CN115549559A - 聚光分频与余热回收式太阳能盐差能协同发电系统及方法 - Google Patents

聚光分频与余热回收式太阳能盐差能协同发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统及方法，其中，聚光分频光伏发电单元包括光反射镜、液体分频器、双面太阳能电池和余热集热管，余热回收单元包括多级相变储热器和热交换器，盐差发电单元包括第一和第二腔室、离子选择性膜、第一和第二电极，储电与控制单元包括蓄电池组和逆变器，供水单元包括海水和河水水箱。双面太阳能电池用于聚光分频光伏发电，含纳米颗粒的海水和河水流经分频器用于光分频并加热自身，多级相变储热器收集分频器和余热集热管热量，并对盐差发电单元稳定供热。所述系统将太阳能和盐差能耦合互补提高太阳能利用率，两种工作模式连续运行可克服光伏发电间歇性和盐差发电波动性，实现电力稳定输出。

Description

聚光分频与余热回收式太阳能盐差能协同发电系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳能光电-光热利用和海洋能利用等领域，特别是一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统及方法。
背景技术
太阳能是一种广泛存在的可再生能源，单一的光伏发电技术目前仍受制于光电效率低的瓶颈；聚光光伏发电可提高光电效率和能量密度，但是聚光导致太阳能电池器件局部温度过高，产生的大量余热尚无可靠的利用途径。此外，不同天气条件下的太阳辐射存在间歇性和不稳定性，导致单一的光伏发电技术存在间歇性电能输出的固有缺陷。
海洋能广泛存在于近海、海岛和江河入海口。海水中赋存有大量盐离子溶液，其主要利用形式之一是盐差发电。目前单一的盐差发电技术仍受制于多孔离子选择膜的制备工艺复杂、可靠性差，同时也缺少可持续的溶液环境调控方式，导致输出功率密度较低。此外，随着离子跨膜输运过程进行，膜两侧离子浓度差减小，导致离子迁移驱动力减小，输出的电能随之持续衰退。因此目前的盐差发电技术仍需要人为干涉来不停更换海水和河水溶液，用于维持相对稳定的发电性能。
将多种清洁能源进行耦合互补利用，构建安全、可靠、高效的综合能源系统，是保障国家安全和国民经济平稳运行，实现“碳中和”目标的重要途径。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统及方法。将含纳米颗粒的海水和河水用于分频并加热自身，将双面太阳能电池用于聚光光伏发电，同时利用多级相变储热器收集来自液体分频器和余热集热管的热量，并对盐差发电单元稳定持续供热，进一步利用白天和夜间两种运行模式克服光伏发电间歇性和盐差发电波动性的缺点，提高太阳能利用率和电力输出的稳定性。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统包括聚光分频光伏发电单元、余热回收单元、盐差发电单元、储电与控制单元以及供水单元，其中，
所述聚光分频光伏发电单元包括：
光反射镜，其表面为抛物曲面，其将太阳光反射聚焦到液体分频器，
液体分频器，其壁面为高透光玻璃，内部液体为含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液，液体分频器吸收长波长光能用于加热内部液体而透过短波长光能，
双面太阳能电池，其下表面接收来自液体分频器的短波长光能，上表面接收太阳光，
余热集热管，其内部流通的载热工质收集光伏余热并降低所述双面太阳能电池温度，
所述余热回收单元包括：
多级相变储热器，其连接所述液体分频器和余热集热管以汇集来自液体分频器和余热集热管的热量并储热，根据盐差发电需求调整输出温度，为盐差发电单元海水和河水溶液稳定持续供热，
热交换器，其连接液体分频器、余热集热管和盐差发电单元，常温的河水在热交换器中被来自所述余热集热管和多级相变储热器加热后，再通入盐差发电单元的河水溶液；
所述盐差发电单元包括：
第一腔室，其连通液体分频器和多级相变储热器，所述含纳米颗粒的海水溶液经过液体分频器和多级相变储热器加热后，以喷洒方式从上方通入第一腔室，再从底部导出到海水水箱，
第二腔室，其连通液体分频器、多级相变储热器和热交换器，含纳米颗粒的河水溶液经过液体分频器、多级相变储热器和热交换器加热后，以喷洒方式从上方通入第二腔室，再从底部导出到河水水箱，
第一电极和第二电极，分别位于第一腔室和第二腔室内，通过电极反应将电化学势能转换为电能，
离子选择性膜，位于第一腔室和第二腔室之间，离子选择性膜内部含有纳米通道，
所述储电与控制单元包括：
蓄电池组，其连接所述聚光分频光伏发电单元和盐差发电单元以储存聚光分频光伏发电单元和盐差发电单元产生的电能，
逆变器，其连接所述蓄电池组，将蓄电池组输出的直流电转变为交流电，
所述供水单元包括海水水箱和河水水箱，分别接收外界补充的海水和河水，并在供水单元内掺入纳米颗粒分别形成所述海水溶液和河水溶液。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液取自去除沉淀物杂质后的天然海水和河水，海水溶液和河水溶液包含纳米颗粒和多种离子，在泵的驱动下依次在供水单元、聚光分频光伏发电单元、余热回收单元和盐差发电单元中循环流动。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述纳米颗粒由一种或多种高热导率纳米材料制成，所述纳米材料包括金属材料或非金属材料。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，余热集热管布置在所述双面太阳能电池内部以利用载热工质的循环流动来冷却双面太阳能电池，所述双面太阳能电池的活性层材料包括砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉，所述双面太阳能电池的窗口层表面设置等离子激元纳米颗粒。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述多级相变储热器内部填充相变温度不同的多种相变材料，同时可根据盐差发电单元的热量需求动态调控输出温度，所述相变材料包括石蜡、脂肪酸、醇类、脂类及其衍生物。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述载热工质经过余热集热管加热、多级相变储热器储热和控温，再进入热交换器中并将热量传递给来自河水水箱的常温河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，形成闭环的循环流动。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述离子选择性膜内部含有结构非对称的纳米通道，第一腔室侧的半通道尺寸小于第二腔室侧的半通道尺寸，两个半通道的表面电荷电性相反，当第一腔室侧的半通道带负表面电荷而第二腔室侧的半通道带正表面电荷时，离子选择性膜具有阳离子选择性；当第一腔室侧的半通道带正表面电荷而第二腔室侧的半通道带负表面电荷时，离子选择性膜具有阴离子选择性。
所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，所述盐差发电单元串联布置，所述来自海水水箱和河水水箱的海水溶液和河水溶液分别经过液体分频器加热和储热器控温，另一部分河水溶液直接经过热交换器加热，最后都用于盐差发电，再分别导出至海水水箱和河水水箱，形成闭环管路，同时外界补充海水和河水进入供水单元，使第一腔室和第二腔室的浓度差维持不变。
一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统的使用方法包括以下步骤，
太阳能充足时的晴天工作模式中，来自海水水箱和河水水箱的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液进入液体分频器，光反射镜将入射的太阳光聚焦到液体分频器表面，长波长聚焦的太阳光被液体分频器内部溶液吸收加热，短波长聚焦的太阳光被透射到达双面太阳能电池的下表面用于光电转换产生电能，双面太阳能电池的上表面也接收入射的太阳光用于光电转换产生电能，电能经导线储存于蓄电池组；
加热后的海水溶液和河水溶液从液体分频器导出，分别进入多级相变储热器并将部分热量传递给相变材料用于储热和控温，再分别通入并加热所述第一腔室和第二腔室；
载热工质在余热集热管内收集光伏余热，之后进入多级相变储热器进行储热和控温，再在热交换器中加热来自河水水箱的河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，而被加热的河水溶液通入并加热所述第二腔室；
在离子浓度差驱动下，高浓度的第一腔室内离子通过离子选择性膜迁移到低浓度的第二腔室而形成离子通量，第一电极和第二电极将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组，蓄电池组的电能经逆变器向泵供电，驱动所述海水溶液、河水溶液和载热工质的循环输运；
太阳能不足时的阴雨天和夜间工作模式中，储存于多级相变储热器的热量释放用作盐差发电单元所需的热源，来自海水水箱和河水水箱的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液经液体分频器到达多级相变储热器并被加热，再分别通入并加热所述第一腔室和第二腔室；
载热工质经余热集热管进入多级相变储热器并被加热，再在热交换器中加热来自河水水箱的河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，而被加热的河水溶液通入并加热所述第二腔室；
离子浓度差驱动高浓度的第一腔室内离子通过离子选择性膜迁移到低浓度的第二腔室而形成离子通量，第一电极和第二电极将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组，蓄电池组的电能经逆变器向泵供电，驱动所述海水溶液、河水溶液和载热工质的循环输运。
与现有技术相比，本发明具备如下优点：
(1)将太阳能和盐差能进行耦合互补并用于协同发电，通过载热工质回收利用聚光光伏余热，既避免双面太阳能电池局部高温导致的性能衰退，又提高盐差发电溶液的整体温度，从而加速离子跨膜迁移并增大离子通量和输出电压。因此，本发明可同时提高光伏发电的转换效率和盐差发电的功率密度。
(2)含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液同时用作聚光光伏的分频工质和盐差发电的电解液，在系统管路中循环流动并得到外界少量补充，从而使作为离子跨膜迁移驱动力的离子浓度差在盐差发电过程中维持恒定，具有显著经济性。
(3)系统根据实时天气情况以两种工作模式不间断运行，即在太阳能充足的晴天进行聚光光伏发电和盐差发电，而在太阳能不足时的阴雨天和夜间则依靠多级相变储热器释放的热量继续提升盐差发电性能，克服了单一光伏发电技术间歇性和单一盐差发电技术波动性的缺点，可实现稳定持续的电能输出，具有重要的社会经济效益，可应用于江河入海口和海岛地区的可再生能源发电。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的聚光分频光伏发电单元的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的盐差发电单元的结构示意图；
其中，1-河水水箱，2-蓄电池组，3-逆变器，4-双面太阳能电池，5-多级相变储热器，6-热交换器，7-第二电极，8-第二腔室，9-纳米通道，10-离子选择性膜，11-第一电极，12-第一腔室，13-光反射镜，14-第二泵，15-海水水箱，16-第一泵，17-第三泵，18-第四泵，19-第五泵，20-余热集热管，21-液体分频器，22-第一阀，23-第二阀，24-第三阀，25-第四阀，26-第五阀，27-第六阀。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统结构示意图。如图1所示，一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，包括聚光分频光伏发电单元、余热回收单元、盐差发电单元、储电与控制单元以及供水单元。
在聚光分频光伏发电单元中，光反射镜13表面为抛物曲面，将平行太阳光反射聚焦到液体分频器21；
液体分频器21的壁面为高透光玻璃，内部液体为含纳米颗粒的海水和河水溶液，用于接收聚焦光能，并吸收长波段光能用于加热液体，而透过短波长光能；所述含纳米颗粒的海水和河水溶液取自去除沉淀杂质后的天然海水和河水，包含纳米颗粒和多种离子，在第一泵16、第二泵14、第三泵17、第四泵18和第五泵19的驱动下，依次在供水单元、聚光分频光伏发电单元、余热回收单元和盐差发电单元中循环流动，避免纳米颗粒团聚造成管路和膜堵塞，在流经液体分频器21时对入射光具有分频和吸收效果。所述纳米颗粒由一种或多种高热导率纳米材料制成，其粒径和质量分数可根据需求调整，所述纳米材料包括但不限于金属材料，如铜、铁、银，金属氧化物材料，如氧化铝、氧化铜、四氧化三铁、氧化锌、二氧化钛，非金属材料，如二氧化硅、碳化硅、碳纳米管、氮化硼。
如图2所示，双面太阳能电池4的下表面接收来自液体分频器21的短波长聚焦太阳光，上表面接收全光谱平行太阳光，所述双面太阳能电池4的上表面和下表面同时接收入射光用于光伏发电，减少光线遮挡造成的光能损失，其内部布置的余热集热管20利用载热工质的循环流动来冷却双面太阳能电池4，双面太阳能电池4的活性层材料包括但不限于砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉，其窗口层表面可设置等离子激元纳米颗粒，用于促进光俘获和光吸收，减少电池表面的复合损失，等离子激元纳米颗粒的形状可以是球形、圆柱形或圆锥形。
在余热回收单元中，多级相变储热器5通过第一阀22和第二阀23收集来自液体分频器21的热量，通过第三阀收集来自余热集热管20的热量，同时进行储热，再根据盐差发电单元的热量需求动态调控输出温度，通过第四阀25为盐差发电单元的第一腔室12稳定持续供热，通过第五阀26和第六阀27为盐差发电单元的第二腔室8稳定持续供热；多级相变储热器5内部填充相变温度不同的多种相变材料，以应对晴天、阴雨和夜晚等不同天气条件下输入端海水溶液、河水溶液和载热工质温度随时间动态变化的情况。
热交换器6采用间壁式换热方式，常温河水在其中被来自余热集热管20和多级相变储热器5的高温载热工质加热后，再经过第六阀27通入盐差发电单元的第二腔室8，所述载热工质经过余热集热管20加热、多级相变储热器5储热和控温，再进入热交换器6中并将热量传递给来自河水水箱1的常温河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管20，形成闭环的循环流动。
如图1和图3所示，在盐差发电单元中，含纳米颗粒的海水溶液经过液体分频器21和多级相变储热器5加热后，经过第四阀25以喷洒方式从上方通入第一腔室12，抑制纳米颗粒团聚沉降并促进第一腔室12海水溶液离子浓度和温度分布的均匀性，再从底部导出，经过第一泵16到海水水箱15；含纳米颗粒的河水溶液经过液体分频器21、多级相变储热器5和热交换器6加热后，经过第五阀26以喷洒方式从上方通入第二腔室8，抑制纳米颗粒团聚沉降并促进第二腔室8河水溶液离子浓度和温度分布的均匀性，再从底部导出，，经过第二泵14到河水水箱1；分别位于第一腔室12和第二腔室8内第一电极11和第二电极7通过电极反应将电化学势能转换为电能。
离子选择性膜10位于第一腔室12和第二腔室8之间，其内部含有结构非对称的纳米通道9，第一腔室12侧的半通道尺寸小以实现离子选择性，第二腔室8侧的半通道尺寸大以维持离子通量，具体尺寸可根据盐差发电需求进行优化设计；两个半通道的表面电荷电性相反，当第一腔室12侧的半通道带负表面电荷而第二腔室8侧的半通道带正表面电荷时，离子选择性膜10具有阳离子选择性；当第一腔室12侧的半通道带正表面电荷而第二腔室8侧的半通道带负表面电荷时，离子选择性膜10具有阴离子选择性。
盐差发电单元可串联布置以充分利用大量余热并增大输出电压，串联数量可根据系统余热量调整。
来自海水水箱15和河水水箱1的海水溶液和河水溶液分别被第三泵17和第四泵18驱动，再进入液体分频器21加热和多级相变储热器5控温，另一部分河水溶液在第五泵的驱动下直接经过热交换器6加热，最后都用于盐差发电，再分别导出并在第一泵16和第二泵14的驱动下进入海水水箱15和河水水箱1，形成闭环管路，同时外界补充海水和河水进入供水单元，使第一腔室12和第二腔室8的浓度差维持不变。
在储电与控制单元中，蓄电池组2储存聚光分频光伏发电单元和盐差发电单元产生的电能，逆变器3将蓄电池组2输出的少量直流电转变为交流电，再向第一泵16、第二泵14、第三泵17、第四泵18和第五泵19供给电力。
在供水单元中，海水水箱15和河水水箱1分别接收外界补充的少量海水和河水，并掺入纳米颗粒，分别形成系统运行所需的海水溶液和河水溶液。
所述聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统有两种工作模式：
在太阳能充足时的晴天工作模式下，来自海水水箱15和河水水箱1的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液分别被第三泵17和第四泵18驱动，进入液体分频器21内部，光反射镜13将入射平行太阳光聚焦到液体分频器21表面，短波长聚焦太阳光被液体分频器21内部溶液吸收加热，长波长聚焦太阳光被透射到达双面太阳能电池4的下表面用于光电转换产生电能，双面太阳能电池4的上表面也接收入射平行太阳光用于光电转换产生电能，电能经导线储存于蓄电池组2；
加热后的海水和河水溶液从液体分频器21导出，分别通过第一阀22和第二阀23进入多级相变储热器5并进行储热和控温，再以适宜温度分别通过第四阀25和第五阀26通入并加热盐差发电单元第一腔室12和第二腔室8；
载热工质在余热集热管20内收集光伏余热，之后通过第三阀24进入多级相变储热器5进行储热和控温，来自河水水箱1的常温河水溶液被第五泵19驱动，与高温载热工质在热交换器6进行间壁式换热，被冷却载热工质返回余热集热管20，而被加热河水溶液经过第六阀27通入并加热盐差发电单元的第二腔室8；
在离子浓度差驱动下，高浓度的第一腔室12内离子通过离子选择性膜10的纳米通道9迁移到低浓度的第二腔室8而形成离子通量，第一电极11和第二电极7将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组2，蓄电池组2的少量电能经逆变器3后向第一泵16、第二泵14、第三泵17、第四泵18和第五泵19供电。
在太阳能不足时的阴雨天和夜间工作模式下，储存于多级相变储热器5的热量释放用作盐差发电单元所需的热源，来自海水水箱15和河水水箱1的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液分别被第三泵17和第四泵18驱动，再经过液体分频器21、第一阀22和第二阀23之后，到达多级相变储热器5并被加热，再分别经过第四阀25和第五阀26通入并加热第一腔室12和第二腔室8；
载热工质经余热集热管20和第三阀24进入多级相变储热器5并被加热，再在热交换器6中加热来自河水水箱1且被第五泵19驱动的河水溶液，被冷却载热工质返回余热集热管20，而被加热河水溶液经第六阀27通入第二腔室8；
离子浓度差驱动第一腔室12内离子通过离子选择性膜10的纳米通道9到第二腔室8而形成离子通量，第一电极11和第二电极7将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组2，蓄电池组2的少量电能经逆变器3向第一泵16、第二泵14、第三泵17、第四泵18和第五泵19供电。
需要指出的是，根据上述描述即可从原理上明确获悉本申请技术的创造性。接下来通过发电性能测试和对比，进一步说明本申请的技术效果。所选取三种技术包括单一的聚光光伏发电技术，单一的盐差发电技术，以及本发明的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统。
其中，单一的聚光光伏发电技术使用广泛研究的单面太阳能电池，即只有太阳能电池的下表面进行光电转换，而上表面不加以利用；活性层材料为砷化镓；纯水液体用作分频器内的流动工质。单一的盐差发电技术将目前广泛研究的氧化石墨烯膜用作离子选择性膜，具有阳离子选择性；海水离子浓度为0.5M，河水离子浓度为0.01M，并且都不含纳米颗粒；测试在室温25℃下进行。
本发明的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统中，使用上下表面均布置有银纳米颗粒的双面太阳能电池，活性层材料为砷化镓，并且配有余热集热管；将含碳纳米管的0.5M海水溶液和0.01M河水溶液用作分频器内流动工质；经多级相变储热器加热后，68℃的海水和河水溶液导入盐差发电单元；盐差发电单元的离子选择性膜采用氧化石墨烯膜，电极为Ag/AgCl电极。
对比上述三种技术的四个性能指标：24小时内有效发电时间、太阳能电池表面平均温度、太阳能电池光电效率、盐差发电功率密度这，结果如表1所示。
表1三种发电技术性能对比
Figure BDA0003815411540000101
由对比结果可知，单一聚光光伏发电技术在24小时内有效发电时间为10小时，接近一天光照时长。而单一盐差发电技术对于时间为16小时，原因是膜两侧的离子浓度差趋于接近而使得输出电能很小。本发明的协同发电系统可在24小时持续发电，这一方面得益于系统的两种工作模式交替进行，即晴朗白天同时进行聚光光伏发电和盐差发电，夜晚利用多级相变储热器所释放热量加热溶液和促进盐差发电，另一方面得益于海水和河水溶液的循环流动使得膜两侧浓度差保持基本恒定，从而使盐差发电过程不发生性能衰退。
其次，单一聚光光伏发电的太阳能电池表面平均温度达90℃，这是由于使用纯水作为分频液体工质，并且缺少有效的太阳能电池冷却措施。在相同聚光比的条件下，本发明的协同发电系统使用含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液作为分频流体工质，并且利用余热集热管带走太阳能电池的热量，因此可有效降低太阳能电池温度至75℃。
另外，单一聚光光伏发电技术由于前述缺点，其光电效率为27.8％，而本发明协同发电系统基于前述优点，对应效率为30％，效率得以保持甚至提升。
此外，单一盐差发电技术的功率密度仅为2.98W/m2，而本发明的协同发电系统对应功率密度达到8.60W/m2，这得益于光伏余热回收利用和液体分频器的加热作用，使盐差发电的海水溶液和河水溶液温度都从室温升高到68℃，极大促进了离子选择性膜内的离子通量。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方案和应用领域，上述具体实施方案仅仅是示意性和指导性的，而不是限制性的。本领域普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，其包括聚光分频光伏发电单元、余热回收单元、盐差发电单元、储电与控制单元以及供水单元，其中，
所述聚光分频光伏发电单元包括：
光反射镜，其表面为抛物曲面，其将太阳光反射聚焦到液体分频器；
液体分频器，其壁面为高透光玻璃，内部液体为含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液，液体分频器吸收长波长光能用于加热内部液体而透过短波长光能；
双面太阳能电池，其下表面接收来自液体分频器的短波长光能，上表面接收太阳光；
余热集热管，其内部流通的载热工质收集光伏余热并降低所述双面太阳能电池温度；
所述余热回收单元包括：
多级相变储热器，其连接所述液体分频器和余热集热管以汇集来自液体分频器和余热集热管的热量并储热，根据盐差发电需求调整输出温度，为盐差发电单元海水和河水溶液稳定持续供热；
热交换器，其连接液体分频器、余热集热管和盐差发电单元，常温的河水在热交换器中被来自所述余热集热管和多级相变储热器加热后，再通入盐差发电单元的河水溶液；
所述盐差发电单元包括：
第一腔室，其连通液体分频器和多级相变储热器，所述含纳米颗粒的海水溶液经过液体分频器和多级相变储热器加热后，以喷洒方式从上方通入第一腔室，再从底部导出到海水水箱；
第二腔室，其连通液体分频器、多级相变储热器和热交换器，含纳米颗粒的河水溶液经过液体分频器、多级相变储热器和热交换器加热后，以喷洒方式从上方通入第二腔室，再从底部导出到河水水箱；
第一电极和第二电极，分别位于第一腔室和第二腔室内，通过电极反应将电化学势能转换为电能；
离子选择性膜，位于第一腔室和第二腔室之间，离子选择性膜内部含有纳米通道；
所述储电与控制单元包括：
蓄电池组，其连接所述聚光分频光伏发电单元和盐差发电单元以储存聚光分频光伏发电单元和盐差发电单元产生的电能；
逆变器，其连接所述蓄电池组，将蓄电池组输出的直流电转变为交流电；
所述供水单元包括海水水箱和河水水箱，分别接收外界补充的海水和河水，并在供水单元内掺入纳米颗粒分别形成所述海水溶液和河水溶液。
2.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，优选的，所述含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液取自去除沉淀物杂质后的天然海水和河水，海水溶液和河水溶液包含纳米颗粒和多种离子，在泵的驱动下依次在供水单元、聚光分频光伏发电单元、余热回收单元和盐差发电单元中循环流动。
3.如权利要求2所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，所述纳米颗粒由一种或多种高热导率纳米材料制成，所述纳米材料包括金属材料或非金属材料。
4.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，余热集热管布置在所述双面太阳能电池内部以利用载热工质的循环流动来冷却双面太阳能电池，所述双面太阳能电池的活性层材料包括砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉，所述双面太阳能电池的窗口层表面设置等离子激元纳米颗粒。
5.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，所述多级相变储热器内部填充相变温度不同的多种相变材料，同时可根据盐差发电单元的热量需求动态调控输出温度，所述相变材料包括石蜡、脂肪酸、醇类、脂类及其衍生物。
6.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，所述载热工质经过余热集热管加热、多级相变储热器储热和控温，再进入热交换器中并将热量传递给来自河水水箱的常温河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，形成闭环的循环流动。
7.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，所述离子选择性膜内部含有结构非对称的纳米通道，第一腔室侧的半通道尺寸小于第二腔室侧的半通道尺寸，两个半通道的表面电荷电性相反，当第一腔室侧的半通道带负表面电荷而第二腔室侧的半通道带正表面电荷时，离子选择性膜具有阳离子选择性；当第一腔室侧的半通道带正表面电荷而第二腔室侧的半通道带负表面电荷时，离子选择性膜具有阴离子选择性。
8.如权利要求1所述的聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统，其特征在于，所述盐差发电单元串联布置，所述来自海水水箱和河水水箱的海水溶液和河水溶液分别经过液体分频器加热和储热器控温，另一部分河水溶液直接经过热交换器加热，最后都用于盐差发电，再分别导出至海水水箱和河水水箱，形成闭环管路，同时外界补充海水和河水进入供水单元，使第一腔室和第二腔室的浓度差维持不变。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种聚光分频与余热回收式的太阳能盐差能协同发电系统的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤，
太阳能充足时的晴天工作模式中，来自海水水箱和河水水箱的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液进入液体分频器，光反射镜将入射的太阳光聚焦到液体分频器表面，长波长聚焦的太阳光被液体分频器内部溶液吸收加热，短波长聚焦的太阳光被透射到达双面太阳能电池的下表面用于光电转换产生电能，双面太阳能电池的上表面也接收入射的太阳光用于光电转换产生电能，电能经导线储存于蓄电池组；
加热后的海水溶液和河水溶液从液体分频器导出，分别进入多级相变储热器并将部分热量传递给相变材料用于储热和控温，再分别通入并加热所述第一腔室和第二腔室；
载热工质在余热集热管内收集光伏余热，之后进入多级相变储热器进行储热和控温，再在热交换器中加热来自河水水箱的河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，而被加热的河水溶液通入并加热所述第二腔室；
在离子浓度差驱动下，高浓度的第一腔室内离子通过离子选择性膜迁移到低浓度的第二腔室而形成离子通量，第一电极和第二电极将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组，蓄电池组的电能经逆变器向泵供电，驱动所述海水溶液、河水溶液和载热工质的循环输运；
太阳能不足时的阴雨天和夜间工作模式中，储存于多级相变储热器的热量释放用作盐差发电单元所需的热源，来自海水水箱和河水水箱的含纳米颗粒的海水溶液和河水溶液经液体分频器到达多级相变储热器并被加热，再分别通入并加热所述第一腔室和第二腔室；
载热工质经余热集热管进入多级相变储热器并被加热，再在热交换器中加热来自河水水箱的河水溶液，被冷却的载热工质返回到余热集热管，而被加热的河水溶液通入并加热所述第二腔室；
离子浓度差驱动高浓度的第一腔室内离子通过离子选择性膜迁移到低浓度的第二腔室而形成离子通量，第一电极和第二电极将离子通量转换为外电路电流而实现盐差发电，电能经导线储存于蓄电池组，蓄电池组的电能经逆变器向泵供电，驱动所述海水溶液、河水溶液和载热工质的循环输运。
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