CN204794873U - 高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构，太阳光从保护窗口的第一侧穿透该保护窗口，并射向位于保护窗口第二侧的主反射镜；主反射镜将太阳光汇聚，并反射到设置在保护窗口上的次反射镜；次反射镜将太阳光汇聚，并反射到设置在主反射镜上的太阳能聚光组件，将太阳光能转换为电能或热能。本实用新型的聚光光斑小，能量分散，但聚光比高，并且通过与太阳能聚光组件连接的热沉，将热量传递到冷却介质或空气中，从而保证太阳能电池或光吸收体在高聚光比条件下具有合适的工作温度，以维持其工作效率。

Description

高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构

技术领域

本实用新型涉及聚光光伏的技术领域，特别涉及一种高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构。

背景技术

太阳能聚光光伏技术（CPV），是一种使用透镜或反射镜面等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术。

现有技术中聚光光伏发电系统的聚光器，依光学原理可分为折射聚光器和反射聚光器。折射聚光器使用的折射透镜，例如是菲涅耳透镜，在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹达到对指定光谱范围的光带通反射或折射的作用，这种透镜具有质量轻、厚度薄的特点。

反射聚光器使用镜面反光板或抛物柱曲面反射镜。并且，随着聚光倍数的提高，还可以在这类聚光器下增加一个二次聚光器，以达到使射入电池表面光谱更均匀、减少光损失、缩减聚光器到电池距离等目的。

然而，菲涅耳透镜或抛物柱曲面反射镜在加工时，存在难度大、精度低、费用高以及产品寿命短的问题，难以推广应用。镜面反光板如果使用塑料反光板，会由于反射层与骨架层（比如玻璃）的热胀冷缩系数不一样，导致反射面脱落，反光率下降或难以继续使用；镜面反光板如果使用薄铝板，则难以经受室外严苛环境（例如冰雹），还会因擦洗而产生永久性损伤，并且加工成本高。

太阳光通过聚光器，汇聚到聚光太阳能电池处；然而，聚光太阳能电池在高光强、大电流状态下工作，聚光太阳能电池的峰值功率会随着温度的升高而降低，因此需要设计合理的散热系统来提高聚光光伏发电系统的发电效率，延长其使用寿命。

实用新型内容

本实用新型提供一种高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构，通过主反射镜和次反射镜的两次汇聚反射，将阳光汇聚到主反射镜的开孔附近的太阳能电池或光吸收体处，将阳光能量转变成电能或者热能；并通过与太阳能电池或光吸收体连接的热沉，将热量传递到冷却介质或空气中，从而保证太阳能电池或光吸收体在高聚光比条件下具有合适的工作温度，以维持其工作效率。

为了达到上述目的，本实用新型的一个技术方案是提供一种高聚光光伏发电热电联产系统的组元结构，任意一个组元中，包含：主反射镜，次反射镜，保护窗口，太阳能聚光组件；

太阳光从所述保护窗口的第一侧穿透该保护窗口，并射向位于保护窗口第二侧的主反射镜；

所述主反射镜将太阳光汇聚，并反射到设置在保护窗口上的次反射镜；

所述次反射镜将太阳光汇聚，并反射到设置在主反射镜上的太阳能聚光组件，将太阳光能转换为电能或热能。

优选地，所述主反射镜反射到次反射镜的太阳光中的一部分，经过次反射镜汇聚并反射到主反射镜上形成光斑；在主反射镜的光斑位置设有开孔，将太阳能聚光组件安装在开孔处。

优选地，所述太阳能聚光组件中，通过聚光棱镜或低倍聚光组件将汇聚到光斑处的太阳光能，汇聚到太阳能电池或光吸收体处来转换为电能或热能。

优选地，所述主反射镜反射到次反射镜的太阳光中的另一部分，透过次反射镜汇聚到位于第一侧的焦点处；

在该焦点处设置有另一个太阳能聚光组件，通过其中设置的聚光棱镜或低倍聚光组件将汇聚到焦点处的太阳光能，汇聚到这个太阳能聚光组件的太阳能电池或光吸收体处来转换为电能或热能。

优选地，所述太阳能聚光组件中的太阳能电池或光吸收体与热沉相连接，将热量传递给热沉，并通过热沉将热量散布到冷却介质或散布到周围的空气中。

优选地，所述热沉通过管道接口安装到冷却介质管道上，将热量传递给冷却介质管道中流过的冷却介质。

优选地，所述主反射镜是一凹面镜，次反射镜是另一凹面镜，保护窗口是一透光板；

所述保护保护窗口的第一侧对应了次反射镜的凹面，第二侧对应了次反射镜的凸面及主反射镜的凹面。

优选地，所述组元的横向尺寸为300mm~500mm；所述横向尺寸与主反射镜的直径相对应。

优选地，所述主反射镜的直径B为300mm，次反射镜的直径C为60mm，光斑的直径小于5mm，聚光比达到2700:1。

本实用新型的另一个技术方案是提供一种高聚光光伏发电热电联产系统，其中包含多个单元，这些单元安装在一个二维转动跟踪支架上，随所述二维转动跟踪支架转动来保持与太阳对准；

每个单元包含多个上述任意一项描述的组元，这些组元排列成一个阵列并固定在该单元的结构框架上。

与现有技术相比，本实用新型所述高聚光光伏发电热电联产系统及其组元结构，其优点在于：

与大型的太阳能电池阵列（如槽式、碟式和塔式太阳能热发电系统）相比，本实用新型的阳光能量相对分散，不至于烧毁元件，同时聚光比更高。太阳能电池之间的连接方式也更加灵活，特别是小电流输出方式可以减小电路损耗。

与菲涅尔透镜的聚光方式比较，本实用新型的聚光光斑更小，光学系统传输效率更高。与菲涅耳透镜或抛物柱曲面反射镜相比，本实用新型对主次反射镜的加工更为简单，有效降低成本。

与一般其他的光伏发电或热电联供系统相比，本实用新型由于采用了次反射镜，通过光谱分光技术可以很便利地进行太阳光的分光利用，为更先进的分光型光伏发电和分光型热电联供应用提供了技术可能性与实施案例，从而可以最高效率地利用太阳能。

本实用新型中通过与太阳能电池或光吸收体连接的热沉，将热量传递到冷却介质或空气中，从而保证太阳能电池或光吸收体在高聚光比条件下具有合适的工作温度，以维持其工作效率。

附图说明

图1是本实用新型所述高聚光光伏发电热电联产系统中任意一个组元的结构示意图；

图2是本实用新型所述高聚光光伏发电热电联产系统中太阳能电池组件及热沉的连接关系示意图；

图3是本实用新型所述高聚光光伏发电热电联产系统的整体结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种高聚光光伏发电热电联产系统，其中包含多个组元。如图1所示是其中任意一个组元的结构示意图。所述组元中，主要包含：主反射镜1，次反射镜2，保护窗口3，太阳能聚光组件4。

其中，保护窗口3的第一侧是该组元面向太阳光的一侧，即太阳光尚未穿透保护窗口3的一侧（图1中示为左侧）；保护窗口3的第二侧则是太阳光穿透保护窗口3之后的一侧（图1中示出为右侧）。

主反射镜1位于保护窗口3的第二侧，并与保护窗口3第二侧的表面之间以设定的距离相互隔开。太阳光透过保护窗口3之后，射向主反射镜1，由主反射镜1汇聚并反射到次反射镜2。

次反射镜2设置在保护窗口3的安装孔处。例如，使该安装孔开设于保护窗口3的中间。主反射镜1反射到次反射镜2的一部分太阳光，经过次反射镜2反射之后，在主反射镜1的某个位置汇聚形成一处光斑。

在主反射镜1上与汇聚光斑对应的位置设有开孔，使太阳能聚光组件4能够安装在该开孔处以接收汇聚的太阳光。例如，该开孔的位置在主反射镜1的中心附近。太阳能聚光组件4中主要的部件是太阳能电池6或者光吸收体，通过聚光棱镜5将汇聚到光斑处的阳光能量，进一步汇聚到太阳能电池6或者光吸收体处以转变为电能或者热能进行利用。在别的示例中，还可以使用其他的低倍聚光组件替换上述聚光棱镜5来实现进一步汇聚阳光能量的作用。

本例中，主反射镜1是一凹面镜，次反射镜2是另一凹面镜，保护窗口3为一基本平整的透光板。保护窗口3的第一侧对应了次反射镜2的凹面，第二侧对应了次反射镜2的凸面及主反射镜1的凹面。然而，在满足上述对太阳光实现“保护窗口3透光到主反射镜1，主反射镜1一次反射汇聚到次反射镜2，次反射镜2再二次反射汇聚到主反射镜1”的情况下，也可以使用其他形状的主反射镜1、次反射镜2或保护窗口3。并且，上文中，诸如保护窗口3与主反射镜1的间隔距离，次反射镜2在保护窗口3上的布置位置，太阳能聚光组件4在主反射镜1上的布置位置等，也可以在满足上述情况时根据实际应用进行相应调整。

本实用新型所述的任意一个组元，其横向尺寸（与参数A或B对应）优选在300-500mm之间，但在别的示例中也可允许使用其他的尺寸。这样尺寸的单个组元能量不大，一般不会出现热量太多，致使元件被烧毁的情况发生。次反射镜2的直径C一般根据一次反射汇聚的位置来设定，也与保护窗口3上安装孔的尺寸相匹配。

本实用新型的组元，其光学传输的效率高，主反射镜1、次反射镜2的反射率都可以达到96%以上，光学焦斑小，聚光比能够达到2500以上。例如，在一个具体的示例中，主反射镜1的直径B为300mm，次反射镜2的直径C为60mm时，聚焦光斑的直径小于5mm，聚光比达到2700:1。

在一些不同的示例中，保护窗口3的横向尺寸A的数值，与主反射镜1的横向尺寸（与直径B对应）的数值可以是相等的或基本相当的。基本相当是指横向尺寸A的数值可以略大于（或略小于）主反射镜1的直径B。如在A的数值大于或略大于B的数值的示例中，保护窗口3的面积足够大，可以覆盖主反射镜1。并且，保护窗口3可以是开设了安装孔的圆形板（则A对应其直径）或正方形板（则A对应其边长）或其他任意形状。

此外，主反射镜1反射到次反射镜2的太阳光的另一部分，可以透过次反射镜2后汇聚到第一侧的另一焦点处，在该焦点处安装另一个太阳能聚光组件4的聚光棱镜5及太阳能电池6或者光吸收体等元件，将这部分阳光能量也转变为电能或者热能进行利用。

为了保证本实用新型的太阳能电池6能够在高聚光比条件下工作，本实用新型可以采取强制冷却的手段。下文及图示以安装在第二侧汇聚光斑处的太阳能电池6进行冷却为例来阐述，对光吸收体的冷却结构类似；如有必要，也可以为第一侧焦点处的太阳能聚光组件4配备类似的冷却结构。

如图2所示的太阳能聚光组件4中，太阳能电池6位于聚光棱镜5下方，接收汇聚的太阳光能以转换为电能；该太阳能电池6的底部衬底7与热沉8相连接，将热量传递给热沉8。根据具体使用要求和周边环境，热沉8可以用冷却介质进行强制冷却，也可以让热沉8与周围空气交换热量，以保证太阳能电池6的温度不要很高，维持电池的工作效率。本实用新型所述的热沉体积相对较小，一般在几十毫米数量级。

一个使用冷却介质的具体示例中，热沉8通过管道接口10安装到冷却介质管道11上，使得管道11中流过的冷却介质9可以直接或间接接触到热沉8，将热沉8的热量传递给冷却介质。冷却介质所带走的热量可加以利用，如用于加热水和取暖。此时，还可以将热沉8周围用隔热材料包围起来，防止热量的不必要损失。如果不需要热量的收集，则可以通过散热方式，将热沉8的热量直接散布到周围的介质中去。

如图3所示，本实用新型的系统中，将多个上述结构的组元排成一个阵列固定在一个结构框架上，将这样的阵列称作一个单元12；再将若干个单元12安装在一个二维转动跟踪支架13上，在太阳运行时通过二维转动跟踪支架13的转动，保持这些若干单元与太阳对准。即，带有太阳跟踪系统的若干单元构成了一个系统。各个组元的太阳能电池之间，可以根据需要进行串联和/或并联，以组成适当的电压电流输出。

并且，通过热沉的冷却介质也可以根据需要进行串联和/或并联的组合；例如，一些组元的热沉依次布置在同一个冷却介质管道上，实现其中冷却介质的串联。

上述各实施例所示的多个系统可以组合起来工作，既可以作为分布式的热电联产系统，也可以构成并网的太阳能热电联产系统。本实用新型的高聚光光伏发电热电联产系统的阳光能量相对分散，同时聚光比更高，并且在高聚光比条件下可以以合适的温度工作，以维持其工作效率。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高聚光光伏发电热电联产系统的组元结构，其特征在于，任意一个组元中，包含：主反射镜（1），次反射镜（2），保护窗口（3），太阳能聚光组件（4）；

太阳光从所述保护窗口（3）的第一侧穿透该保护窗口（3），并射向位于保护窗口（3）第二侧的主反射镜（1）；

所述主反射镜（1）将太阳光汇聚，并反射到设置在保护窗口（3）上的次反射镜（2）；

所述次反射镜（2）将太阳光汇聚，并反射到设置在主反射镜（1）上的太阳能聚光组件（4），将太阳光能转换为电能或热能。

2.如权利要求1所述的组元结构，其特征在于，

所述主反射镜（1）反射到次反射镜（2）的太阳光中的一部分，经过次反射镜（2）汇聚并反射到主反射镜（1）上形成光斑；在主反射镜（1）的光斑位置设有开孔，将太阳能聚光组件（4）安装在开孔处。

3.如权利要求2所述的组元结构，其特征在于，

所述太阳能聚光组件（4）中，通过聚光棱镜（5）或低倍聚光组件将汇聚到光斑处的太阳光能，汇聚到太阳能电池（6）或光吸收体处来转换为电能或热能。

4.如权利要求2所述的组元结构，其特征在于，

所述主反射镜（1）反射到次反射镜（2）的太阳光中的另一部分，透过次反射镜（2）汇聚到位于第一侧的焦点处；

在该焦点处设置有另一个太阳能聚光组件（4），通过其中设置的聚光棱镜（5）或低倍聚光组件将汇聚到焦点处的太阳光能，汇聚到这个太阳能聚光组件（4）的太阳能电池（6）或光吸收体处来转换为电能或热能。

5.如权利要求1或2或4所述的组元结构，其特征在于，

所述太阳能聚光组件（4）中的太阳能电池（6）或光吸收体与热沉（8）相连接，将热量传递给热沉（8），并通过热沉（8）将热量散布到冷却介质或散布到周围的空气中。

6.如权利要求5所述的组元结构，其特征在于，

所述热沉（8）通过管道接口（10）安装到冷却介质管道（11）上，将热量传递给冷却介质管道（11）中流过的冷却介质（9）。

7.如权利要求1所述的组元结构，其特征在于，

所述主反射镜（1）是一凹面镜，次反射镜（2）是另一凹面镜，保护窗口（3）是一透光板；

所述保护保护窗口（3）的第一侧对应了次反射镜（2）的凹面，第二侧对应了次反射镜（2）的凸面及主反射镜（1）的凹面。

8.如权利要求1所述的组元结构，其特征在于，

所述组元的横向尺寸为300mm~500mm；所述横向尺寸与主反射镜（1）的直径相对应。

9.如权利要求2所述的组元结构，其特征在于，

所述主反射镜（1）的直径B为300mm，次反射镜（2）的直径C为60mm，光斑的直径小于5mm，聚光比达到2700:1。

10.一种高聚光光伏发电热电联产系统，其特征在于，

包含多个单元（12），这些单元（12）安装在一个二维转动跟踪支架（13）上，随所述二维转动跟踪支架（13）转动来保持与太阳对准；

每个单元（12）包含多个如权利要求1~9中任意一项所述的组元，这些组元排列成一个阵列并固定在该单元（12）的结构框架上。