CN114123963A - 一种太阳能碟式聚光分频利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能碟式聚光分频利用系统，包括聚光单元、太阳能换换单元和移动单元，太阳光照射到反射镜上，经过反射镜反射后，反射光线射到分频器上，经过分频器分配的一部分光线射到光伏电池组件上，实现光能转换为电能，经过分频器分配的另外一部分光线射到光热化学反应器上，光热化学反应器内发生反应，生成燃料并储存；与此同时，移动单元为聚光单元和太阳能转化单元提供了稳定支撑，且方位角跟踪器和高度角跟踪器能够带动聚光单元和太阳能转化单元随太阳位置变换而移动，保证系统的正常运动。本发明利用碟式聚光将太阳能转换为电能的同时，利用光热化学反应器生成燃料，提升了太阳能品位，提高了太阳能利用效率。

Description

一种太阳能碟式聚光分频利用系统
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，特别是涉及一种太阳能碟式聚光分频利用系统。
背景技术
碟式聚光系统在聚光比、集热效率、空间运用等方面优势突出，同时运行方式更为灵活，可单独使用也可大规模集成，适合建立分布式能源系统，特别是在油田、农村等一些偏远地区，具有更强的适应性。
但碟式聚光因其较高的聚光温度很难实现光伏利用，而现阶段常与碟式聚光搭配的斯特林热发电机体积和重量大，导致追日时系统能耗高，降低太阳能利用效率，同时会降低镜面利用率、系统平衡性和系统抗风性能。另外，碟式系统过高的聚光比会造成接收器局部过热，影响接收器的使用性能及寿命，而且该系统目前缺少有效的储能方式，浪费了部分吸收的太阳能。
因此，如何丰富碟式聚光系统的太阳能转换形式、提升聚焦光斑均匀性以及开发太阳能储能技术，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能碟式聚光分频利用系统，以解决上述现有技术存在的问题，提高碟式聚光系统的太阳能利用率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种太阳能碟式聚光分频利用系统，包括聚光单元、太阳能转化单元和移动单元，其中，所述聚光单元包括反射镜，所述反射镜为旋转抛物面；所述太阳能转化单元包括分频器、光伏电池组件和光热化学反应器，所述反射镜反射太阳光得到的反射光线能够射入所述分频器，经过所述分频器分配的一部分反射光线射入所述光伏电池组件，经过所述分频器分配的其余反射光线射入所述光热化学反应器，入射的反射光线能够使所述光热化学反应器内物料发生反应生成燃料并储存；所述移动单元包括底座、方位角跟踪器和高度角跟踪器，所述方位角跟踪器可转动地设置于所述底座上，所述方位角跟踪器相对于所述底座的转动轴线平行于竖直方向，所述高度角跟踪器与所述方位角跟踪器铰接相连，所述高度角跟踪器相对于所述方位角跟踪器的转动轴线平行于水平面，所述聚光单元和所述太阳能转化单元均与所述高度角跟踪器相连。
优选地，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为旋转抛物面且焦点重合，所述第一反射镜设置于所述第二反射镜的底部，所述第一反射镜具有第一通孔，所述分频器正对所述第一通孔设置，入射的太阳光顺次经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后，穿过所述第一通孔到达所述光热化学反应器。
优选地，所述太阳能转化单元还包括壳体，所述分频器、所述光伏电池组件和所述光热化学反应器均设置于所述壳体内，所述壳体具有第二通孔，所述第二通孔正对所述第一通孔设置，所述第二通孔的直径不小于所述第一通孔的直径，所述分频器正对所述第二通孔设置。
优选地，所述太阳能转化单元设置于所述聚光单元的底部，所述壳体利用支架与所述第一反射镜相连。
优选地，所述光热化学反应器连接有溶液入口和燃料出口，所述溶液入口与甲醇水溶液相连通，所述甲醇水溶液能够在所述光热化学反应器发生甲醇水蒸气重整反应，反应后的气体由所述燃料出口导出。
优选地，所述光热化学反应器与所述燃料出口之间设置冷凝器，所述冷凝器具有液体出口，所述液体出口利用溶液泵与所述光热化学反应器相连通。
优选地，所述分频器与所述光伏电池组件之间设置匀光透镜，所述匀光透镜为平凹透镜。
优选地，所述光伏电池组件还连接有电池冷却器，所述溶液入口利用所述电池冷却器与所述光热化学反应器相连通。
优选地，所述电池冷却器设置于所述光伏电池组件远离所述分频器的一侧，所述电池冷却器利用导热硅脂与所述光伏电池组件相连。
优选地，所述分频器为薄膜干涉分频器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，包括聚光单元、太阳能换换单元和移动单元，其中，聚光单元包括反射镜，反射镜为旋转抛物面；太阳能转化单元包括分频器、光伏电池组件和光热化学反应器，反射镜反射太阳光得到的反射光线能够射入分频器，经过分频器分配的一部分反射光线射入光伏电池组件，经过分频器分配的其余反射光线射入光热化学反应器，入射的反射光线能够使光热化学反应器内物料发生反应生成燃料并储存；移动单元包括底座、方位角跟踪器和高度角跟踪器，方位角跟踪器可转动地设置于底座上，方位角跟踪器相对于底座的转动轴线平行于竖直方向，高度角跟踪器与方位角跟踪器铰接相连，高度角跟踪器相对于方位角跟踪器的转动轴线平行于水平面，聚光单元和太阳能转化单元均与高度角跟踪器相连。
本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，太阳光照射到反射镜上，经过反射镜反射后，反射光线射到分频器上，经过分频器分配的一部分光线射到光伏电池组件上，实现光能转换为电能，经过分频器分配的另外一部分光线射到光热化学反应器上，光热化学反应器内发生反应，生成燃料并储存；与此同时，移动单元为聚光单元和太阳能转化单元提供了稳定支撑，且方位角跟踪器和高度角跟踪器能够带动聚光单元和太阳能转化单元随太阳位置变换而移动，保证系统的正常运动。本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，利用碟式聚光将太阳能转换为电能的同时，利用光热化学反应器生成燃料，提升了太阳能品位，提高了太阳能利用效率，同时提高了系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为为本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统的结构示意图；
其中，1为反射镜，101为第一反射镜，102为第二反射镜，103为第一通孔，2为分频器，3为光伏电池组件，4为光热化学反应器，5为底座，6为方位角跟踪器，7为高度角跟踪器，8为壳体，801为第二通孔，9为支架，10为溶液入口，11为燃料出口，12为冷凝器，13为匀光透镜，14为电池冷却器，15为溶液泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种太阳能碟式聚光分频利用系统，以解决上述现有技术存在的问题，提高碟式聚光系统的太阳能利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1，图1为本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统的结构示意图。
本发明提供一种太阳能碟式聚光分频利用系统，包括聚光单元、太阳能转化单元和移动单元，其中，聚光单元包括反射镜1，反射镜1为旋转抛物面；太阳能转化单元包括分频器2、光伏电池组件3和光热化学反应器4，反射镜1反射太阳光得到的反射光线能够射入分频器2，经过分频器2分配的一部分反射光线射入光伏电池组件3，经过分频器2分配的其余反射光线射入光热化学反应器4，入射的反射光线能够使光热化学反应器4内物料发生反应生成燃料并储存；移动单元包括底座5、方位角跟踪器6和高度角跟踪器7，方位角跟踪器6可转动地设置于底座5上，方位角跟踪器6相对于底座5的转动轴线平行于竖直方向，高度角跟踪器7与方位角跟踪器6铰接相连，高度角跟踪器7相对于方位角跟踪器6的转动轴线平行于水平面，聚光单元和太阳能转化单元均与高度角跟踪器7相连。
本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，太阳光照射到反射镜1上，经过反射镜1反射后，反射光线射到分频器2上，经过分频器2分配的一部分光线射到光伏电池组件3上，实现光能转换为电能，经过分频器2分配的另外一部分光线射到光热化学反应器4上，光热化学反应器4内发生反应，生成燃料并储存；与此同时，移动单元为聚光单元和太阳能转化单元提供了稳定支撑，且方位角跟踪器6和高度角跟踪器7能够带动聚光单元和太阳能转化单元随太阳位置变换而移动，保证系统的正常运动。本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，利用碟式聚光将太阳能转换为电能的同时，利用光热化学反应器4生成燃料，提升了太阳能品位，提高了太阳能利用效率，同时提高了系统的可靠性。
具体地，反射镜1包括第一反射镜101和第二反射镜102，第一反射镜101和第二反射镜102均为旋转抛物面且焦点重合，第一反射镜101设置于第二反射镜102的底部，第一反射镜101具有第一通孔103，分频器2正对第一通孔103设置，入射的太阳光顺次经第一反射镜101和第二反射镜102反射后，穿过第一通孔103到达光热化学反应器4。太阳光线近似平行照射到第一反射镜101的上表面后，反射光线照射到第二反射镜102的下表面，继而通过共焦抛物面反射特性实现光线聚集与平行出射，经过第二反射镜102反射的平行光线穿过第一通孔103，照射到分频器2上，经过分频器2分配的部分光线照射到光伏电池组件3上转换为电能，部分光线照射到光热化学反应器4上，光热化学反应器4内物料在聚光光热条件下发生反应，产出燃料继而存储。
其中，太阳能转化单元还包括壳体8，分频器2、光伏电池组件3和光热化学反应器4均设置于壳体8内，壳体8具有第二通孔801，第二通孔801正对第一通孔103设置，第二通孔801的直径不小于第一通孔103的直径，分频器2正对第二通孔801设置，壳体8为分频器2、光伏电池组件3以及光热化学反应器4提供了稳定的安装基础，同时方便了太阳能转化单元与聚光单元以及移动单元相连，壳体8具有第二通孔801，确保反射光线顺利射到分频器2上。在本具体实施方式中，第二反射镜102、第一通孔103以及第二通孔801的直径相等，经过第二反射镜102反射的光线穿过第一通孔103以及第二通孔801射到分频器2上。
更具体地，太阳能转化单元设置于聚光单元的底部，壳体8利用支架9与第一反射镜101相连，支架9可采用框架式结构，降低支架9质量，同时保证连接牢固度。
在本具体实施方式中，光热化学反应器4连接有溶液入口10和燃料出口11，溶液入口10与甲醇水溶液相连通，甲醇水溶液能够在光热化学反应器4发生甲醇水蒸气重整反应，反应后的气体由燃料出口11导出。利用溶液入口10向光热化学反应器4中通入甲醇水溶液，甲醇水溶液中水与甲醇比在1.5：1至2:1之间，甲醇水溶液在光热化学反应器4中发生甲醇水蒸气重整反应，生成氢气和二氧化碳混合物，氢气可作为燃料，生成的气体混合物由燃料出口11导出，并储存，制氢原料甲醇产量大、储运方便、产氢率高，可高效利用太阳能中低温聚光光热。在本发明的其他具体实施方式中，光热化学反应器4还可以选择其他类型的光热反应器。
另外，光热化学反应器4与燃料出口11之间设置冷凝器12，冷凝器12具有液体出口，液体出口利用溶液泵15与光热化学反应器4相连通，光热化学反应器4发生反应后，以氢气为主的气体由燃料出口11导出，为完全反应的甲醇水溶液冷凝后通过溶液泵15重新回到光热化学反应器4中继续进行反应，提高反应效率。
进一步地，分频器2与光伏电池组件3之间设置匀光透镜13，分频器2分配的光线经过匀光透镜13散射提升光斑均匀性后投射至光伏电池组件3上，在本具体实施方式中，匀光透镜13为平凹透镜。
更进一步地，光伏电池组件3还连接有电池冷却器14，溶液入口10利用电池冷却器14与光热化学反应器4相连通，由溶液入口10导入的甲醇水溶液流经电池冷却器14，能够起到为光伏电池组件3降温的作用，吸收热量后的甲醇水溶液再进入光热化学反应器4中进行反应，进一步提高能源利用率。
与此同时，电池冷却器14设置于光伏电池组件3远离分频器2的一侧，避免电池冷却器14影响光伏电池组件3的正常工作，电池冷却器14利用导热硅脂与光伏电池组件3相连，连接牢固的同时保证热量顺利传递。
还需要说明的是，分频器2为薄膜干涉分频器，薄膜干涉分频器由对光伏电池组件3禁带宽度特征光谱区间具有高反射性的膜堆构成。
本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，太阳光线近似平行照射至第一反射镜101上表面后反射至第二反射镜102下表面，继而通过共焦抛物面反射特性实现光线聚集与平行出射；平行光线穿过第一反射镜101的第一通孔103和太阳能转化单元的第二通孔801后落至分频器2，分频器2将禁带宽度特征光谱区间辐射反射至匀光透镜13，光线通过匀光透镜13散射提升光斑均匀性后投至光伏电池组件3，其他波段辐射透射分频器2落至光热化学反应器4接收表面；光伏电池组件3进行光电转化的同时，被电池冷却器14中通入的甲醇水溶液冷却以保持较高光伏发电性能，加热蒸发后的甲醇水混合气体进入光热化学反应器4，在聚光光热条件(150℃-300℃)下进行甲醇水蒸气重整反应，产物通过冷凝器12冷却分离，其中以氢气为主的太阳能燃料气体通过燃料出口11导出，未完全反应的甲醇水溶液通过溶液泵15泵送回光热化学反应器4继续进行反应；方位角跟踪器6和高度角跟踪器7可根据太阳入射方向进行调节，实现精准二维跟踪。
本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统，在碟式二次反射聚光的基础上耦合分频技术分离能流从而降低光斑温度，结合光学透镜优化了能流均匀性，将碟式聚光扩展到光伏应用的同时，通过热化学反应制氢进行太阳能品位提升并储存，有效提升了太阳能利用效率与可靠性；另外，与传统碟式斯特林机热发电系统相比，本发明的太阳能碟式聚光分频利用系统整体重心更低，提升了抗风稳定性，降低了聚光器遮挡面积和追日能耗，本发明兼顾高效、稳定、低耗等优点，因而该系统及以此为基础的改进型可以在脱离大电网的分布式供能系统中发挥重要作用，具有良好的开发潜力和应用前景。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于，包括：
聚光单元，所述聚光单元包括反射镜，所述反射镜为旋转抛物面；
太阳能转化单元，所述太阳能转化单元包括分频器、光伏电池组件和光热化学反应器，所述反射镜反射太阳光得到的反射光线能够射入所述分频器，经过所述分频器分配的一部分反射光线射入所述光伏电池组件，经过所述分频器分配的其余反射光线射入所述光热化学反应器，入射的反射光线能够使所述光热化学反应器内物料发生反应生成燃料并储存；
移动单元，所述移动单元包括底座、方位角跟踪器和高度角跟踪器，所述方位角跟踪器可转动地设置于所述底座上，所述方位角跟踪器相对于所述底座的转动轴线平行于竖直方向，所述高度角跟踪器与所述方位角跟踪器铰接相连，所述高度角跟踪器相对于所述方位角跟踪器的转动轴线平行于水平面，所述聚光单元和所述太阳能转化单元均与所述高度角跟踪器相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为旋转抛物面且焦点重合，所述第一反射镜设置于所述第二反射镜的底部，所述第一反射镜具有第一通孔，所述分频器正对所述第一通孔设置，入射的太阳光顺次经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后，穿过所述第一通孔到达所述光热化学反应器。
3.根据权利要求2所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述太阳能转化单元还包括壳体，所述分频器、所述光伏电池组件和所述光热化学反应器均设置于所述壳体内，所述壳体具有第二通孔，所述第二通孔正对所述第一通孔设置，所述第二通孔的直径不小于所述第一通孔的直径，所述分频器正对所述第二通孔设置。
4.根据权利要求3所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述太阳能转化单元设置于所述聚光单元的底部，所述壳体利用支架与所述第一反射镜相连。
5.根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述光热化学反应器连接有溶液入口和燃料出口，所述溶液入口与甲醇水溶液相连通，所述甲醇水溶液能够在所述光热化学反应器发生甲醇水蒸气重整反应，反应后的气体由所述燃料出口导出。
6.根据权利要求5所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述光热化学反应器与所述燃料出口之间设置冷凝器，所述冷凝器具有液体出口，所述液体出口利用溶液泵与所述光热化学反应器相连通。
7.根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述分频器与所述光伏电池组件之间设置匀光透镜，所述匀光透镜为平凹透镜。
8.根据权利要求5所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述光伏电池组件还连接有电池冷却器，所述溶液入口利用所述电池冷却器与所述光热化学反应器相连通。
9.根据权利要求8所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述电池冷却器设置于所述光伏电池组件远离所述分频器的一侧，所述电池冷却器利用导热硅脂与所述光伏电池组件相连。
10.根据权利要求1所述的太阳能碟式聚光分频利用系统，其特征在于：所述分频器为薄膜干涉分频器。
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