CN202524328U - 太阳能光热混合利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能光热混合利用系统，属太阳能利用技术领域。该系统包括：追日架、抛物面反射聚光镜、多个集光器、电能储存传输单元和热交换单元；其中，抛物面反射聚光镜设在追日架上；多个集光器的受光面均与聚光抛物面反射聚光镜的反射面相对，多个集光器的正负极输出端串联连接后与电能储存传输单元电连接；多个集光器的热输出端均与热交换单元连接。该系统设置多个集光器，各集光器所对应的抛物面反射聚光镜面积相等，各集光器的输出一致，可以串联使用，每个光伏电池都能工作在较理想的状态，从而汇集起的电能能够实现最大化。可以有效克服目前抛物面聚光太阳能系统所存在的光线均匀性的问题，具有高效、廉价、方便维护的优点。

Description

太阳能光热混合利用系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能应用技术领域，尤其涉及一种太阳能光热混合利用系统。 

背景技术

聚光太阳能发电中，光伏电池发电电压小而电流大，为将电流远距离传输，通常采用串联法，将各光伏电池串联，因为在不同光照条件下，光伏电池最大效率时电压变化很小，电流随光照强弱而变化，并因光伏电池功率较高，通常切割成小块使用，否则光伏电池表面印制的导线将难以承载光伏电池所产生的电流。所以光伏电池串联应用的前提是各光伏电池受光要均匀，否则串联应用时效率会大幅度下降，而光伏电池并联应用则因电流过大从而使所用导线很粗，并且导线电阻带来的功率损失较高。 

现在高倍聚光太阳能系统普遍采用菲涅耳镜聚光技术，各菲涅耳镜所对应的光伏电池串联后输出，以各菲涅耳镜的相等面积来保证各光伏电池受光均匀，聚光倍数多数在500～1000倍，追日精度要求±0.3°以内，菲涅耳镜由精密加工的铝合金箱体支撑，以保证每平米数十个光伏芯片的定位精度。现有菲涅尔镜式电池组件具有以下缺点：（1）菲涅耳镜成本高寿命短；（2）铝合金箱体成本高；（3）热量被散失到空气中而无法被有效利用等问题。 

为解决以上问题，人们在研究用抛物面反射聚光镜来做为反射元件构建高倍聚光太阳能利用系统，这需要同时解决以下几个问题：（1）电流密集问题，光伏电池集中后，电流会较集中，传输电流的导线难以布置。（2）散热问题，光伏电池集中后，其未能转换成电能的太阳能会以热能形式集中在一起，简单的气冷散热无法满足散热要求。（3）电流的均匀性问题，因为在一个抛物面镜的聚光光斑内光是不均匀分布的，有强弱差别，所以对集光器内的光伏电池不能简单串联使用，否则会造成各电池效率大幅度下降而失去利用价值。 

尤其电流密集问题和因均匀性问题而造成电池无法串联升压的问题比较难解决，现有技术采用立体液冷支撑结构来解决电流密集问题，采用多平面的抛物面反射聚光镜用类似无影灯的方式来解决光线均匀性问题，但由于追日系统的跟踪误差和光伏电池元件的晃动，解决的效果仍然不好，并且多平面构成的抛物面聚光镜制造和调整比较困难。 

实用新型内容

本实用新型实施方式提供一种太阳能光热混合利用系统，可以解决目前的太阳能利用系统因反射光线分布不均而产生存在效率低下的问题。 

为解决上述问题本实用新型提供的技术方案如下： 

本实用新型实施方式提供一种太阳能光热混合利用系统，包括： 

追日架、抛物面反射聚光镜、多个集光器、电能储存传输单元和热交换单元；其中， 

所述抛物面反射聚光镜设置在所述追日架上； 

多个集光器的受光面均与所述聚光抛物面反射聚光镜的反射面相对，多个集光器的正负极输出端串联连接后与所述电能储存传输单元电连接； 

多个集光器的热输出端均与所述热交换单元连接。 

由上述提供的技术方案可以看出，本实用新型实施方式提供的系统，通过设置多个集光器的多个集光器的电输出端的正负极相互串联连接，因各集光器所对应的抛物面反射聚光镜面积相等，且均处在同一追日架体，所以各集光器的输出一致，可以串联使用，所以每个光伏电池都能工作在较理想的状态，从而汇集起的电能能够实现最大化。从而可以有效克服目前抛物面聚光太阳能系统所存在的光线均匀性的问题，具有高效、廉价、方便维护的优点。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。 

图1为本实用新型实施例提供的太阳能光热混合利用系统的结构示意图； 

图2为本实用新型实施例提供的系统各集光器串联后连接电能输出单元的示意图； 

图3为本实用新型实施例提供的系统的集光器的示意图； 

图4为本实用新型实施例提供的系统的集光器的侧视示意图； 

图5为本实用新型实施例提供的系统的集光器的俯视示意图； 

图6为本实用新型实施例提供的聚光均光器的结构示意图； 

图7为本实用新型实施例提供的另一结构聚光均光器的示意图； 

图8为本实用新型实施例提供的光伏电池组的结构示意图； 

图9为本实用新型实施例提供的系统的又一结构集光器的示意图； 

图10为图9所示又一结构集光器的侧视示意图； 

图11为本实用新型实施例提供的系统采用V型支撑体的集光器结构示意图； 

图12为本实用新型实施例提供的系统采用V型支撑体的集光器的侧视的示意图； 

图13为本实用新型实施例提供的太阳能光热混合利用系统的另一结构示意图； 

图14为本实用新型实施例提供的太阳能光热混合利用系统的又一结构示意图； 

图15为本实用新型实施例提供的追日架与抛物面聚光反射镜和集光器的连接结构示意图； 

图中各标号为：1-直射阳光；2-追日架；3-抛物面反射聚光镜；4-集光器；41-聚光均光器；42-光伏电池；421-串列的光伏电池组；43-液冷支撑体；431-氧化铝陶瓷电路板；432-导线；433-走线槽口；434-散热管；44-防反向肖特基二极管；401集光器一；40n-集光器N；5-电能储存传输单元；51-储能电容；52-蓄电池充放电保护器；531-蓄电池组；54-逆变器；6-热交换单元；61-储水箱；62-散热器；63-换热器；64-水泵；65-热水储水箱；7-过热保护控制器。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。 

下面对本实用新型实施例作进一步地详细描述。 

本实用新型实施例提供一种太阳能光热混合利用系统，可以实现利用太阳能转化成电、热能进行利用，如图1所示，该系统包括：追日架2、抛物面反射聚光镜3、多个集光器4、电能储存传输单元5和热交换单元6； 

其中，抛物面反射聚光镜3设置在所述追日架2上（见图15）； 

多个集光器4的受光面均与抛物面反射聚光镜3的反射面相对，多个集光器4通过各自正负极输出端串联连接后与电能储存传输单元5电连接； 

多个集光器4的热输出端均与热交换单元6连接。 

上述系统中的每个集光器均有带正负极的电输出端，各集光器的电输出端的正负极 串联（即集光器4、集光器一401…集光器N 40n串联）后，具有总的正负极输出端，通过总正负极输出端连接电能储存传输单元5，串联的方式如图2所示。 

上述系统中的各集光器结构如图3～5所示，包括：聚光均光器41、液冷支撑体43和多个光伏电池42串联而成的光伏电池组421；其中，聚光均光器41设置在一个光伏电池组421的受光面上方；光伏电池组421的各光伏电池均设置在所述液冷支撑体43上，光伏电池组421设有正负极输出端；液冷支撑体43上设有连接热交换单元6的热输出端。每个集光器4中可以设置多个聚光均光器41，各聚光均光器41对应于一个由多个光伏电池42串联而成的串列光伏电池组421；不同聚光均光器所对应的光伏电池组421之间并联连接。 

上述集光器4中的聚光均光器41可采用聚光棱镜，聚光棱镜可采用倒置的棱台体结构（如图6），聚光棱镜下底面上也可以设置交叉的分割槽，交叉的分割槽将下底面分割为多个独立出光口（如图7所示），从而加大光伏芯片间的间距，便于光伏芯片的布置和导线的引出。 

上述集光器4中的液冷支撑体43为具有多个支撑面的中空柱形结构，其中空部分为散热孔，散热孔内设置散热管434，其至少一个外表面作为设置光伏电池42的支撑面。 

上述集光器4中的光伏电池组421的多个光伏电池，保持一定间距相邻布置在液冷支撑体43的支撑面上，可将光伏电池组铺设在氧化铝陶瓷电路板431上，再将铺设有光伏电池组的氧化铝陶瓷电路板再铺设在液冷支撑体的支撑面上。图8所示的是串列光伏电池组421的4光伏电池串联布置图，是将4个光伏电池42分别连接在各自的氧化铝陶瓷电路板431上，4组光伏电池密集布置，对应同一个聚光均光器，4组光伏电池在电路上串联，从而获得的电压等于一个光伏电池的4倍，在功率同等情况下，对应电流为4个光伏电池并联状态的1/4。以此类推可获得更多的光伏电池串联构成的串列光伏电池组421。 

上述集光器4的结构可参见图3，具体为：聚光棱镜41连接光伏电池42，光伏电池42通过氧化铝陶瓷电路板431连接液冷支撑体43，导线432经过走线槽口433，导线432连接光伏电池42和防反向肖特基二极管44，液冷支撑体43中空（为散热孔）并在中空的散热孔中设置散热管434，散热管434液冷接口连接到热交换单元6。 

上述系统的集光器还可以采用如图9～10所示的结构形式，它与上述图3～5所示的集光器的结构基本相同，不同的是其聚光均光器的上下底面之比根据抛物面聚光镜光斑在集光器受光面的分布而有所变化，这样结构的聚光均光器使得各位置的光伏电池受光强度相对均匀，可有效利用光伏电池的光电转换能力，提高光伏电池的利用效率。 

上述系统的集光器还可以采用如图11～12所示的结构形式，其液冷支撑体43的支撑 面为V型槽结构，构成光伏电池组421的多个光伏电池42设置在V型槽结构的两侧面上，作为聚光均光器41的聚光棱镜的出光口处为V型棱状结构，V型棱状结构的两个面对应于V型槽结构的两侧面上的光伏电池42，散热孔设置在液冷支撑体43的本体上，散热孔内设置散热管434。这种结构的集光器使得光伏电池表面的反射光线和在光电转换过程中发射出的光线能够有较大概率照射到另一光伏电池上，从而提高光电转换的效率。 

上述系统的集光器4中，聚光均光器可采用两级结构（见图13），从而实现更好的均光效果。 

上述结构的集光器4同时解决了液冷散热和光伏电池的电流通过导线向后续电路引出的问题。 

上述系统中的电能储存传输单元5可由储能电容51和逆变器54构成；其中，储能电容51一端与逆变器54的输入端电连接，储能电容51另一端接地（见图1）。该电能储存传输单元5还可以设置蓄电池充放电保护器和蓄电池组；蓄电池充放电保护器一端连接在集光器的输出与逆变器之间，蓄电池充放电保护器53的另一端与蓄电池组电连接（见图13）。 

如图1或图13所示，上述系统的热交换单元6可以采用以下形式，包括：储水箱61散热器62、换热器63和水泵64、；其中，换热器63的热水进口与集光器4的热输出端连接； 

储水箱61出水口经管路、水泵64依次经换热器63、散热器62回接至该储水箱61的回水口。这种结构的热交换单元可将集光器4的热量通过循环交换到环境中，包括空气或地下水或土地中，从而降低集光器4中光伏电池42的温度。 

如图14所示，上述系统的热交换单元的另一种结构形式包括：换热器63、储水箱61、水泵64和热水储水箱65；其中，换热器63的热水进口与集光器4的热输出端连接；储水箱61的出水口经管路、水泵64、换热器63与热水储水箱65连通。这种结构的热交换单元由储水箱61、水泵64、换热器63、热水储水箱65构成循环散热系统，将集光器4的热量通过循环交换到热水储水箱65，从而降低集光器4中光伏电池42的温度，并获得可利用的生活热水。 

上述系统中还可以设置，过热保护控制器，其检测端与所述集光器的热输出端连接，控制端与所述追日架的驱动装置控制器电连接，用于当所述集光器的热输出端的热值达到预设值时，发出控制信号控制所述追日架的驱动装置驱动所述追日架调整偏离太阳光的照射方向。过热保护控制器可通过热敏元件与单片机控制器（如ATMEL公司的MEGA系列单片机）来实现，整个过热保护控制器可集成到追日架的控制器中。 

上述系统工作时，直射阳光1通过连接在追日架2上的抛物面反射聚光镜3汇聚到聚光均光器41表面，经过聚光均光器41聚光后照射到由光伏电池42串联构成的串列光伏电池 组421，串列光伏电池组421将阳光转化成电能和热能，电能可经由多个防反向肖特基二极管44构成的电能累加器汇总在一起通过电容器51储能后传输到逆变器54转换成符合电网标准的电能传输到用电单位；热能通过热交换单元6交换到环境中，从而保证光伏电池42工作温度稳定，在散热系统工作不正常时，保护器7调整追日架2使抛物面反射聚光镜3聚光点偏离集光器4从而保护集光器4不会过热损坏，聚光均光器47同时有保护罩作用。集光器中由多个肖特基二极管44构成的电能累加器，保证从每个串列光伏芯片组421输出到电容器51的电流不会反向流入任意串列光伏电池组421。聚光均光器47由导光元件构成，从其每个入射窗口射入的光线通过聚光均光器后均匀分配在该入射窗口所对应的串列光伏电池组421上的每个光伏电池42上。 

综上所述，为解决现有技术所存的问题，采用抛物面反射聚光镜作为聚光元件来将光线汇聚到多个集光器上，在各集光器内设置多组聚光均光器，每组聚光均光器对应于由多个光伏电池串联构成的光伏电池组，聚光均光器受光面积大于光伏电池的面积使得光伏电池之间缝隙加大，多出了可以焊接导线和布置电路板的空间，每个聚光均光器所对应的各光伏电池所接受的光线强度相当，所以同一聚光均光器下的光伏电池可以串联使用，从而降低了电流，提升了电压，不同聚光均光器所对应的光伏电池组并联后连接集光器输出，各集光器电输出的正负极相互串联后连接电能储存传输单元，因各集光器所对应的抛物面聚光镜面积相等，所以各集光器的输出一致，可以串联使用，所以每个光伏电池都能工作在较理想的状态，从而汇集起的电能能够实现最大化。从而可以有效克服目前抛物面聚光太阳能系统所存在的光线均匀性的问题，具有高效、廉价、方便维护的优点。 

并且通过在集光器内应用了呈柱状立体的液冷支撑体，液冷支撑体中空部分设置的散热管连接热交换单元，可对液冷支撑体的支撑面上的光伏电池进行散热的同时，实现很好的热利用。这种结构的系统可以使用廉价且耐久的钢化玻璃抛物面反射聚光镜，并且省去了铝合金的电池组箱体，总成本上大幅度降低，并且同时可以提供可利用的热水资源，对太阳能实现了最大化的利用，使得太阳能发电的收益、成本比达到了经济可行，同时还使得集光器成为方便维护的模块化产品，提高了其可用性。 

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (10)

1.一种太阳能光热混合利用系统，其特征在于，包括：

追日架、抛物面反射聚光镜、多个集光器、电能储存传输单元和热交换单元；其中，

所述抛物面反射聚光镜设置在所述追日架上；

多个集光器的受光面均与所述聚光抛物面反射聚光镜的反射面相对，多个集光器的电输出端的正负极相互串联连接后与所述电能储存传输单元电连接；

多个集光器的热输出端均与所述热交换单元连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述各集光器均包括：聚光均光器、液冷支撑体和多个光伏电池串联而成的光伏电池组；其中，所述聚光均光器设置在一个光伏电池组的受光面上方；所述光伏电池组的各光伏电池均设置在所述液冷支撑体上，光伏电池组设有正负极输出端；所述液冷支撑体上设有连接热交换单元的热输出端。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述集光器包括：多个聚光均光器，各聚光均光器对应于一个由多个光伏电池串联而成的光伏电池组；

不同聚光均光器所对应的光伏电池组之间并联连接。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述各集光器中的光伏电池组的多个光伏电池，相邻布置铺设在所述液冷支撑体的支撑面上。

5.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述聚光均光器采用聚光棱镜。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述聚光棱镜为倒置的棱台体结构，其下底面上设有交叉的分割槽，交叉的分割槽将下底面分割为多个独立出光口。

7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述液冷支撑体为具有多个支撑面的中空柱形结构，其中空部分为散热孔，散热孔内设置散热管，其至少一个外表面作为设置光伏电池的支撑面。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热交换单元包括：

换热器、水泵、储水箱和散热器；其中，

换热器的热水进口与所述集光器的热输出端连接；

储水箱出水口经管路、水泵依次经换热器、散热器回接至该储水箱的回水口。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热交换单元包括：

换热器、储水箱、水泵和热水储水箱；其中，

换热器的热水进口与集光器的热输出端连接；

储水箱的出水口经管路、水泵、换热器与热水储水箱连通。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

过热保护控制器，其检测端与所述集光器的热输出端连接，控制端与所述追日架的驱动装置控制器电连接，用于当所述集光器的热输出端的热值达到预设值时，发出控制信号控制所述追日架的驱动装置驱动所述追日架调整偏离太阳光的照射方向。

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