effect
of
weather
conditions
on
the
efficiency
of
PV
panels
in
southeast
of
UK
土地使用的影响：第四个因素与太阳能发电效率没有直接关系，但由于太阳能发电厂需要大面积使用土地，因此在总体上会带来负面影响。
传统的PV和CSP太阳能发电厂所需的土地使用量有时会产生不利的影响，即用耕种换取电力。卡内基梅隆大学的Rebecca R.Hernandez(现于加州大学伯克利分校和劳伦斯·伯克利国家实验室)，Madison K.Hoffacker(现于加州大学河滨分校保护生物学中心)及其同事2015年在《美国国家科学院院刊》上发表研究，评估了加利福尼亚州161个现有的、建设中的和计划建设的大型地面太阳能设施的选址影响。
研究发现，所有此类太阳能发电厂的30％位于农田或牧场，对农业生产和粮食生产能力产生不利影响。这项研究所提出了解决方案是减少光伏模块和反射镜阵列之间的距离。
本发明的新的太阳能发电厂设计，由于将光伏模块及与发电相关的设备移至地下，仅在地面上留下主次反射镜阵列、可调节旋转挡板以及闸门，从而大大降低了建设太阳能电发电厂所带来的影响。
参考：https://carnegiescience.edu/news/solar-energy's-land-use-impact
减少土地使用需求还有利于减少对野生动物的影响。
发明内容
这一部分仅大体概述本公开，并不是全面公开其全部范围或所有特征。
本发明通过结合现有的基于反射的太阳能发电技术和市售光伏模块，提供了一种不同于当前CSP和PV设计的太阳能发电厂设计方法。两个主凹面镜阵列直线排列并彼此相对放置，用于将阳光集中并聚焦到次反射镜阵列的内反射面，次反射镜阵列被高高放置在地面上且平行于闸门。被聚焦的阳光以一定的角度被反射，该角度将光线引导至次反射镜阵列的焦点。被这样反射的阳光穿过闸门，这个闸门是在地面上挖的一个开放通道，其沿着与次反射镜阵列的投影相交的线延伸。闸门配有一对可调节旋转挡板，挡板的彼此面对的内侧上覆盖有反射镜。阳光通过闸门进入建在地下的“光室”；由此，阳光被引导至“光伏模块墙壁”来发电。未被光伏模块吸收以及被其反射的光通过反射镜被困在光室中，所述反射镜被安装在光室两侧的墙壁、地板和天花板、可调节旋转挡板的内侧表面、平行于光伏模块的墙壁运行并悬挂在光室的天花板的突出物的两侧。这样，被光伏模块反射的光几乎可以被无限次地反射回模块上，从而大大提高光伏模块的转换效率，并使每台装置产生更多的功率。
光室是建造在地下的房间，其包括：
沿着与次反射镜阵列的投影平行的线挖出的闸门；闸门配置有一对可调节旋转挡板，其内侧表面覆盖有反射镜，并且，可以改变其角度来使阳光最大限度地照射光室；
一面被市售的用于发电的光伏模块完全覆盖的墙壁；
覆盖有反射镜的两个侧墙壁、地板和天花板，用来将被光伏模块反射的阳光捕获在室内，并将其送回光伏模块；
平行于闸门运行的突出物，其被配置于天花板上，并且其全部两侧也被反射镜覆盖；
用于冷却和加压的暖通空调系统(HVAC system)，由覆盖有风扇的一面墙壁组成，其用于在光室内产生正压差，以防止灰尘、污垢和其他外部因素进入；同时冷却光伏模块，以提高发电量。用于冷却和加压暖通空调系统可采用传统设计，并使用市售部件。然而，也可以使用任意其他方式来进行设计使其不必覆盖整个侧墙壁，从而使用更多的反射镜来将更多的阳光引导至光伏模块，提高发电量。
检修室配置在光伏模块墙壁后，以便于维护、检修、定期检查或更换光伏模块，检修室还容纳从光伏模块到汇流箱的电缆。
这种方式产生的电力随后从汇流箱传输到升压变压器，最后以任何一种常规电力传输系统设计的方式传输到电网。其他使用案例可能包括城市或农村、并网或离网、商业和住宅建筑物、娱乐区、医院、大学和类似设施。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明所选实施例而不是全部可能的实现方式，并且并不用于限制本公开的范围。
图1示出了本发明的太阳能发电厂设计的大体设置。如黑色的实线和虚线所示，可以看到不同路径的阳光束在到达光室之前被不同的反射镜表面反射。该系统包括以相对的方式设置在地面上的两个主要的市售凹面镜阵列、高于主阵列并面向下方配置的两个次凹面镜阵列、一对可调节旋转挡板、一个闸门和一个光室；还包括被光伏模块完全覆盖的一面墙壁、被反射镜完全覆盖的两面侧墙壁、地板和天花板、装有风扇的一面墙壁，所述风扇产生正压差，以使灰尘和污垢等外部因素远离光伏模块并冷却光伏模块。
图2示出了发电的工作原理，其中，阳光在光室内被来回反射，从而有效地捕捉尽可能多的阳光。以不同角度到达主反射镜阵列的许多阳光可以被追踪，直到它们直接到达被光伏模块覆盖的墙壁；或者如返回线所示，在被由反射镜覆盖的任意表面、可调节旋转闸门的内侧和外侧表面、或突出物反射后到达所述光伏模块。被光伏模块覆盖的墙壁背面具有一个检修室，能够便于对光伏模块进行安装、维护和操作；还便于从光伏模块到汇流箱的布线。
图3示出了图2的透视图，并且还一起示出了由此产生的电从光伏模块传输到两个不同示例终端的方式。所示的接入电网的示例包括分别从串式逆变器、汇流箱、升压变压器和电网的路径。商业建筑物的示例示出了从汇流箱到建筑物的连接。
图4示出了面向光伏模块的墙壁观察时光室的透视截面图。前方的墙壁被光伏模块完全覆盖，左侧墙壁包括风扇，所述风扇用于冷却光伏模块、产生正压差、保持光室没有外部因素影响；其他两面墙壁和天花板被反射镜覆盖，以反射和捕获内部阳光。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述示例实施例。
图1示出了在地面上相对放置的两组由市售凹面镜组成的主反射镜阵列5。主反射镜阵列5平行于闸门8运行，并且具有调整后的曲率和焦点，使得阳光能够反射到次反射镜阵列6，次反射镜阵列6反射阳光使阳光依次通过可调节旋转挡板7、闸门8并进入光室9。可调旋转挡板7的内侧表面也覆盖有反射镜以增加被反射至光室9的光量。可以根据太阳能发电厂的设计标准和计划发电量来选择主反射镜阵列5、次反射镜阵列6、可调节旋转挡板7以及闸门8的数量、类型、所具有的反射镜的焦点和类型及长度。主反射镜阵列5、次反射镜阵列6、可调节旋转挡板7和闸门8中置于地面上的装置及相互之间的方向仅作为示例目的，可以根据太阳能发电厂的设计标准和最佳功率输出进行改变。光室9的侧墙壁覆盖有光伏模块11，光室9的地板可以部分覆盖有反射镜10。光室9的地板长度如图中虚线所示在地下朝具有风扇的另一侧延伸。光室9是一个矩形的地下空间，但也可以建成其他三维形状以优化建设过程和太阳能发电厂设计的输出功率。
图2示出了阳光的传播方式，其分别从主反射镜阵列5到次反射镜阵列6，直接穿过或被可调节旋转挡板7反射后，经过闸门8，进入光室9，然后被覆盖有反射镜10的地板、天花板、两个侧墙壁和突出物12的两侧等不同表面以不同角度重新反射；最后到达放置在另一侧墙壁上的光伏模块11。实线表示直接到达光伏模块11的阳光，而返回线表示被光伏模块反射一次并被由反射镜覆盖的表面反射几次后返回到光伏模块的阳光。光室9实际上促进了几乎无限次反射，从而将阳光有效地捕获在室内，并为光伏模块11提供比传统设计更多的阳光。主反射镜阵列5、次反射镜阵列6可以配备跟踪机构13也可以不配备，并且可调节旋转挡板7可以被定位成径向打开或关闭的方式，从而在白天在光室9内捕获最大阳光量。为了维护、更换光伏模块11、因其他运行原因或在暴雨、降雪、暴风雨、地震、洪水等紧急情况下，可以关闭可调旋转挡板7从而关闭发电厂并保护敏感设备。反射镜10可以是平的或是任何其他几何形状；为实现最大发电量可以设计成排成直线或任何其他方向上。在图2示出的设计示例中，只有地板的拐角侧覆盖有倾斜放置的平面镜。检修室14容纳从光伏模块11后面穿过串式逆变器15，通向汇流箱17的电缆16；所有设备均为市售类型，安装在传统布局设计中。所示的电力传输设备布局中市售串式逆变器15包括在光伏模块11和汇流箱17之间，然而，该配置仅用于示例目的，不用于限制设计范围；可选择安装任意一种常规使用的太阳能发电厂设计。检修室14可被设计为带楼梯的平坦空间、带有合适的电缆通道的房间或带有工作人员空间的进行在线能源生产监控的控制室。检修室14的主要功能是方便接近光伏模块11来进行安装、维护或更换。
图3是目前为止所说明的太阳能发电厂设计的透视图，示出了所产生的电被传输的最后路径。为了便于理解，在同一张图纸上显示了适用于工业和商业的两个示例；一个是具有电网连接的在农村中的应用，其中生产的电力分别从光伏模块11传输到汇流箱17、升压变压器19和电网连接20。另一个例子是商业或住宅建筑物21，其为使用不同太阳能设备的离网(off-grid)型，并未进行详细说明。两个例子仅用于示例目的，并不用于限制所使用的设计或设备的范围。
图4示出了光室9的剖视图，显示了由光伏模块11覆盖的侧墙壁。可根据太阳能发电厂的设计标准和功率输出要求来选择光伏模块11的类型、数量、行数和每行光伏模块11数量。如图所示，光室9的天花板、地板和右侧墙壁被反射镜10覆盖，反射镜的类型和方向也可以根据设计标准来进行选择。如图所示，风扇18被安装在左侧墙壁上，风扇18用于在光室9内产生正压差，从而防止对发电厂的功率输出产生负面影响或导致运行风险的灰尘、污垢和其他外部因素；风扇18同时还冷却光伏模块11来提高发电效率。风扇的进气口可以放在任何方便的位置。应使用合适的过滤设备(可为高效空气过滤器(HEPA))以避免降低光伏模块11的转换效率。上述设计布局仅用于示例目的，并非用于限制系统的加压和冷却功能的范围。在光室9的一侧墙壁上设置风扇会减少到达光伏模块11的反射光，并减少电力生产。因此，也可以采用另一种设计，即在光室9中使用较少的墙壁空间，或使用完全放置在光室9外部的暖通空调系统(HVAC system)，可以将暖通空调系统设置在覆盖有光伏模块11的墙壁后面，以同样实现正压差并充分冷却光伏模块的作用。
工业实用性
本发明公开一种与现有技术具有不同配置的新型太阳能发电厂设计。
太阳能发电厂设计利用一个地下光室来安装用于发电的光伏模块。这种设计可以解决背景技术中所述的太阳能产业目前所面临的许多问题。
第一，地下光室通过使用反射镜显著增加了通过光伏模块转化为电能的太阳光量。
第二，光室中的冷却系统通过将光伏模块冷却到所需温度来进一步提高发电量。
第三，通过正压差使光室具有隔离特性，使得灰尘、污垢和外部颗粒能够远离光伏模块，进一步提高发电量。
第四，光室的设计有利于更经济、更快捷地进行施工和安装，检修更加方便，使关键设备不会受到严重的自然事件威胁，并且在太阳能发电厂的使用寿命期内降低运行和维护成本。
第五，光伏模块、冷却系统和检修室被安装在地下节省了宝贵的土地，可用于农业或其他常规用途。
第六，基于上述节省土地使用的特点，这种设计既适用于投入至农村的并网连接型，也适用于投入至商业或住宅建筑物的并网或离网连接型。所有这些因素加在一起大大降低了所发明设计的平准化度电成本(levelized cost of energy，LCOE)、单位装机功率的投资额以及大规模土地使用的需要。因此，为以现有的技术状态无法实现的投资开辟了新的可能性。
本发明的太阳能发电厂设计可应用于农村地区、商业和住宅建筑物、医院、大学、公园、娱乐区或类似设施。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种太阳能发电厂设计，如图1至图4所示，其特征在于，阳光通过弯曲的反射镜阵列被引导至地下的“光室(9)”，所述光室(9)特别建造用于容纳一面完全被光伏模块覆盖的墙壁；被反射镜10覆盖的两面侧墙壁、地板、天花板以及突出物(12)；以及被风扇(18)覆盖的作为冷却系统的一面侧墙壁；所述设计可以使用市售的反射镜阵列、光伏模块、工厂平衡设备、风扇、冷却和电网连接设备。所述太阳能发电厂设计通过使用不同反射镜(5、6、10)组来增加反射至光伏模块的阳光；通过在所述光室(9)内产生正压差来使灰尘和污垢远离光伏模块表面(11)；并通过使用风扇(18)来保持所述光伏模块的低温，由此提高阳光到电力的转换。可以选择性地使用跟踪结构(13)。按照上述设计，可以通过安装光伏模块的快速安装架来进行方便、经济的安装，并且，由于使所述光伏模块远离灰尘、污垢、雨水、闪电、雪、暴雨、沙尘暴等，能够降低运行和维护成本。相比现有用于发电的太阳能发电厂，所述设计减少了所使用的宝贵土地，节省的土地可用于耕种、公共设施或建筑物、农业或城市区域、或其他公共或私人用途。
2.权利要求1在工业、住宅和商业中的应用，其特征在于，所述设计可在具有并网连接的农村地区实施；在具有并网连接或离网连接的住宅或商业建筑物中实施；在医院、大学、如公园的娱乐区域或类似设施中实施。
3.一种光室，其特征在于，如图4所示，所述光室建在地下，具有被任意数量的光伏模块覆盖的一面墙壁；被反射镜覆盖的两面侧墙壁、地板和天花板以及突出物(12)；被风扇(18)覆盖的作为一部分冷却系统的侧墙壁；以及供阳光进入的闸门(8)；如图2所示，通过所述光室(9)能够多次反射未被所述光伏模块吸收的阳光，并引导阳光返回至所述光伏模块，由此提高发电量；通过所述闸门(8)的所述可调节旋转挡板(7)，在遇到雨水、闪电、雪、暴雨、沙尘暴等时可以通过关闭闸门(8)来暂停发电。具有设置在一面侧墙壁的风扇(18)的冷却系统，通过冷却光伏模块，同时通过产生正压差来保持灰尘和污垢远离所述光伏模块来提高阳光到电力的转换效率。所述冷却系统还通过保持所述光伏模块表面清洁，并保护所述光伏模块免受大雨、闪电、雪、暴雨、沙尘暴等危害来降低运行和维护成本。
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，在权利要求3所述的光室内部产生正压差以使灰尘、污垢及外部因素远离所述光伏模块，同时冷却所述光伏模块的表面。
5.一种光伏模块的快速安装系统，其特征在于，在权利要求3所述的光室的一个墙壁前面，快速进行安装，并且易于维护、检修或更换。
6.一种建在权利要求3所述的光室后面的检修室，其特征在于，用于执行权利要求5所述的活动。
Claims (7)
1.一种太阳能发电厂设计，其特征在于，用于发电的光伏模块被放置在地下。
2.权利要求1在工业、住宅和商业中的应用，其特征在于，所述设计可在具有并网连接的农村地区实施；在具有并网连接或离网连接的住宅或商业建筑物中实施；在医院、大学、如公园的娱乐区域或类似设施中实施。
3.一种光室，其特征在于，所述光室建在地下，具有被任意数量的光伏模块覆盖的一面墙壁；被反射镜覆盖的两面侧墙壁、地板和天花板以及捕获阳光的突出物，使外部因素远离光伏模块，并降低所述光伏模块的温度，从而提高发电效率。
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，在所述光室内部产生正压差以使灰尘、污垢及外部因素远离所述光伏模块，同时冷却所述光伏模块的表面。
5.一种光伏模块的快速安装系统，其特征在于，在光室的一个墙壁前面，快速进行安装，并且易于维护、检修或更换。
6.一种建在权利要求3所述的光室后面的检修室，其特征在于，用于执行权利要求5所述的活动。
7.一种给阳光提供地下通道的闸门，其特征在于，配置有可调节旋转挡板，所述可调节旋转挡板提供最佳的操作，并且在雷雨、暴风雨、大雨或雪等严重事件时和关闭功能，以保护关键设备。
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