CN114562820B - 一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，包括外壳盒体以及安装其中的呈百页窗形状排布且双面反射的镜元阵列，所述的镜元阵列包括若干依次排布、倾斜角度可调且正反面都镀有反射涂层的镜元，所述的太阳能光伏光热收集器还包括至少两个太阳能收集单元，其中至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列的向阳面一侧，至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列的背阳面一侧。与现有技术相比，本发明解决了光伏建筑一体化(BIPV)应用中，聚光型太阳能收集利用中的外观、尺寸和效率问题，易于实现收集器外观与建筑物现有装饰的一致，且结构紧凑，同时解决了太阳能入射和反射过程中的遮挡，提高了太阳光的收集效率。

Description

一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器
技术领域
本发明涉及太阳能光电、光热利用技术领域，尤其是涉及一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器。
背景技术
太阳能作为一种可再生的新能源，是人类可以利用的最丰富的能源，其分布范围广，洁净安全。对它的利用不会造成污染和碳排放，更不会影响生态平衡，太阳能的推广应用是人类解决能源缺口和避免环境污染的重要方法。
传统的太阳能利用系统一般分为非聚光型和聚光型，非聚光型设备能量密度低，在光热应用时收集到的太阳能很容易被设备自身的热散失所抵消，在光电应用时需要布置更多的光电转换单元(如光伏电池)。传统的聚光型设备一般厚度尺寸较大，该厚度用于光路聚焦设计，但较大的厚度不利用聚光器与建筑的高效融合。
目前高层建筑的数量不断增加，太阳能的利用面临着新的挑战，以往的太阳能收集器可以放在屋顶，而高层建筑的屋顶面积有限，针对此问题，业界提出了光伏建筑一体化(BIPV)的概念，目的是将太阳能利用产品尤其是光伏产品集成到建筑物上。
对于建筑尤其是高层建筑而言，建筑物本身的美观同其功能一样重要，甚至在建筑学界，普遍认为建筑的美观就是其功能的一部分，这就给高层建筑的太阳能利用造成了一定的困难，尤其是聚光型太阳能收集设备需要一定的厚度和形状进行光路聚焦，这不但影响了建筑物的美观，安装在高层建筑上作为建筑附加物还因为厚度尺寸增加了风载荷而具有一定的安全隐患。
总而言之，聚光型太阳能收集设备具有成本低，收集效率高等特点，但在高层建筑物应用时需要考虑其对建筑物外观的影响和安全性。
业界也有诸多尝试，试图减小聚光型太阳能收集设备的尺寸以更好地集成到建筑物上，但是常规的减小尺寸方法牺牲了太阳能的收集效率，造成了对焦不准、光路遮挡和有效的太阳能收集面积相对于产品总面积比例减小等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其具有收集效率高、结构紧凑、易与建筑高度整合的特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，包括外壳盒体以及安装其中的呈百页窗形状排布且双面反射的镜元阵列，所述的镜元阵列包括若干依次排布、倾斜角度可调且正反面都镀有反射涂层的镜元，所述的太阳能光伏光热收集器还包括至少两个太阳能收集单元，其中至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列的向阳面一侧，至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列的背阳面一侧。
优选地，所述的镜元阵列沿外壳盒体的对角线呈抛物线型布置。
优选地，所述的太阳能收集单元周侧分别设有用于太阳能聚焦反射并将太阳能导入对应的太阳能收集单元的二次反射镜。
优选地，所述的外壳盒体上设有用于将镜元阵列背阳面反射的太阳光线向对应的太阳能收集单元反射的反射面。
优选地，所述的太阳能收集器设置两个，分别包括位于外壳盒体的顶部和底部的上方太阳能收集单元和下方太阳能收集单元，所述的上方太阳能收集单元位于镜元阵列的向阳面一侧，所述的上方太阳能收集单元位于镜元阵列的背阳面一侧。
优选地，所述的太阳能光伏光热收集器设有用于调节镜元阵列中镜元倾斜角度的角度调节机构。
优选地，所述的角度调节机构包括同步调节所有镜元倾斜角度的同步调节机构。
优选地，所述的同步调节机构包括主调节齿轮、同步调节齿轮和传动件，所述的同步调节齿轮分别安装在各个镜元的转动轴上，所述的同步调节齿轮通过传动件连接至主调节齿轮。
优选地，所述的传动件包括链条或连杆结构。
优选地，所述的太阳能收集单元包括光电收集单元、光热收集单元或光电光热混合收集单元中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过将镜元阵列沿抛物线布置，降低了各镜元之间的遮挡，同时在镜元两面布置反射层，其上表面用于将太阳光聚焦反射至位于向阳侧的太阳能收集单元上，镜元的背面用于反射被其他镜元遮挡而无法聚焦到位于向阳侧的上方太阳能收集单元上的太阳光，这些太阳光被聚焦反射至位于背阳侧的下方太阳能收集单元上，大大提高太阳能的收集效率；
(2)将镜元对角线布置，同时将太阳能收集单元布置于设备底部，在保证光路设计的同时，大大降低了设备的厚度，减小了风阻，基本上消除了设备对于建筑物的外观影响和安全隐患；
(3)在常规的设计中，为避免菲涅尔反射镜在太阳入射时的相互遮挡问题，一般需要在各镜元间留出足够的间隙，这样就减少了太阳光的收集面积，本发明在理论上可以做到无间隙，镜元阵列面积全部为太阳光收集面积；
(4)太阳能收集单元没有放置在镜元阵列前方，不会对太阳光入射造成遮挡；
(5)太阳能收集单元位于设备内部，不影响外观，不增加厚度尺寸，更可以减少太阳能收集单元与环境之间的对流和辐射换热，减少热损失；
(6)本发明将聚光利用设备设计成百叶窗形式，可以做到与建筑物浑然一体，不影响建筑物美观。
附图说明
图1为本发明一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器的立体结构示意图；
图2为本发明一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器的侧视图；
图3为本发明镜元阵列的排布示意图；
图4为镜元转动角度与阳光入射角度的关系示意图；
图5为根据镜元宽度和太阳直射时镜元角度确定两镜元之间的间距的示意图；
图6为镜元阵列在太阳斜射时的向阳截面积计算示意图；
图7为设备尺寸以及各镜元之间的间距计算结果示意图；
图8为本发明与相同尺寸平板型太阳能收集器的太阳收集能力对比图。
图中，1为镜元阵列，2为上方太阳能收集单元，3为下方太阳能收集单元，4为上方二次反射镜一，5为上方二次反射镜二，6为下方二次反射镜，7为外壳盒体底部的反射面，8为角度调节机构，9为外壳盒体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，包括外壳盒体9以及安装其中的呈百页窗形状排布且双面反射的镜元阵列1，镜元阵列1沿外壳盒体9的对角线呈抛物线型布置，镜元阵列1包括若干依次排布、倾斜角度可调且正反面都镀有反射涂层的镜元，太阳能光伏光热收集器还包括至少两个太阳能收集单元，其中至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列1的向阳面一侧，至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列1的背阳面一侧。太阳能收集单元可以是光电收集单元、光热收集单元或光电光热混合收集单元中的任意一种。
如附图2、附图3所示，镜元阵列1大致将外壳盒体9空间划分为两个三角形区域。附图3展示的镜元转动轴均布置于抛物线上，抛物线的方程为：Y＝(H/W2)·X2。通过将镜元阵列1沿抛物线布置，使得各镜元的转动轴都位于一抛物线上，降低各镜元的反射太阳光线在镜元间的遮挡。同时，在镜元两面布置反射层，将遮挡的反射太阳光导到下方的太阳能收集单元上。如此，可将太阳能收集单元布置于镜元阵列两侧，不但避免了太阳能收集单元在阳光直射时对阳光的遮挡，也大大降低了收集器的整体厚度尺寸，结构紧凑的同时还保证了太阳能收集面积的最大化。其次，本发明给太阳能收集单元的布置提供了多种可能性，可以在太阳能收集单元的前方设置太阳能光谱分频，在收集单元的后方设置冷却装置或热能回收管道，这些额外的部件和管道均不会减小太阳光的收集面积，也不会暴露在外，影响外观或造成额外的风阻。
上述的太阳能收集单元的周侧分别设有用于太阳能聚焦反射并将太阳能导入对应的太阳能收集单元的二次反射镜。外壳盒体9上设有用于将镜元阵列1背阳面反射的太阳能向对应的太阳能收集器反射的反射面。本实施例中，太阳能收集单元设置两个，分别包括位于外壳盒体9的顶部和底部的上方太阳能收集单元2和下方太阳能收集单元3。上方太阳能收集单元2位于镜元阵列1的向阳面一侧，下方太阳能收集单元3位于镜元阵列1的背阳面一侧。因此，在上方太阳能收集单元2的周侧设置上方二次反射镜一4和上方二次反射镜二5，在下方太阳能收集单元3的周侧设置下方二次反射镜6。下方太阳能收集单元3的上方外壳壳体上设置反射面，形成外壳盒体底部的反射面7。镜元上表面将太阳光聚焦反射至上方太阳能收集装置的上方二次反射镜一4和上方二次反射镜二5，最终聚焦到上方太阳能收集单元2上。镜元的背面用于反射被其他镜元遮挡而无法聚焦到上方太阳能收集单元2上的太阳光。这些太阳光被镜元的背面、外壳盒体底部的反射面7和下方二次反射镜6反射到下方太阳能收集单元3上。
附图2中，实线展示了上方太阳能收集单元2收集到的正面太阳光光路图，虚线展示了如果入射的太阳光反射后被遮挡，则由下方太阳能收集单元3吸收。
太阳能光伏光热收集器还包括用于调节镜元阵列1中镜元角度的角度调节机构8。附图4展示了某镜元i的角度确定方法。具体的，镜元角度αi与太阳入射角θ、镜元与聚焦点的水平和垂直距离hi和si有关，计算公式如下：
由上式可以推导出：
由此，当太阳入射角度θ发生变化时，各镜元的角度调整量保持一致，调整量为阳光入射变化量的一半。因此，角度调节机构8包括同步调节所有镜元倾斜角度的同步调节机构，同步调节机构包括主调节齿轮、同步调节齿轮和传动件，同步调节齿轮分别安装在各个镜元的转动轴上，同步调节齿轮通过传动件连接至主调节齿轮。传动件包括链条或连杆结构。可以采用单个步进电机驱动，并使用链条或连杆驱动所有镜元的同步调节齿轮。
角度调整不但可以提高太阳光的收集效率，同时也可以根据需求调节两个收集单元之间的辐照度比例。
镜元宽度和间距确定的目的是确保所有阳光都被镜元反射到上方或下方的光热光伏收集单元上，镜元间距的计算考虑的是通过阳光直射情况下确定的。此时，宽度为Wi的镜元i与宽度Wi+1的镜元i+1分别转动角度αi和αi+1，结合附图5可知，两镜元之间的距离Di由如下公式可计算：
本发明厚度尺寸远远小于同类的聚光器产品，也小于空调外机的厚度，可以打消业主在安全方面的顾虑。基于降低成本，简化镜元生产流程的考虑，本实施例采用统一宽度镜元并设计不等的镜元间距的实施方案，具体尺寸如表1和附图7所示。
表1：产品主要参数
附图8为本发明与常规布局菲涅尔反射镜阵列在辐射度为800W/m2时收集的太阳能量的对比。可以看出本发明在太阳能能量收集效率上有明显的优势。
本发明解决了光伏建筑一体化(BIPV)应用中，聚光型太阳能收集利用中的外观、尺寸和效率问题。创造性的提出将太阳能聚光器设计成双面镜元反射、镜元阵列对角线布置、双收集单元设计。达到了外观与建筑物现有装饰的一致，且结构紧凑，同时解决了太阳能入射和反射过程中的遮挡，提高了太阳光的收集效率。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (5)

1.一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其特征在于，包括外壳盒体（9）以及安装其中的呈百页窗形状排布且双面反射的镜元阵列（1），所述的镜元阵列（1）包括若干依次排布、倾斜角度可调且正反面都镀有反射涂层的镜元，所述的太阳能光伏光热收集器还包括至少两个太阳能收集单元，其中至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列（1）的向阳面一侧，至少一个太阳能收集单元位于镜元阵列（1）的背阳面一侧；
所述的镜元阵列（1）沿外壳盒体（9）的对角线呈抛物线型布置；
所述的太阳能收集单元周侧分别设有用于太阳能聚焦反射并将太阳能导入对应的太阳能收集单元的二次反射镜；
所述的外壳盒体（9）上设有用于将镜元阵列（1）背阳面反射的太阳光线向对应的太阳能收集单元反射的反射面；
所述的太阳能收集单元设置两个，分别包括位于外壳盒体（9）的顶部和底部的上方太阳能收集单元（2）和下方太阳能收集单元（3），所述的上方太阳能收集单元（2）位于镜元阵列（1）的向阳面一侧，所述的上方太阳能收集单元（2）位于镜元阵列（1）的背阳面一侧；
所述的太阳能光伏光热收集器设有用于调节镜元阵列（1）中镜元倾斜角度的角度调节机构（8）。
2.根据权利要求1所述的一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其特征在于，所述的角度调节机构（8）包括同步调节所有镜元倾斜角度的同步调节机构。
3.根据权利要求2所述的一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其特征在于，所述的同步调节机构包括主调节齿轮、同步调节齿轮和传动件，所述的同步调节齿轮分别安装在各个镜元的转动轴上，所述的同步调节齿轮通过传动件连接至主调节齿轮。
4.根据权利要求3所述的一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其特征在于，所述的传动件包括链条或连杆结构。
5.根据权利要求1所述的一种建筑整合型百叶窗式太阳能光伏光热收集器，其特征在于，所述的太阳能收集单元包括光电收集单元、光热收集单元或光电光热混合收集单元中的任意一种。
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