CN115664321A - 一种调整太阳能热电联供受光面的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种调整太阳能热电联供受光面的系统，本发明涉及光学系统技术领域，实现所述系统的具体子系统为：子系统一，单晶硅太阳能电池阵列排布形成热电联供受光面的物理结构，子系统二，建立光线探测装置，子系统三，人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置，单晶硅太阳能电池的热电联供的物理结构，具有全光谱利用太阳能的能力，提高太阳能的转化效率；一种调整太阳能热电联供受光面的方法，本发明涉及光学系统技术领域，控制光敏三极管基极的受光量。

Description

一种调整太阳能热电联供受光面的系统和方法

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，具体为一种调整太阳能热电联供受光面的系统和方法。

背景技术

太阳光谱线的各个波段，能量“品位”高低不同，高于太阳能电池带隙能部分的波段能量，直接被太阳能电池转为高品位电能；低于其带隙能部分的波段能量，被太阳能电池组件转化为低品位的热能。单一太阳能电池发电，只能利用特定频率的光谱，光谱的频率范围受到限制，无法对太阳光线，进行全光谱转换；虽然采用单一的光转热，可以实现全光谱利用，但是转换效率比较低；太阳光线是运动的，虽然追踪太阳光线的方法很多，但是追踪太阳光线的精度还不是很理想，利用太阳光线的效率达不到最大值，全光谱梯级利用，是当前太阳能利用技术亟待解决的重要科技难题，也是太阳能领域国际前沿研究之一。

发明内容

针对以上问题，至少解决其中的一个问题，本发明的目的在于采用热电联供的方式转换太阳能，并且让热电联供受光面与太阳光线，无限趋近于垂直状态，提高太阳光线的利用率，提供一种调整太阳能热电联供受光面的系统和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种调整太阳能热电联供受光面的系统，实现所述系统的具体子系统为：

子系统一，单晶硅太阳能电池阵列排布形成热电联供受光面的物理结构，单晶硅太阳能电池受光面面向太阳，采用阵列排布将光能转为电能，单晶硅太阳能电池非受光面设置管道空腔，所述管道空腔连通到循环管道中，形成封闭的循环管道回路，所述封闭的循环管道回路内为导热的液态物质，所述导热的液态物质作为载热的循环介质，所述导热的液态物质循环流动传递热量，所述单晶硅太阳能电池非受光面与所述管道空腔之间，采用导热绝缘材料，所述导热绝缘材料与所述单晶硅太阳能电池非受光面是连续接触，形成一体结构，所述导热绝缘材料在所述管道空腔内呈现褶皱结构；需要说明的是，太阳光线到达地球表面，太阳光线的波长范围为0.25μm至2.5μm，波长大于0.76μm的红外波段，占能量分布的43%，波长在0.40μm至0.76μm的可见光波段，占能量分布的48%，波长小于0.4μm的紫外波段，占能量分布的9%，单晶硅太阳能电池的光谱响应波段，是在0.4μm至1.1μm之间，单晶硅太阳能电池只能利用光谱响应波段范围内的光谱进行发电，光谱响应波段范围之外的光谱转换成热能，太阳光线照射单晶硅太阳能电池，将波长在0.4μm至1.1μm的光谱转化为电能，将波长在0.4μm至1.1μm之外的光谱，在单晶硅太阳能电池上转化热能，这个环节是采用吸收的方式，所述热能经过所述导热绝缘材料的传导，传导给载热循环介质，所述导热绝缘材料的导热性能越强越好，对单晶硅太阳能电池上的热量进行快速的热传导，由于单晶硅太阳能电池的光电转化效率，具有负的功率温度系数，即随着单晶硅太阳能电池温度升高，光转电的效率会随之下降，以单晶硅太阳能电池为例，电池温度每上升1℃，光电转换效率会下降大约0.4-0.5%，所述导热绝缘材料与所述单晶硅太阳能电池非受光面是连续接触，其目的在于增大热传导的面积，提高热传导的效果，所述导热绝缘材料在所述管道空腔内呈现褶皱结构，其目的在于增大比面积，增加所述导热绝缘材料与所述导热的液态物质的接触面积，提高热传导的效果，用单晶硅太阳能电池实现热电联供的功能，提高太阳光线的利用率；

进一步地，其中，在子系统一中，所述循环管道采用以下两种绝热结构之一，第一种绝热结构是，所述循环管道采用绝热材料，第二种绝热结构是，所述循环管道采用绝热材料的同时，所述循环管道是双层管道，形成中空结构，需要说明的是，所述循环管道采用绝热结构的目的，是为了减少热量在所述循环管道的散失；

子系统二，建立光线探测装置，光线探测装置包括：玻璃柱、吸光壁、光敏三极管，玻璃柱的侧壁设置吸光壁，玻璃柱的光线出射面设置光敏三极管的基极，光敏三极管的光窗口则为基极，光敏三极管的光窗口接收玻璃柱的光线出射面的光线，玻璃柱用于传递太阳光线，吸光壁用于吸收干扰光线，光敏三极管用于检测玻璃柱的光线出射面的太阳光线，需要说明的是，玻璃柱的直径和高的比例关系，决定太阳光线从玻璃柱的光线入射面进入光线出射面的角度范围，吸光壁采用吸光的材料，吸光壁具有吸收光线的能力，吸光壁太阳光线，控制光线的入射角度；

进一步地，其中，在子系统二中，将光敏三极管串联到一个电路回路中，用电流传感器检测光敏三极管的电流变化，光敏三极管的第一种串联方式是，直流电源直接与光敏三极管的串联成一个回路，电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，电流传感器检测的数据反馈给人工智能AI，需要说明的是，直流电源的选择要适当，如果直流电源的电压过小，那么电流传感器检测光敏三极管的集电极或者发射极的精度下降，如果直流电源的电压过大，那么光敏三极管容易被损坏；光敏三极管的第二种串联方式是，将直流电源、电阻与光敏三极管串联成一个电路回路，电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，需要说明的是，直流电源可以采用单晶硅太阳能电池或者电池，由单晶硅太阳能电池给所述电池充电；

子系统三，人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置，热电联供受光面和光线探测装置正下方的转动装置，由人工智能AI控制，热电联供受光面和光线探测装置处于同一坐标系，光线探测装置探测到太阳光线与光线探测装置的光线入射平面垂直，进而人工智能AI将电联供受光面调整为，与光线探测装置的光线入射平面平行，需要说明的是，光线探测装置处于连续探测状态，当首次使用光线探测装置时，光线探测装置处于盲探的阶段，人工智能AI记录光线探测装置的轨迹和对应的电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，由人工智能AI计算出太阳光线的运动轨迹，采用微分的方式，控制转动装置，使热电联供受光面与太阳光线趋近于垂直状态；

进一步地，其中，在子系统三中，所述热电联供受光面下方设置转动装置，转动装置在空间中能够实现区域的连续的转动，所述转动装置的转动区域，至少覆盖以地平面为截面的上半球面，需要说明的是，这是为了使所述热电联供受光面具有调整方向的功能；所述光线探测装置设置转动装置，所述转动装置的转动区域，至少覆盖以地平面为截面的上半球面；并且转动装置的面域是连续的，以转动装置的动力装置为圆心，转轴为半径，转轴分别连接动力装置和热电联供受光面的正下方，由于光线探测装置的体积小，采用小的转动装置和小的转轴，小转轴分别连接小动力装置和光线探测装置的正下方，实现光线探测装置、小的转动装置和小的转轴在体积上的匹配，无论是转轴或者小转轴，在与热电联供受光面和光线探测装置连接的末端，以任意一点为中心，能形成连续的转动面域，这样的目的是提高转动的精度和控制的精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

（1）、单晶硅太阳能电池的热电联供的物理结构，具有全光谱利用太阳能的能力，提高太阳能的转化效率，对单晶硅太阳能电池温度的控制，提升单晶硅太阳能电池光转电的效率；单晶硅太阳能电池非受光面与所述管道空腔之间，采用导热绝缘材料，杜绝导电材料不可预知的干扰，保护单晶硅太阳能电池的结构，循环管道采用绝热结构，是为了减少热量在所述循环管道的散失；导热的液态物质采用防冻液，扩大使用范围和时间，特别是寒冷的地区；

（2）、光线探测装置能够探测到太阳的入射光线的方位，且具有抗干扰的能力；

（3）、人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置，热电联供受光面和光线探测装置正下方的转动装置，无论是转轴或者小转轴，在与热电联供受光面和光线探测装置连接的末端，以任意一点为中心，能形成连续的转动面域，这样的目的是提高转动的精度和控制的精度；

（4）、使热电联供受光面与太阳光线趋近于垂直状态，实现太阳能利用的效率最大化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的子系统功能图；

图2是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的受光面及构件的剖视图；

图3是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的光线与光线探测装置倾斜的示意图；

图4是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的光线与光线探测装置垂直的示意图；

图5是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的光敏三极管的电路图；

图6是一种调整太阳能热电联供受光面的系统的检测电流的示意图。

附图标记所代表的为：201-单晶硅太阳能电池、202-导热绝缘材料、203-管道空腔、204-循环管道壁、301-斜的光线、302-吸光壁、303-玻璃柱、304-光敏三极管、305-垂直的光线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，需要说明的是，光线包括了太阳光线。

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

如图1至图6所示，本发明提供了一种调整太阳能热电联供受光面的系统，实现所述系统的具体子系统为：

子系统一，单晶硅太阳能电池阵列排布形成热电联供受光面的物理结构101，单晶硅太阳能电池受光面面向太阳，采用阵列排布将光能转为电能，单晶硅太阳能电池非受光面设置管道空腔，所述管道空腔连通到循环管道中，形成封闭的循环管道回路，所述封闭的循环管道回路内为导热的液态物质，所述导热的液态物质作为载热的循环介质，所述导热的液态物质循环流动传递热量，所述单晶硅太阳能电池非受光面与所述管道空腔之间，采用导热绝缘材料，所述导热绝缘材料与所述单晶硅太阳能电池非受光面是连续接触，形成一体结构，所述导热绝缘材料在所述管道空腔内呈现褶皱结构。

子系统二，建立光线探测装置102，光线探测装置包括：玻璃柱、吸光壁、光敏三极管，玻璃柱的侧壁设置吸光壁，玻璃柱的光线出射面设置光敏三极管的基极，光敏三极管的光窗口则为基极，光敏三极管的光窗口接收玻璃柱的光线出射面的光线，玻璃柱用于传递太阳光线，吸光壁用于吸收干扰光线，光敏三极管用于检测玻璃柱的光线出射面的太阳光线，需要说明的是，玻璃柱的直径和高的比例关系，决定太阳光线从玻璃柱的光线入射面进入光线出射面的角度范围，吸光壁采用吸光的材料，吸光壁具有吸收光线的能力，吸光壁太阳光线，控制光线的入射角度。

子系统三，人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置103，热电联供受光面和光线探测装置处于同一坐标系，光线探测装置探测到太阳光线与光线探测装置的光线入射平面垂直，进而人工智能AI将电联供受光面调整为，与光线探测装置的光线入射平面平行。

进一步地，其中，在子系统一中，单晶硅太阳能电池201正下方导热绝缘材料202，导热绝缘材料202与单晶硅太阳能电池非受光面是连续接触，导热绝缘材料202管道空腔203内呈现褶皱结构，需要说明的是，导热绝缘材料202起到热量传导的作用，将单晶硅太阳能电池201上的热量转移，降低单晶硅太阳能电池201的温度；循环管道壁204是封闭的循环管道回路的一部分，管道空腔203内为导热的液态物质，需要说明的是，管道空腔203内导热的液态物质，以流动的方式传递热量，在封闭的循环管道回路某一段，设置利用热量的装置，比如，居民室内的加热板、对水的加热板等等。

优选的，其中，在子系统一中，所述导热的液态物质采用防冻液；需要说明的是，所述导热的液态物质采用防冻液，是为了应对低温天气，例如，如果所述导热的液态物质采用液态水，那么在气温处于零下状态，所述液态水就处于结冰状态，单晶硅太阳能电池的供热能力消失。

为了更好的实现本发明的目的，在子系统二中，建立光线探测装置，光线探测装置包括：玻璃柱303、吸光壁302、光敏三极管304，玻璃柱303外层设置吸光壁302，在玻璃柱303的光线入射面镀超亲水纳米氧化钛薄膜，对玻璃柱303的光线入射面自洁，玻璃柱303的光线出射面设置光敏三极管304，玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面，接触或者不接触都能实现光电转换，对玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面进行密闭封装，让玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面不受粉尘或者水的干扰；吸光壁302吸收光线；需要说明的是，吸光壁302的作用，在于消除斜的光线301的干扰；斜的光线301，从玻璃柱303的光线入射面以折射方式进入玻璃柱303，斜的光线301在玻璃柱303内照射到吸光壁302而被吸收，垂直的光线305从玻璃柱303的光线入射面进入，从玻璃柱303的光线出射面出来，照射光敏三极管304的受光面，光敏三极管304基极的光线强度达到开启阈值，光敏三极管304的集电极和发射极导通，将光敏三极管304的集电极和发射极连接到直流电路的回路中，用电流传感器测量光敏三极管304的集电极或者发射极的电量，人工智能AI将光敏三极管304的电流控制在电流放大区；一种调整太阳能热电联供受光面的方法，采用控制光敏三极管304基极的受光量，采用以下调整光敏三极管304基极受光量的三种方法之一，第一种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，控制玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面的相对位置，一是平行移位，二是调整玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面的夹角α，夹角的取值范围是0°≤α＜90°，当夹角是0°时，玻璃柱303的光线出射面与光敏三极管304基极的受光面平行，光敏三极管304基极的受光面，受光面的受光效果处于最大值，第二种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，采用遮挡的方式，减少玻璃柱303的光线出射面的面积，第三种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，采用遮挡的方式，减少玻璃柱303的光线入射面的面积，需要说明的是，以上三种调整光敏三极管基极的受光量的方法，是在光线很强的状态，为了使光敏三极管304工作在放大区，对光敏三极管304基极的受光量进行调减，避免光敏三极管304工作在饱和区，而失去探测作用，反之，当光线处于很弱的状态，在对光敏三极管304基极的受光量进行了调减的基础上，进行调增，使光敏三极管304工作在放大区，结合图5，光敏三极管304选用NPN为例，直流电源直接与光敏三极管的串联成一个回路，电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，直流电源的电压大小保证光敏三极管304不被损坏，且能节省电能，另一种方式是，在图5的基础上加一个电阻，提高直流电源的电压，采用电阻来保护，保证光敏三极管304的电压安全。

为了更好的实现本发明的目的，进一步地，在子系统二中，玻璃柱303的直径为R，玻璃柱303的高为H，在玻璃柱303入射面内，临界角度β是玻璃柱303内的光线与玻璃柱303中心对称轴的夹角，折射光线开始有光线从玻璃柱303出射面折射而出的临界角度β，三角函数关系为tanβ= R/H。

为了更好的实现本发明的目的，在子系统三中，人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置，热电联供受光面和光线探测装置正下方的转动装置，由人工智能AI控制，热电联供受光面和光线探测装置处于同一坐标系，光线探测装置探测到太阳光线与光线探测装置的光线入射平面垂直，进而人工智能AI将电联供受光面调整为，与光线探测装置的光线入射平面平行，需要说明的是，光线探测装置处于连续探测状态，当首次使用光线探测装置时，光线探测装置处于盲探的阶段，人工智能AI记录光线探测装置的轨迹和对应的电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，由人工智能AI计算出太阳光线的运动轨迹，采用微分的方式，控制转动装置，使热电联供受光面与太阳光线趋近于垂直状态；如图6所示，I表示电流传感器检测光敏三极管集电极或者发射极的电流，θ表示转动装置使光线探测装置转动的角度，θ是一个平面角度，采用调整平面坐标系的方式获得，当I处于最大值时，前提条件是光敏三极管处于放大区，且仅是角度的变化，电流为最大值I_max时，光线探测装置的光线入射面与太阳光线处于垂直状态，将人工智能AI将热电联供受光面调整到与光线探测装置的光线入射面，实现太阳能利用的最大化。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于，实现所述系统的具体子系统为：

子系统一，单晶硅太阳能电池阵列排布形成热电联供受光面的物理结构，单晶硅太阳能电池受光面面向太阳，采用阵列排布将光能转为电能，单晶硅太阳能电池非受光面设置管道空腔，所述管道空腔连通到循环管道中，形成封闭的循环管道回路，所述封闭的循环管道回路内为导热的液态物质，所述单晶硅太阳能电池非受光面与所述管道空腔之间，采用导热绝缘材料；

子系统二，建立光线探测装置，光线探测装置包括：玻璃柱（303）、吸光壁（302）、光敏三极管（304），玻璃柱的侧壁设置吸光壁，玻璃柱的光线出射面设置光敏三极管的基极，光敏三极管的光窗口则为基极，光敏三极管的光窗口接收玻璃柱的光线出射面的光线，玻璃柱用于传递太阳光线，吸光壁用于吸收干扰光线，光敏三极管用于检测玻璃柱的光线出射面的太阳光线；

子系统三，人工智能AI调控热电联供受光面和光线探测装置，热电联供受光面和光线探测装置正下方的转动装置，由人工智能AI控制，热电联供受光面和光线探测装置处于同一坐标系，光线探测装置探测到太阳光线与光线探测装置的光线入射平面垂直，进而人工智能AI将电联供受光面调整为，与光线探测装置的光线入射平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统一中，单晶硅太阳能电池（201）正下方导热绝缘材料（202），导热绝缘材料（202）与单晶硅太阳能电池非受光面是连续接触，导热绝缘材料（202）管道空腔（203）内呈现褶皱结构。

3.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统一中，循环管道采用以下两种绝热结构之一，第一种绝热结构是，所述循环管道采用绝热材料，第二种绝热结构是，所述循环管道采用绝热材料的同时，所述循环管道是双层管道，形成中空结构。

4.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统二中，在玻璃柱（303）的光线入射面镀超亲水纳米氧化钛薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统二中，玻璃柱（303）的光线出射面设置光敏三极管（304），玻璃柱（303）的光线出射面与光敏三极管（304）基极的受光面，接触或者不接触都能实现光电转换，对玻璃柱（303）的光线出射面与光敏三极管（304）基极的受光面进行密闭封装。

6.根据权利要求5所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统二中，玻璃柱（303）的直径为R，玻璃柱（303）的高为H，在玻璃柱（303）入射面内，临界角度β是玻璃柱（303）内的光线与玻璃柱（303）中心对称轴的夹角，折射光线开始有光线从玻璃柱（303）出射面折射而出的临界角度β，三角函数关系为tanβ= R/H。

7.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统二中，吸光壁（302）吸收光线。

8.根据权利要求1所述的一种调整太阳能热电联供受光面的系统，其特征在于：在子系统二中，人工智能AI将光敏三极管（304）的电流控制在电流放大区。

9.一种调整太阳能热电联供受光面的方法，其特征在于：在子系统二中，控制光敏三极管（304）基极的受光量。

10.根据权利要求9所述的一种调整太阳能热电联供受光面的方法，其特征在于：在子系统二中，采用以下调整光敏三极管（304）基极受光量的三种方法之一，第一种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，控制玻璃柱（303）的光线出射面与光敏三极管（304）基极的受光面的相对位置，一是平行移位，二是调整玻璃柱（303）的光线出射面与光敏三极管（304）基极的受光面的夹角α，夹角的取值范围是0°≤α＜90°，当夹角是0°时，玻璃柱（303）的光线出射面与光敏三极管基极的受光面平行，光敏三极管（304）基极的受光面，受光面的受光效果处于最大值，第二种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，采用遮挡的方式，减少玻璃柱（303）的光线出射面的面积，第三种调整光敏三极管基极的受光量的方法是，采用遮挡的方式，减少玻璃柱（303）的光线入射面的面积。

Images