CN201892324U

CN201892324U - 一种具有发电功能的太阳能热水器

Info

Publication number: CN201892324U
Application number: CN2010205327021U
Authority: CN
Inventors: 黄加玉
Original assignee: BEIJING JINJI AOMENG CO LTD
Current assignee: BEIJING JINJI AOMENG CO LTD
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-09-17

Abstract

一种具有发电功能的太阳能热水器，包括太阳能热水器和太阳跟踪器，太阳能热水器固定在太阳跟踪器上。太阳能热水器由支架、水箱、透明长管外管、透明长管内管、超导热管、光伏电池支架、光伏电池组成，其中透明长管外管和内管可均为透明单层玻璃管、也可是透明玻璃与金属混合管、透明玻璃与塑料混合管的组合，透明长管内管灌注有普通水、软化水、纯净水或水和二元醇的混合液体中的一种，并装有超导热管，内管外安装有光伏电池支架，光伏电池安装在光伏电池支架上。本专利利用透明长管作为天然聚光器，大量节省了单独聚光器的采购成本，实现了热水器的发电功能，在透明长管内灌注吸收红外热光的液体，使红外热光无法照到光伏电池上，解决了因为聚光使光伏电池发热而降低效率的问题，单位面积发电效率提高，成本降低。

Description

一种具有发电功能的太阳能热水器

技术领域

本发明涉及一种高效率低成本同时获得太阳能的热和电的系统，特别涉及一种可以发电的太阳能热水器。

背景技术

由于石油价格飞涨、能源短缺，严重制约世界经济的发展和人民生活水平的提高。各国更加关注可再生能源，尤其是太阳能的利用。

我国太阳能资源丰富，2/3地区年辐射量大于20MJ/平方米，日照时数在2200小时以上，太阳能的开发利用具有极大的潜力。

目前，太阳能的利用技术主要有光热转换、光伏发电、光化学转换等基本方式。

光伏电池发电可以获得高品位的电能产品，但其主要问题是对太阳能总体利用效率较低，成本较高。

光热转换主要特点是效率高、成本低，几乎可以对太阳能全波段进行利用，但与光电转换相比，其最普遍的低温利用形式不能获得高品位能源产品。

而光伏发电结合低温光热的集成技术可以对太阳能全波段能量进行一体化利用，既可以获得高品位电能，又将大大提高太阳能的综合利用效率。

CN 1975282A公开了一种太阳能聚光热电联用系统，该系统具有聚光板，在聚光板的光带位置上设置有热电联用装置，热电联用装置具有外隔层玻璃，真空层，内隔层玻璃，中空腔以及腔内通有氧化硅或氧化铝纳米流体，外隔层玻璃下方设有太阳能电池板...

上述技术采用单独的聚光器并在中空腔内通有氧化硅或氧化铝纳米流体，成本较高，同时，该聚光器抗强风和抗沙尘污染差，在灰尘遮盖下太阳光的损失大，无法用于有强风和沙尘较多的地区。

现有热水器已经较好地解决了成本、抗风问题，对沙尘污染也比较好清除，但是热水器只产热水，没法获得高品位的电能。

发明内容

为了克服上述技术方案的不足，本发明的目的是提供一种高效率低成本同时获得太阳能的热和电的发电系统，更具体地说，是一种低成本的具有发电功能的太阳能热水器。

本发明对现有聚光发电系统和热水器进行了重大改进，首先把现有真空管热水器的玻璃管进行优化设计，使之同时具有换热、聚光、控制光谱波长三大功能，节省了单独的聚光器和控制光谱波长的镀膜分光镜，大大节约了成本。同时，在其组合焦点附近设置光伏电池，把太阳光大于1100nm波长的热光用来产热，而经过玻璃管后小于1100nm的冷光提供给光伏电池发电，使得热水器在生产热水的同时生产高品位电能。

上述器件阵列装置于太阳跟踪器控制的框架上，器件始终正对着太阳，利用率比传统热水器提高30％以上。由于实现了太阳能光热与光电转换的全光谱综合利用，使得对太阳能的利用率大于70％。

为了达到本发明的目的，采取如下技术方案：

一种具有发电功能的太阳能热水器，包括太阳能热水器和太阳跟踪器，太阳能热水器固定在太阳跟踪器上。太阳能热水器由支架、水箱、透明长管外管、透明长管内管、超导热管、光伏电池支架、光伏电池组成，其中透明长管外管和内管可均为透明单层玻璃管、也可是透明玻璃与金属混合管、透明玻璃与塑料混合管的组合，透明长管内管灌注有普通水、软化水、纯净水或水和二元醇的混合液体中的一种，并装有超导热管，内管外安装有光伏电池支架，光伏电池安装在光伏电池支架上。

本专利把真空管热水器的透明长管的截面设计成特殊球面或者非球面透镜，使之在灌注液体之后具有汇聚太阳光的功能以取代单独设置的聚光器，将太阳光以数倍至数十倍汇聚在光伏电池上，节约数倍至数十倍的太阳电池的使用量，并大量节省了单独聚光器的采购和维护成本，同时实现了太阳能热水器的发电功能；与此同时，由于真空管内管灌注了可以吸收1100-4000nm红外线的液体，使得阳光中大部分红外热光无法照到光伏电池上，解决了因为聚光使光伏电池发热损坏或降低效率的技术瓶颈，由于将太阳光全波段利用，其电和热的总效率大于目前其他热电联动系统，并降低了成本。

附图说明

下面根据附图及实施例对该专利作进一步说明：

图1为本专利整体结构侧视图

图中：1、透明长管外管；2、透明长管内管；3、超导热管；4、光伏电池；5、真空隔热腔；6、内管液体；7、超导液体；8、支架；9，底板；10、太阳跟踪器；11、水箱；12、光伏电池冷却水；13、光伏电池支架；。

图2-1为透明长管内管设计成椭圆形双凸透镜的截面图；

图2-2为透明长管内管设计成厚度均匀的凸凹透镜的截面图；

图2-3为在透明长管外管对称安装反射镜时的截面图。

图中：1、透明长管外管；2、透明长管内管；3、超导热管；4、光伏电池；5、真空隔热腔；6、内管液体；12、光伏电池冷却水；13、光伏电池支架；

14、反射镜

图3为本专利透明长管平行排列的截面图；

图4为本专利透明长管与图3成45°夹角排列的截面图；

图5为本专利透明长管成倒V字排列的截面图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种具有发电功能的太阳能热水器，包括太阳能热水器和太阳跟踪器10，太阳能热水器固定在底板9上，太阳能热水器由支架8、水箱11、透明长管外管1、透明长管内管2、超导热管3、光伏电池支架13、光伏电池4组成，其中透明长管外管和内管可均为透明单层玻璃管、也可是透明玻璃与金属的混合管、透明玻璃与塑料的混合管，透明长管内管2内套装超导热管3，透明长管内管2的外壁外安装有光伏电池支架13，光伏电池4安装在光伏电池支架13上，底板9安装有太阳跟踪器10。

本例中，透明长管的排列方式如图3。

透明长管内管和外管的截面可以设计成球面透镜形状，也可以设计成抛物面、双曲面等非球面透镜的形状；

透明长管内管灌装有对400-760nm的可见光透射比大于80％(每厘米)、对1100-4000nm的红外光平均吸收比大于90％(每厘米)的液体6；

该液体6如果不循环使用，可以是软化水，纯净水，水和二元醇的混合液，在循环使用时，可以使用普通自来水，并可以省去超导热管；

太阳光通过液体的光程以50-80毫米效果最好；

太阳跟踪器10带动多支透明长管和对应的多排光伏电池；

太阳跟踪器可以采用二维自动跟踪，也可以采用一维半自动跟踪；

透明长管外管1在阳光的入射、出射面上可以做成至少有一个面的截面是正透镜的形状，其焦距与内管的玻璃加液体的组合焦距共同作用时，对阳光的焦距更短，结构更紧凑。其内管的截面是圆形、椭圆形、凸凹、平凸、双凸、梯形、锥形、矩形等形状或其组合的一种。该截面设计成抛物面、双曲面等非球面的效果优于球面；

为了增加聚光倍数和减少重量，可以在透明外管的阳光入射方向，对称装置两条反射镜，反射镜的法线与入射阳光的夹角为65-75度；

光伏电池4是晶体硅电池或硅基薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIS薄膜电池、CIGS薄膜电池中的一种，其形状是刚性平面长条形或者柔性曲面长条形。将其装置于双层真空玻璃管内管与外管之间的透明长管内管2下方，电池上表面到内管中心线的距离为内管的组合焦距的0.5-1.5倍；

双层真空玻璃管的内外管的外表面镀有1-7层光学减反射增透膜。

实施例2

将透明长管内管截面设计成椭圆形双凸透镜，焦距较短，结构较紧凑。本例中椭圆的长轴为133，短轴为90。见图2-1。

实施例3

将透明长管内管截面设计成厚度比较均匀的凸凹透镜，入射光更加均匀，利于提高电池发电效率。本例中凸凹面的4个半径分别为100、105、200、205，内管宽度为133，见图2-2。

实施例4

在透明长管外管表面加装反射镜，便于收集更多的太阳光以提高发电效率，同时可以减少玻璃管和太阳电池的使用量，减轻整体重量，并增加热水温度，见图2-3。

实施例5

把整排透明长管装置在铝合金框中，左侧不动，右侧抬起。使其整体和图3所述排列面成45°夹角，参见图4.每根长管之间有一定距离，使太阳光从出山到正午，可以不受遮挡全部照到透明长管上，只有午后一小短时间有遮挡。

也可以采用以铝合金框的中心为轴，人工或者用电机在午后花费几秒钟把铝合金框转动90°，则太阳光从正午到落山，也可以不受遮挡全部照到管上，省去了占总成本40％左右的，用以带动整体铝合金框跟踪阳光的大型太阳跟踪器。

在本例中，只需在每根管的中部或一端装置一个机械钟表结构的微型跟踪器带动光伏电池支架缓慢转动，保证通过透明长管聚焦后的光带始终落在光伏电池上就行。由于光伏电池支架很轻，微型跟踪器消耗的能源就很少，造价也很低。

实施例6

把透明长管装置在倒V型铝合金框中，每根长管之间有一定距离，使太阳光从出山到正午，可以不受遮挡全部照到左侧的透明长管上。从正午到太阳落山，也可以不受遮挡全部照到右侧的透明长管上，本结构同样可以省去占总成本40％左右的，用以带动整体铝合金框跟踪阳光的大型太阳跟踪器。

在本例中，也需在每根管的中部或一端装置一个机械钟表结构的微型跟踪器带动光伏电池支架缓慢转动，保证通过透明长管聚焦后的光带始终落在光伏电池上就行。由于光伏电池支架很轻，微型跟踪器消耗的能源就很少，造价也很低。

将本发明批量装置于太阳房内建成太阳能聚光发电厂和供热厂，可以采用一台太阳跟踪器带动几台或几十台热水器，并可以省去透明长管外管而只保留内管，使得成本进一步降低并减少入射太阳光的反射损失。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在传统太阳能热水器透明管的下方设置光伏电池，使得热水器在生产热水的同时生产高品位电能。

2、本发明把太阳光谱中波长大于1100nm的热光用来产热，波长小于1100nm的冷光提供给光伏电池发电，使得对300-4000nm的太阳能得到全波段最大限度的利用。

3、本发明把传统太阳能热水器透明管的截面形状进行优化设计，使阳光通过之后均匀地汇聚成线状光带，节约太阳光伏电池80％以上，同时省去常规太阳能聚光发电包括热电联产系统必需的聚光器和控制光谱波长的多层镀膜分光镜，大大降低了成本。

4、本发明利用透明管中的液体吸收太阳光谱中大于1100nm波长的热光，不但可以用来生产热水，而且这部分红外热光到达不了太阳光伏电池表面，不会造成太阳光伏电池温升，解决了太阳光伏电池因为温升转换效率下降的难题，一举两得。

5、本发明在热水器上装置了太阳跟踪器控，阳光利用率提高30％。

6、本发明用硬质透明管代替常规的镀银、镀铝聚光器，寿命更长，也不会因为灰沙遮盖使得产热产电效率急剧下降。

7、本发明的热水器透明管同时具有聚光器、光热转换器、太阳光伏电池冷却器三大功能，结构更简单，成本更低廉。

8、本发明是对传统太阳能热水器和热电联产聚光发电系统的革命性改进，将使太阳能的高效率低成本利用走进千家万户，缓解能源短缺，改善人类环境。

本技术领域中的相关技术人员应当熟悉到，以上所述实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对上述实施例所做的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种具有发电功能的太阳能热水器，包括太阳能热水器和太阳跟踪器，太阳能热水器固定在太阳跟踪器上；太阳能热水器由支架、水箱、透明长管外管、透明长管内管、超导热管、光伏电池支架、光伏电池组成，内管外安装有光伏电池支架，光伏电池安装在光伏电池支架上，其特征在于：透明长管优化设计成同时具有汇聚阳光、分光滤热、光热转换功能，在透明长管内管外的聚光光带位置上安装有光伏电池。

2.根据权利要求1所述的一种具有发电功能的太阳能热水器，其特征在于，在透明长管两侧的阳光入射方向上设置有两条反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种具有发电功能的太阳能热水器，其特征在于，所述的在透明长管两侧的阳光入射方向上设置的两条反射镜的材料是镜面金属板，铝箔，镀有铝、银并加保护层的玻璃板，镀有铝、银并加保护层的高分子材料中的一种。