CN203218299U - 一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，包括聚光器、光伏组件、光谱分频器、热接收器及再反射镜；聚光器由倾斜布置的多个平面玻璃镜和以倾角θ2布置的聚光器框架构成；平面玻璃镜以倾斜方式聚焦于安装在聚光器框架上方的光伏组件表面；光伏组件以倾角θ1安装；光伏组件与热接收器分别布置于光谱分频器的上、下两侧；再反射镜布置在热接收器正下方。本实用新型解决聚光太阳电池电池表面过热、表面能流分布不均的问题，提高电池转换效率和热利用部分的有效能效率。

Description

一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置
技术领域
本实用新型涉及太阳能利用、新能源开发技术领域,具体涉及一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用的装置。 
背景技术
太阳能是重要的可再生能源，其高效利用已成为研究的重要课题。传统上，太阳能利用方式主要有光伏转换和光热转换。这两种方式均受制于较低的太阳能能流密度（约1000W/m2）。采用聚光方式提高太阳能的辐射能流密度，光热利用时可提高集热温度，提高有效能效率；光伏转换时则可减少光伏电池用量，降低成本。同时，聚光电池具有比平板光伏电池更高的光电转换效率，例如美国Amonix公司生产三结聚光电池组件的光电转换效率已高达33.5%(Progress in Photovoltaics:Research and Applications.2012，20:606–614)。因此，太阳能的聚光利用具有良好的前景。 
聚光光伏发电的聚光倍数为数十至数百，又由于光伏电池仅能利用太阳光谱中的特定波段（如硅电池为400-1200nm，砷化镓电池为400-900nm），其余波段的光子能量在电池内部耗散为热量，造成热负荷很大，对散热器件的性能提出很高要求。一旦散热不良，造成电池工作温度过高，将严重影响转换效率。另外，某些类型的聚光光伏系统（如碟式系统、抛物槽式系统），其聚光光 斑的能流分布不均会造成电池表面“热斑”，影响电池光电转换效率。专利CN201725081U（胡芃，张谦，陈则韶一种平板型平面玻璃镜反射太阳能聚光器）提出了一种平板型平面玻璃镜反射太阳能的聚光器，抗风阻能力强，加工工艺简单，且聚光光斑光强分布均匀，不会造成光伏电池表面的“热斑”，但为了避免相邻玻璃镜之间的反射光线遮挡而存在一定间隙，使得聚光器的面积利用率随聚光器跨度和聚光比的增大而下降很快。 
光伏热水系统，如专利CN201758374U（于勤勇.一种一体式太阳能光伏光热板）和专利CN101408342（胡广良，季杰，周天泰.光伏热水模块）将太阳能光伏和光热综合起来利用：流体（水）流经电池背侧，带走多余热量，降低电池工作温度；另一方面，流体被加热成生活热水以资利用。这种系统提高了太阳能的综合利用效率，但光伏电池的工作温度与流体温度相耦合，电池工作效率受流体温度影响，热水温度也不能很高，热利用部分有效能效率低。 
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，解决聚光太阳电池电池表面过热、表面能流分布不均的问题，提高电池转换效率和热利用部分的有效能效率。 
本实用新型技术解决方案：一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，包括：聚光器、光伏组件4、光谱分频器3、热接收器5及再反射镜6；所述聚光器由倾斜布置的多个平面玻璃镜2和以倾角θ2布置的聚光器框架1构成；平面玻璃镜2以倾斜方式聚焦于安装在聚光器框架1上方的光伏组件4表面；光伏 组件4以倾角θ1安装；光伏组件4与热接收器5分别布置于光谱分频器3的上、下两侧；再反射镜6布置在热接收器5正下方。 
所述聚光器框架1的倾角θ2范围为10°-20°，减小了聚光器两相邻平面玻璃镜的间隙，提高了聚光器面积利用率。 
所述光伏组件4的安装倾角θ1为30°-45°。 
所述多个平面玻璃镜2中任一平面玻璃镜的宽度6-15cm及安装角度为1-45°，使得反射光正好覆盖光伏电池接收面（宽度为6-12cm），且各平面玻璃镜的反射光均匀叠加，从而获得能流密度分布均匀的焦斑。 
所述光谱分频器3采用真空镀膜的方法将高折射率材料（折射率>2.0，如TiO2，Nb2O5）和低折射率材料（折射率<1.6，如SiO2、MgF2）交替镀膜在透明基底上而成。 
所述热接收器5采用真空管式热接收器，吸收不利于光伏转换波段的太阳能，转换为热能并传递给管内流体。 
本实用新型与现有技术相比的优点在于： 
（1）本实用新型由于采用倾斜布置的平面玻璃镜反射聚光器，各平面玻璃镜的反射光束的宽度与光伏电池宽度相等，且在光伏电池表面均匀叠加，保证了电池表面能流分布的均匀性。在综合考虑太阳形状（4.65mrad）、平面玻璃镜面倾斜误差（0.95mrad）、镜面平整度（0.2mrad）、聚光器跟踪误差（1.75mrad）等光学误差的情况下，光伏电池表面能流密度均匀性仍高达0.96，适合聚光太阳电池的工作。 
（2）本实用新型中光谱分频器设计为对光伏电池的光谱响应波段（如硅光伏电池为0.4-1.2μm，砷化镓电池为0.4-0.9μm）具有高透过率（透过率>0.8），而对其余波段具有高反射率(反射率>0.8），因此可将适于光伏转换的波段透射至光伏电池，而将不利于光伏转换的光谱直接反射到热接收器上，从源头上避免了这部分辐射能在电池内部耗散，造成电池过热的可能，可使电池工作效率更高。 
（3）本实用新型中的热接收器吸收光谱分频器反射的辐射能并转换为热能，由于不和光伏电池连接在一起，因此集热温度不受光伏电池工作温度限制，可以根据需要，得到更高温度的高品位热能，满足不同的热利用方式。 
（4）本实用新型中光谱分频器布置在光伏电池前，将会聚的太阳光束中可用于高效光伏转换的波段的太阳能透射至太阳能电池表面，其余波段的太阳能反射至热接收器，再反射镜可将漏光再反射至集热管。因此，太阳光谱中无法用于光伏转换的波段不再成为光伏电池的热负荷，而是被分离出来进行光热利用。热接收器吸收光谱分频器反射的辐射能并转换为热能。由于光热转换过程和光伏转换过程没有热耦合，因此集热温度不受光伏电池工作温度的限制，可实现中高温集热，具有更高的有效能利用率。 
附图说明
图1为采用分频技术的聚光太阳能PV/T综合利用装置结构示意图。 
图中的符号分别表示为：1—聚光器框架；2—平面玻璃镜；3—光谱分频器；4—光伏组件；5—热接收器；6—再反射镜；θ1为光伏组件安装倾角；θ2 为聚光器框架水平倾角。 
具体实施方式
如图1所示，本实用新型由聚光器框架1、多个平面玻璃镜2、光谱分频器3、光伏组件4、热接收器5和再反射镜6构成。整个装置放置在太阳跟踪装置上，使装置能最大限度拦截太阳光，进行光伏光热综合利用。 
聚光器框架1以一定倾角θ2布置，任一平面玻璃镜2以1°-45°倾角聚焦于安装在聚光器框架1上方的光伏组件4表面。光伏组件4也以倾角θ1安装。聚光器框架1的倾角θ2范围为10°-20°，光伏组件4的安装倾角θ1为30°-45°。光伏组件4与热接收器5分别布置于光谱分频器3的上、下两侧。再反射镜6布置在热接收器5正下方。光谱分频器3采用高折射率材料TiO2（折射率2.4-2.7）和低折射率材料SiO2（折射率1.52-1.56）在透明玻璃基底上采用真空离子溅射法镀制光谱分频薄膜，实现对太阳光谱的分频功能。光谱分频器设计为对特定光伏电池的光谱响应区间具有高透过率（透过率>0.8），而对其余波段具有高反射率（反射率>0.8）。光谱分频器3将会聚光束中利于光伏转换的波段透射到光伏组件4上进行光伏发电，将其余波段反射到热接收器5上进行光热转换。不同种类光伏电池的光电转换区间不同，如硅太阳电池的光电转换区间为400-1200nm，砷化镓电池为400-900nm，因此采用的光谱分频器3的膜系设计也相应变化。热接收器5采用真空管式热接收器，吸收不利于光伏转换波段的太阳能，转换为热能并传递给管内流体。 
总之，本实用新型中的倾斜平面玻璃镜反射聚光器具有较高的面积利用率， 同时保证了光伏电池表面光照强度的均匀性；采用光谱分频技术对太阳光谱进行分频利用，不但使光伏电池保持较高的转换效率，同时可获得温度较高的热能，提高了太阳能的综合利用效率。 
本实用新型未详细阐述部分属于本领域公知技术。 
以上所述，仅为本实用新型部分具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本实用新型揭露的技术范围内，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。 

Claims (6)

1.一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于包括：聚光器、光伏组件（4）、光谱分频器（3）、热接收器（5）及再反射镜（6）；所述聚光器由倾斜布置的多个平面玻璃镜（2）和以倾角θ2布置的聚光器框架（1）构成；平面玻璃镜（2）以倾斜方式聚焦于安装在聚光器框架（1）上方的光伏组件（4）表面；光伏组件（4）以倾角θ1安装；光伏组件（4）与热接收器（5）分别布置于光谱分频器（3）的上、下两侧；再反射镜（6）布置在热接收器（5）正下方。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于：所述聚光器框架（1）的倾角θ2范围为10°-20°。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于：所述光伏组件（4）的安装倾角θ1为30°-45°。
4.根据权利要求1所述的太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于：所述多个平面玻璃镜（2）中任一平面玻璃镜的宽度为6-15cm及安装角度为1-45°。
5.根据权利要求1所述的太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于：所述光谱分频器（3）采用真空镀膜的方法将高折射率材料，即折射率>2.0，和低折射率材料，即折射率<1.6交替镀膜在透明基底上而成。
6.根据权利要求1所述的太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置，其特征在于：所述热接收器（5）采用真空管式热接收器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103236463A (zh) * 2013-04-17 2013-08-07 中国科学技术大学 一种太阳能聚光分频光伏光热综合利用装置
WO2015101692A1 (es) * 2013-12-31 2015-07-09 Abengoa Solar New Technologies, S.A. Sistema híbrido de cilindro paramétrico termosolar y receptor fotovoltaico
CN104993785A (zh) * 2015-07-14 2015-10-21 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种热电联产的线聚光太阳能利用装置

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