CN111953292B - 一种太阳能分频型电热联供装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能分频型电热联供装置，包括聚光器和分频型太阳能光伏光热接收器，所述分频型太阳能光伏光热接收器包括陶瓷基板、聚光太阳能电池、第一透明板、第二透明板、相变材料、第一流道和第二流道；所述第一流道表面安装陶瓷基板，所述陶瓷基板上安装聚光太阳能电池；所述第一流道与第二流道闭环连通，且所述第一流道与第二流道均填充工质；所述相变材料用于将吸收的近红外波段能量传递到工质；所述聚光器聚焦的太阳光依次通过第一透明板、第二流道内的工质和第二透明板后照射在所述聚光太阳能电池表面。本发明以普通混合流体和相变材料共同作为太阳能光谱分频器，实现太阳辐射高效稳定的分频。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏光热综合利用技术领域，具体涉及一种太阳能分频型电热联供装置。
背景技术
在全球能源危机和环境问题日益突出的背景下，太阳能作为一种储量巨大、分布广泛、清洁安全的新能源，已经在世界范围内引起了广泛的重视。在众多的太阳能利用技术中，能够同时提供电能和热能的光伏光热综合利用(PV/T)技术得到了很多关注，相比传统单一的太阳能利用技术，其可以用同样的面积生产出更多的能量，是太阳能利用的最合理的发展方向之一。然而，传统的PV/T系统的热采集器主要从光伏组件背面获取热量，受限于光伏组件的温度，获得的热能品位相对较低。因此，为了有效解决PV/T系统的热耦合问题，研究者提出了太阳能光谱分频技术，其设计思路是利用太阳能光谱分频器将太阳辐射能分波段利用，即将可以进行高效光伏转换的那部分波段的太阳辐射能直接照射到太阳能电池上进行光电转换，而将其余波段的太阳辐射能照射到光热子单元上进行光热转换，这样光电单元和光热单元可以并行、独立布置，各自工作在最合适的温度条件下，从而充分利用整个太阳光谱的能量。
在众多太阳能光谱分频技术中，固体薄膜干涉分频和液体选择性吸收分频最为常见。固体薄膜干涉分频技术采用一系列不同折射率的材料周期性布置，能够取得较好的分频效果。但该技术存在着系统结构复杂，设备成本高以及光的入射角度难以精确控制等缺点。相比于固体薄膜干涉分频，液体选择性吸收分频将能被光伏电池高效利用的太阳辐射透过到光伏电池上进行光电转换，其余波段的太阳辐射则被光谱分频液吸收并转化为热能。该技术具有成本低、易调控、无二次换热引起的热损失等优点。但是，分频液设计制作理论还不够成熟，普通流体分频液虽说在近红外区吸收比较多，但是在太阳能电池无响应或响应低的短波长区吸收较少。相比于普通流体分频液，纳米流体分频液虽然具有更优的光学性质，但现有合成的纳米流体分频液普遍存在稳定性差的问题，尤其是在高温条件下，纳米颗粒在基液中很容易团聚，出现“沉淀”，影响分频效果。因此需要对太阳能分频器进行改进优化。
相变材料能够吸收和储存大量的能量，当用于太阳能系统中时，能够有效解决能源供给需求矛盾。目前很多研究者利用相变材料来解决传统PV/T系统中太阳能电池的散热问题，还没有人把相变材料作为分频器用于太阳能光谱分频型PV/T系统，而相变材料的光学性能数据表明多种相变材料在可见光波段透过率相对较高，而在近红外波段吸收较好，很适合作为分频器。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种太阳能分频型电热联供装置，以普通混合流体和相变材料共同作为太阳能光谱分频器，实现太阳辐射高效、稳定分频，降低聚光太阳能电池组件温度的同时提升输出热能品位，同时解决短时间内光照不足时热能的存储和供给问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种太阳能分频型电热联供装置，包括聚光器和分频型太阳能光伏光热接收器，所述聚光器用于将太阳光聚焦到分频型太阳能光伏光热接收器中；
所述分频型太阳能光伏光热接收器包括陶瓷基板、聚光太阳能电池、第一透明板、第二透明板、第一流道、第二流道和相变材料；所述第一流道表面安装陶瓷基板，所述陶瓷基板上安装聚光太阳能电池；所述第一流道与第二流道闭环连通，且所述第一流道与第二流道均填充工质；所述相变材料由可吸收近红外波段、但聚光太阳能电池高响应波段的光仍可透过的材料构成，所述相变材料用于将吸收的近红外波段能量传递到工质；
所述第二流道的壁面至少包括第一透明板和第二透明板，所述聚光器聚焦的太阳光依次通过第一透明板、第二流道内的工质和第二透明板后照射在所述聚光太阳能电池表面。
进一步，所述相变材料为流体型相变材料，所述工质内包含流体型相变材料，所述流体型相变材料为微胶囊相变流体，所述微胶囊相变流体是以石蜡为芯材、聚苯乙烯为壳材、CoSO4的水溶液为基液的微胶囊相变流体或者以石蜡为芯材、脲醛树脂为壳材、CoSO4的水溶液为基液的微胶囊相变流体。
进一步，所述相变材料的初态为固体，所述第二流道底部通过第三透明板构建空腔，所述空腔内填充固体的相变材料，通过所述第二透明板的太阳光通过固体的相变材料和第三透明板后照射在所述聚光太阳能电池表面。
进一步，所述工质为CoSO4的水溶液或者CoSO4的丙二醇溶液；所述固体相变材料为石蜡或CaCl2·6H2O。
进一步，所述第三透明板为在太阳光可见光和近红外波段透过率高的超白玻璃。
进一步，所述第一透明板为在太阳光全波段透过率高的石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述第二透明板为在太阳光可见光和近红外波段透过率高的超白玻璃。
进一步，所述聚光太阳能电池为聚光硅电池或砷化镓电池或碲化镉电池；所述聚光器为透射式聚光装置或反射式聚光装置；所述陶瓷基板为氮化铝陶瓷基板。
进一步，所述第一流道和第二流道外均设有保温层。
进一步，所述聚光太阳能电池产生的电能与蓄能装置或者用电设备连接。
进一步，所述第二流道内的工质产生的热能与换热装置连接。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，以普通混合流体和相变材料共同作为太阳能光谱分频器，可以从源头上解决因非响应或低效响应范围的太阳辐射造成的光伏电池本身温度上升的问题，同时输出高品位的热能。此外，还解决了因纳米流体稳定性差而造成光谱分频器失效的难题。
2.本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，可以将相变材料吸收非响应或低效响应范围的太阳辐射后储存的热量通过透明板传递给分频液体，进一步提高输出热能的品位，装置的热效率和总效率也得到了相应的提高。
3.本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，解决了短时间内光照不足时热能的存储和供给问题；同时由于相变材料在蓄放热过程中温度保持不变，因而减少了传热和储热过程中的热波动。
4.本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，能够实现对太阳光谱全波段进行高效利用，能够在相同聚光系统成本下，获得更多的能源，从而降低能源成本。
附图说明
图1为本发明所述的太阳能分频型电热联供装置实施例1的结构图。
图2为本发明所述的太阳能分频型电热联供装置实施例2的结构图。
图3为所述光谱分频液40g/L的CoSO4+水混合流体和相变材料CaCl2·6H2O液态时在280nm至2500nm范围内的光谱透过率。
图4为太阳直射光谱AM1.5、分频后太阳光谱和硅电池光谱响应曲线。
图中：
1-保温层；2-陶瓷基板；3-硅胶封装剂；4-聚光太阳能电池；5-第一透明板；6-第二透明板；7-第三透明板；8-第一流道；9-第二流道；10-相变材料；11-聚光器；12-工质入口；13-工质出口；14-管道；15-分频型太阳能光伏光热接收器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1如图1所示，本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，包括聚光器11和分频型太阳能光伏光热接收器15；所述分频型太阳能光伏光热接收器15包括保温材料1、陶瓷基板2、硅胶封装剂3、聚光太阳能电池4、第一透明板5、第二透明板6、第一流道8、第二流道9和管道14；所述聚光太阳能电池4通过硅胶封装剂3固定在陶瓷基板2上；所述陶瓷基板2通过高导热硅胶固定在第一流道8上板上；所述聚光太阳能电池4优先采用聚光硅电池或砷化镓电池或碲化镉电池；所述陶瓷基板2优先采用氮化铝陶瓷基板；所述第一流道8与第二流道9均填充工质。所述相变材料10由可吸收近红外波段、但聚光太阳能电池4高响应波段的光仍可透过的材料构成，所述相变材料10用于将吸收的近红外波段能量传递到工质；所述第二流道9的壁面至少包括第一透明板5和第二透明板6，所述聚光器11聚焦的太阳光依次通过第一透明板5、第二流道9内的工质和第二透明板6后照射在所述聚光太阳能电池4表面。所述第一流道8、第二流道9和热交换装置通过管道14闭环连通；实施例1中相变材料10为流体型相变材料，所述工质内包含流体型相变材料，所述流体型相变材料为微胶囊相变流体，所述微胶囊相变流体是以石蜡为芯材、聚苯乙烯为壳材、40g/L的CoSO4的水溶液为基液的微胶囊相变流体或者以石蜡为芯材、脲醛树脂为壳材、CoSO4的水溶液为基液的微胶囊相变流体。所述第一流道8和第二流道9外包裹保温层1。
工作原理：
太阳光经聚光器11汇聚后通过分频型太阳能光伏光热接收器15中的第二流道9。其中，太阳光谱中的紫外波段和近红外波段的光被第二流道9内工质中的流体型相变材料吸收，并转化为高品位热能。经分频后的太阳光线照射到聚光太阳能电池4上，并转变为电能和热能。其中，电能提供给普通用户日常使用或储存起来另做它用；热能经陶瓷基板2传递到第一流道8内的工质中的流体型相变材料吸收；第一流道8与第二流道9通过管道14连接；工质中的流体型相变材料经第一流道入口12流入，吸收聚光太阳能电池4产生的热量后，温度升高，经管道14流入第二流道9，吸收紫外波段和近红外波段的太阳辐射后，温度得到了进一步的提高，最终经第二流道出口13流出，所获得的热能可用于生活热水、海水淡化、奶制品的加工，第一流道8和第二流道9外包裹保温材料以减少热损失。
实施例2如图2所示，本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，包括聚光器11和分频型太阳能光伏光热接收器15；所述分频型太阳能光伏光热接收器15包括保温材料1、陶瓷基板2、硅胶封装剂3、聚光太阳能电池4、第一透明板5、第二透明板6、第三透明板7、第一流道8、第二流道9、相变材料层10和管道14；所述聚光太阳能电池4通过硅胶封装剂3固定在陶瓷基板2上；所述陶瓷基板2通过高导热硅胶固定在第一流道8上板上；所述聚光太阳能电池4优先采用聚光硅电池或砷化镓电池或碲化镉电池；所述陶瓷基板2优先采用氮化铝陶瓷基板；所述第一流道8与第二流道9均填充工质。所述相变材料10由可吸收近红外波段、但聚光太阳能电池4高响应波段的光仍可透过的材料构成，所述相变材料10用于将吸收的近红外波段能量传递到工质；实施例2中的所述相变材料10的初态为固体，所述第二流道9的壁面至少包括第一透明板5和第二透明板6，所述第二流道9底部通过第三透明板7构建空腔，所述空腔内填充固体的相变材料10，所述聚光器11聚焦的太阳光依次通过第一透明板5、第二流道9内的工质、第二透明板6、相变材料10和第三透明板7后照射在所述聚光太阳能电池4表面。所述第一流道8、第二流道9和热交换装置通过管道14闭环连通；所述相变材料层10的材料优先采用石蜡或CaCl2·6H2O；所述工质优先采用40g/L的CoSO4的水溶液或40g/L的CoSO4的丙二醇溶液；所述第一流道8、第二流道9和相变材料10层外包裹保温材料1。
工作原理：
太阳光经聚光器11汇聚后通过分频型太阳能光伏光热接收器15中的第二流道9和相变材料10。其中，太阳光谱中的紫外波段和近红外波段的光被第二流道9内工质和相变材料10吸收，并转化为高品位热能。与此同时，相变材料10储存的热量通过第二透明板6传递给第二流道9内工质，进一步提高了输出的热能品位。经分频后的太阳光线照射到聚光太阳能电池4上，并转变为电能和热能。其中，电能提供给普通用户日常使用或储存起来另做它用；热能经陶瓷基板2传递到第一流道8内的工质；第一流道8与第二流道9通过管道14连接；工质经第一流道入口12流入，吸收聚光太阳能电池4产生的热量后，温度升高，工质经管道14流入第二流道9，吸收紫外波段和近红外波段的太阳辐射以及相变材料传递的热量后，温度得到了进一步的提高，最终经第二流道出口13流出，所获得的热能可用于生活热水、海水淡化、奶制品的加工。第一流道8、第二流道9和相变材料层10外包裹保温材料以减少热损失。
如图3所示，40g/L的CoSO4的水溶液和相变材料CaCl2·6H2O液态时在280nm至2500nm范围内的光谱透过率。40g/L的CoSO4的水溶液在280nm至600nm间和1100nm至2500nm间对太阳光的吸收相对较好，尤其在530nm处出现了明显的吸收峰，在600nm至1100nm范围内有较高的光谱透过率，但针对聚光硅电池的理想光谱响应区间600nm至1100nm而言，40g/L的CoSO4的水溶液在280nm至500nm和1100nm至1200nm波段内的光谱透过率仍相对较高。相变材料CaCl2·6H2O在400nm至1100nm范围内具有较高的光谱透过率，在1100nm至2500nm范围内对太阳光的吸收较好。因此，将CoSO4的水溶液和相变材料CaCl2·6H2O结合能够实现太阳辐射高效、稳定分频。
如图4所示，太阳直射光谱AM1.5、经液体和相变材料分频后的太阳光谱以及聚光硅电池的光谱响应。太阳光线经40g/L的CoSO4的水溶液和相变材料CaCl2·6H2O分频后所获得的太阳光谱与聚光硅电池的光谱响应的匹配度得到了明显的提高。
综上可见，本发明所述的太阳能分频型电热联供装置，以普通混合流体和相变材料共同作为太阳能光谱分频器，实现太阳辐射高效、稳定分频，降低聚光太阳能电池组件温度的同时提升输出热能品位，实现对太阳光谱全波段进行高效利用，同时解决了短时间内光照不足时热能的存储和供给问题。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，包括聚光器（11）和分频型太阳能光伏光热接收器（15），所述聚光器（11）用于将太阳光聚焦到分频型太阳能光伏光热接收器（15）中；
所述分频型太阳能光伏光热接收器（15）包括陶瓷基板（2）、聚光太阳能电池（4）、第一透明板（5）、第二透明板（6）、第一流道（8）、第二流道（9）和相变材料（10）；所述第一流道（8）表面安装陶瓷基板（2），所述陶瓷基板（2）上安装聚光太阳能电池（4）；所述第一流道（8）与第二流道（9）闭环连通，且所述第一流道（8）与第二流道（9）均填充工质；所述相变材料（10）由可吸收近红外波段、但聚光太阳能电池（4）高响应波段的光仍可透过的材料构成，所述相变材料（10）用于将吸收的近红外波段能量传递到工质；
所述第二流道（9）的壁面至少包括第一透明板（5）和第二透明板（6），所述聚光器（11）聚焦的太阳光依次通过第一透明板（5）、第二流道（9）内的工质和第二透明板（6）后照射在所述聚光太阳能电池（4）表面；所述相变材料（10）的初态为固体，所述第二流道（9）底部通过第三透明板（7）构建空腔，所述空腔内填充固体的相变材料（10），通过所述第二透明板（6）的太阳光通过固体的相变材料（10）和第三透明板（7）后照射在所述聚光太阳能电池（4）表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述工质为CoSO4的水溶液或者CoSO4的丙二醇溶液；所述固体相变材料为石蜡或CaCl2·6H2O。
3.根据权利要求1所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述第三透明板（7）为在太阳光可见光和近红外波段透过率高的超白玻璃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述第一透明板（5）为在太阳光全波段透过率高的石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，所述第二透明板（6）为在太阳光可见光和近红外波段透过率高的超白玻璃。
5.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述聚光太阳能电池（4）为聚光硅电池或砷化镓电池或碲化镉电池；所述聚光器（11）为透射式聚光装置或反射式聚光装置；所述陶瓷基板（2）为氮化铝陶瓷基板。
6.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述第一流道（8）和第二流道（9）外均设有保温层（1）。
7.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述聚光太阳能电池（4）产生的电能与蓄能装置或者用电设备连接。
8.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能分频型电热联供装置，其特征在于，所述第二流道（9）内的工质产生的热能与换热装置连接。
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