CN113014182A - 利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，包括吸收腔、吸收器、换热器、储热室、辐射器、光电池等组件，吸收腔能将太阳光反射至吸收器，吸收器吸收太阳辐射并加热自身；换热器能将吸收器的热量传至储热室，加热相变材料实现储能；辐射器固定在储热室上吸收来自储热室的热量并加热自身至较高温度，并向光伏电池组发出特点热辐射；辐射器与光伏电池之间用纳米真空间隙隔开；光电池背面有散热器，控制光电池在最佳工作温度。本系统利用近场技术、超材料技术改造太阳辐射，提高了光伏电池侧接受到的辐射量及可利用占比，提高了传统储能式太阳能热光伏系统的系统效率；利用储能技术，实现了不受天气因素干扰的稳定供能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热光伏供电领域，尤其涉及一种近场-储能式太阳能热光伏系统。
背景技术
太阳能作为一种洁净能源,既是一次能源,又是可再生能源,有着矿物质能源不可比拟的优越性。开发利用太阳能,对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等,都具有极其重大的意义。太阳能光伏技术被认为是最有前途的技术之一，目前已在世界范围内广泛使用。太阳辐射波段在0-2500纳米，而传统光伏硅电池吸收光的波长范围仅为300-1200纳米，大量能量低于禁带的入射光子无法被利用，进而导致光伏效率较低，最高转化效率仅为32％，现有的、规模化的太阳能光伏转化效率也仅为21.8％。储能式太阳能热光伏系统作为一种潜在的高效太阳能利用技术在近几年也吸引了大批研究者的注意力。理想的储能式太阳能热光伏系统，通过吸收器与辐射器的联合作用，可以使太阳能的转化效率提高至54％。
因此，有必要提供一种系统简单、效率高、能免受天气因素干扰稳定供能的储能式太阳能热光伏系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供近场-储能式太阳能热光伏系统。
本发明公开了一种利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其包括吸收腔、吸收器、换热器、储热室、辐射器和光电池，所述吸收腔设置在吸收器的顶部，吸收腔顶部设有至少一个供太阳光进入的开口，且吸收腔内壁面上布置有用于将太阳光反射回吸收器上的反射镜；
所述吸收器包括单/多层超薄基板和设置在超薄基板上表面的周期性纳米结构；所述换热器由热管组成，换热器用于强化吸收器与储热室之间、以及储热室与辐射器之间的换热，所述储热室内设有相变材料，所述辐射器包括单/多层超薄基板和设置在超薄基板下表面的周期性纳米结构；光电池位于辐射器下方，所述辐射器向光电池发出特点热辐射，所述辐射器与光电池之间用纳米真空间隙隔开，所述光电池背面设有散热器。
作为本发明的优选方案，所述的吸收腔上窄下宽，开口位于顶部；其壁面为连续曲面或其壁面由若干平面和/或曲面连接构成；所述吸收腔内壁面四周安装反射镜，将吸收器反射的辐射再次反射回吸收器。
作为本发明的优选方案，吸收器表面有微纹理结构、纳米结构，提高吸收性能，减少反射，并采用超材料技术提高全波段吸收性能。所述吸收器位于吸收腔的底部，吸收器底部连接储热室，所述超薄基板的厚度为0.01-100微米；所述周期性纳米结构的周期为0.01-10微米，纳米结构自身尺寸(最大尺寸)为10-1000纳米。纳米结构内部具有空腔，空腔的最小尺寸为10纳米，所述纳米结构在厚度方向上有多层材料交替叠加而成。
作为本发明的优选方案，所述换热器包括第一热管组和第二热管组，所述第一热管组设置在相变材料内，其蒸发段与吸收器背面接触；所述第二热管组设置在相变材料内，其冷凝段与辐射器背面相接触；所述第一热管组和第二热管组在相变材料内部不接触。第一热管组和第二热管组以锂(1374℃)、钙(1440℃)、锑(1440℃)等材料的作为工质，在超高温下实现提高吸收器、相变材料、辐射器间的高效换热。
作为本发明的优选方案，所述第一热管组内的工质相变温度高于第二热管组内工质的相变温度。
作为本发明的优选方案，储热室相变材料的相变温度需位于第一热管和第二热管的工作温度之间。所述蓄热室相变材料可采用Cu(1083℃)、MgF2(1263℃)、Si(1414℃)、Ni(1455℃)、Be(1182℃)、B(1282℃)、Sc(1534℃)等高温相变材料，具有较高的相变温度以及相变焓，实现超高温、高能量密度相变储热。所述蓄热室相变材料可掺杂碳或其他纳米颗粒球，提高相变材料的导热性能。
作为本发明的优选方案，所述辐射器位于储热室的底部，所述超薄基板的厚度为0.01-100微米；所述周期性纳米结构的周期为0.01-10微米，纳米结构自身尺寸(最大尺寸)为10-1000纳米。纳米结构内部具有空腔，空腔的最小尺寸为10纳米，所述纳米结构在厚度方向上有多层材料交替叠加而成。
作为本发明的优选方案，所述纳米真空间隙的厚度为150-3500纳米，可以实现近场热辐射，进而提高热辐射、发电效率及输出功率密度。所述光电池选用低能隙带电池及其串联/并联形式。
作为本发明的优选方案，所述系统还包括聚光器，所述聚光器设置在吸收器的上方，聚光器将太阳辐射聚集，并反射或透射到吸收腔内。
作为本发明的优选方案，所述系统还包括滤波装置，所述滤波装置布置在光电池表面，用于对辐射器所辐射的辐射能进行选择性过滤。
本发明具有以下有益效果：
本发明由于本系统采用太阳能作为热量来源，具有热量利用效率高，辐射器温度高，无无环境污染，无燃料成本等优势。
本发明系统可以利用汇聚的太阳光，吸收器吸收高聚光度太阳辐射并加热自身，并通过换热装置加热量传输至蓄热室内高温相变材料以及辐射器，被加热至高温的选择性辐射器向光伏电池发射热辐射，光伏电池吸收热辐射并将其转化为电能。由此近场-储能式太阳能热光伏发电装置结合了太阳能吸收技术、热光伏技术、近场热辐射技术和超材料技术，具有简单稳定的系统结构，能较好地适应复杂多变的工作环境，不受天气因素干扰稳定供能，做到了高效率、无燃料、可持续、无污染，具有结构简单、系统效率高、输出功率密度高、安全性高、可蓄热储能等优点，实现了太阳能的新型高效利用。
由于本发明利用了近场辐射，系统设计尺寸小、结构紧凑，单位能量密度高，可以做到小型化或微型化；由于近场效应存在，辐射强度急剧增大，可以实现高系统效率；由于储能技术的应用，本系统可实现不受天气因素干扰，24小时稳定供能。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式中近场-储能式太阳能热光伏发电装置的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式中超材料辐射器/吸收器的结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明公开了一种利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其包括吸收腔2、吸收器4、换热器6、储热室5、辐射器9和光电池10，所述吸收腔2设置在吸收器4的顶部，吸收腔2顶部设有至少一个供太阳光进入的开口，且吸收腔2内壁面上布置有用于将太阳光反射回吸收器4上的反射镜3；
所述吸收器4包括单/多层超薄基板41和设置在超薄基板上表面的周期性纳米结构42；所述换热器6由热管组成，换热器6用于强化吸收器4与储热室5之间、以及储热室5与辐射器9之间的换热，所述储热室5内设有相变材料，所述辐射器9包括单/多层超薄基板和设置在超薄基板下表面的周期性纳米结构；光电池10位于辐射器9下方，所述辐射器9向光电池10发出特点热辐射，所述辐射器9与光电池10之间用纳米真空间隙隔开，所述光电池10背面设有散热器。作为本发明的优选方案，所述的吸收腔2上窄下宽，开口位于顶部；其壁面为连续曲面或其壁面由若干平面和/或曲面连接构成；所述吸收腔2内壁面四周安装反射镜，将吸收器4反射的辐射再次反射回吸收器4。
本实施例的近场-储能式太阳能热光伏系统包括吸收腔，其形状为上开口圆锥形，上方有小型开口可接收高度聚集的太阳辐射，四周侧面内表面安装反射镜，将吸收器反射的辐射再次反射回吸收器。本实验装置的吸收腔可以为类圆锥形(如所述的吸收腔布置成圆锥、正四面体、三角锥形等，吸收器布置在底面)也可以为类球型(如所述太阳能聚光器布置成带小口的球型，吸收器呈弧形布置在正对小口的内表面，其余内表面布置反射镜。)。
在本发明的一个具体实施例中，所述吸收器位于吸收腔的底部，吸收器底部连接储热室，所述纳米结构可为周期性非锥形多层空腔型，多层结构、空腔结构可以很好地提升吸收器在太阳辐射波段的吸收性能，如图2所示，本发明的吸收器以周期性多层圆环为例，圆环内圆半径及厚度均需在纳米尺度(小于1000纳米)；多层结构材料可为W-Al2O3-W-Al2O3交替布置，层数为12层(一般可在3-50层)，材料也可选用铂、钼、硼等耐高温材料。所述超薄基板的厚度为0.05(0.01-100)微米。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，所述换热器6包括第一热管组和第二热管组，所述第一热管组设置在相变材料内，其蒸发段与吸收器背面接触；所述第二热管组设置在相变材料内，其冷凝段与辐射器背面相接触；所述第一热管组和第二热管组在相变材料内部不接触。
在本发明的一个具体实施例中，所述第一热管组内的工质相变温度高于第二热管组内工质的相变温度。第一热管组内的工质为钙(1484℃)，第二热管组内工质为锂(1374℃)。储热室相变材料的相变温度需位于第一热管和第二热管的工作温度之间，所选用的相变材料为硅(1410℃)。
在本发明的一个具体实施例中，所述辐射器位于储热室的底部，所述超薄基板的厚度为0.01-100微米；所述纳米结构可为周期性锥形多层空腔型，超高温辐射器温度常为1000-2000℃，其黑体辐射光谱段在500-4000纳米范围，多层结构、空腔结构可以很好地提升吸收器的吸收率，锥形结构、扩大空腔可以一定程度上扩展具有高发射率的光谱段至辐射器所需波段；以周期性多层截圆锥超材料辐射器为例，可通过增大圆环半径来提高辐射器高发射率的光谱范围，截圆锥每层的内圆半径及厚度均需在纳米尺度(小于1000纳米)；多层结构材料可为Si3N4-W-Si3N4交替布置，层数可在3-50层，材料也可选用铂、钼、硼等耐高温材料。
在本发明的一个具体实施例中，所述纳米真空间隙7的厚度为150-3500纳米；所述光电池选用低能隙带电池及其串联/并联形式。所述高性能光伏电池采用GaSb,有较低的禁带宽度，且与所选高性能选择性辐射器匹配性良好。
在本发明的一个具体实施例中，所述系统还包括聚光器，所述聚光器设置在吸收器的上方，聚光器将太阳辐射聚集，并反射或透射到吸收腔内。所述系统还包括滤波装置，所述滤波装置布置在光电池表面，用于对辐射器所辐射的辐射能进行选择性过滤；使被光伏组件的吸收的辐射光谱与各个光伏组件的外部量子效率曲线更加匹配。
在本发明的一个具体实施例中，所述散热器使用高比热、低成本的水作为工作介质，同时采用内螺纹结构加大水在流动过程中的湍流，进而增强换热。用于控制光电池在最佳工作温度
所述太阳辐射经过汇聚，通过吸收器上方的小口进入吸收腔。一方面部分太阳辐射会被吸收器反射，另一方面吸收器在高温下也会释放热辐射，而吸收腔侧面布置有反射镜，可将这两部分未被利用的热辐射反复反射至吸收器，进而实现太阳辐射的全吸收。
本发明系统的外壳和其它支撑部件可选择高性能耐高温材料，可反复使用，不受周围环境影响，且可根据情况设置保温隔热层。
太阳辐射被吸收器接收并加热吸收器自身，布置在吸收器侧内表面的反射镜会将未吸收的辐射再次反射回吸收器，反复加热吸收器，进而实现太阳辐射全吸收；所述吸收器背面布置换热器，可将吸收器的热量高效传输给相变储热材料，再将热量从相变储热材料传输给辐射器；所述相变储热材料可以接收来自吸收器的热量，并通过相变方式进行恒温储热，为辐射器提供稳定热源；所述辐射器能够吸收来自相变材料的热量，并加热自身至高温，发出特定热辐射至光电池，并由于辐射器与光电池间距可控制在近场范围(小于3500纳米)，可以倏逝波形式传输辐射至光电池；所述光电池接收来自辐射器的特定辐射，并通过光电效应发出电能。散热器为水冷式散热器，也可以为其他工质散热装置。冷却装置管道内部设置内螺纹等结构，进而加强换热。光伏电池组件将多余的热能传递到冷却装置上，由冷却装置器将这部分热量分散到环境中，并可设置智能控温系统，通过调节水流大小将光电池的工作温度控制在最佳范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，包括吸收腔、吸收器、换热器、储热室、辐射器和光电池，所述吸收腔设置在吸收器的顶部，吸收腔顶部设有至少一个供太阳光进入的开口，且吸收腔内壁面上布置有用于将太阳光反射回吸收器上的反射镜；
所述吸收器包括单/多层超薄基板和设置在超薄基板上表面的周期性纳米结构；所述换热器由热管组成，换热器用于强化吸收器与储热室之间、以及储热室与辐射器之间的换热，所述储热室内设有相变材料，所述辐射器包括单/多层超薄基板和设置在超薄基板下表面的周期性纳米结构；光电池位于辐射器下方，所述辐射器向光电池发出特点热辐射，所述辐射器与光电池之间用纳米真空间隙隔开，所述光电池背面设有散热器。
2.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述的吸收腔上窄下宽，开口位于顶部；其壁面为连续曲面或其壁面由若干平面和/或曲面连接构成；所述吸收腔内壁面四周安装反射镜，将吸收器反射的辐射再次反射回吸收器。
3.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述吸收器位于吸收腔的底部，吸收器底部连接储热室，所述超薄基板的厚度为0.01-100微米；所述周期性纳米结构的周期为0.01-10微米，纳米结构自身尺寸为10-1000纳米；纳米结构内部具有空腔，空腔的最小尺寸为10纳米，所述纳米结构在厚度方向上由多层材料交替叠加而成。
4.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述换热器包括第一热管组和第二热管组，所述第一热管组设置在相变材料内，其蒸发段与吸收器背面接触；所述第二热管组设置在相变材料内，其冷凝段与辐射器背面相接触；所述第一热管组和第二热管组在相变材料内部不接触。
5.如权利要求4所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述第一热管组内的工质相变温度高于第二热管组内工质的相变温度。
6.如权利要求4所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，储热室相变材料的相变温度需位于第一热管和第二热管的工作温度之间。
7.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述辐射器位于储热室的底部，所述超薄基板的厚度为0.01-100微米；所述周期性纳米结构的周期为0.01-10微米，纳米结构自身尺寸为10-1000纳米；纳米结构内部具有空腔，空腔的最小尺寸为10纳米，所述纳米结构在厚度方向上有多层材料交替叠加而成。
8.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述纳米真空间隙的厚度为150-3500纳米；所述光电池选用低能隙带电池及其串联/并联形式。
9.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述系统还包括聚光器，所述聚光器设置在吸收器的上方，聚光器将太阳辐射聚集，并反射或透射到吸收腔内。
10.如权利要求1所述的利用近场热辐射技术的储能式太阳能热光伏系统，其特征在于，所述系统还包括滤波装置，所述滤波装置布置在光电池表面，用于对辐射器所辐射的辐射能进行选择性过滤。
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