CN205005012U - 一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，包括N个聚光分光模块，每个聚光分光模块包括聚光机构、分光机构和光伏发电装置，其中，分光机构位于聚光机构与光伏发电装置之间，聚光机构的受光面与分光机构的受光面相对设置，在分光机构的受光面设有分光膜，在聚光机构上设有透光孔；聚光机构用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构上；分光机构用于接收聚光机构汇聚的太阳光并通过分光膜进行分光，经分光机构的透射光照射到光伏发电装置上用于光伏发电；经分光机构的反射光穿过聚光机构的透光孔。本实用新型中，通过光学聚光和分光方式进行光伏发电并满足了植物照明的基本需求，实现太阳能高效综合利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能综合利用技术领域，尤其涉及一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统。
背景技术
目前我国的设施农业栽培总面积已经达到了世界第一，温室大棚的出现使得人们几乎可以在一年四季中都能够吃到新鲜的蔬菜和瓜果，极大地方便了人们的饮食生活。近年来在各地农机等部门积极的积极推广下，我国设施农业取得了快速发展，社会经济效益显著。另一方面，光伏产业具有可再生、充足、安全、清洁等特点，各国相继投入大量资金，出台了各种政策进行支持，目前光伏太阳能产业正处于发展的快车道，表现在产量的不断提升，单位价格的不断下降。据统计，2011年全球太阳能电池的产能已经达到37.2GW，其中中国的产量已经超过世界总产量的一半。在这一背景下，各种太阳能辅助温室大棚应运而生，特别是随着LED照明的发展。随着LED光电转换效率的提升和价格的下降，LED和光伏发电进行了有机的结合，太阳能电池输出直流电，而LED需要直流驱动，光伏输出的直流电无需经过逆变，直接供给LED，不会产生逆变过程中的能量损失。
目前的太阳能辅助照明温室大棚存在着太阳能量的综合利用效率低等问题，主要表现在：太阳能电池的取向是固定的，不同时间区段的受光面积变化非常大，固定的太阳能取向不能满足各个区段的受光方向，带来综合接受能量低的问题；太阳能的光谱利用不科学，大棚上的光伏板专用采光，所有波段都用来发电，光伏板下的大棚内则无法照到光照，导致在大棚上所能安装的光伏板的数量受到限制。
因此，开发出一种既可以兼顾大棚内植物生长、又可以达到太阳能回收利用的综合系统已经成为急需解决的技术问题。中国专利CN103997285A公开了一种用于种植大棚的太阳能综合利用系统，解决了太阳能量综合利用效率低的问题。但上述系统的光谱分光装置是在没有聚焦的情况下进行分光处理，所需的光谱分光机构面积较大，可能会带来较大的成本压力。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，通过光学聚光和分光方式进行光伏发电并满足了植物照明的基本需求，实现太阳能高效综合利用。
本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，包括N个聚光分光模块，每个聚光分光模块包括聚光机构、分光机构和光伏发电装置，其中，分光机构位于聚光机构和光伏发电装置之间，聚光机构的受光面与分光机构的受光面相对设置，在分光机构的受光面设有分光膜，在聚光机构上设有透光孔；聚光机构用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构上，分光机构用于接收聚光机构汇聚的太阳光并通过分光膜进行分光；经分光机构的透射光照射到光伏发电装置上用于光伏发电，经分光机构的反射光穿过聚光机构的透光孔。
优选地，聚光机构的受光面为蝶形曲面，分光机构的受光面为蝶形曲面结构；优选地，聚光机构和分光机构的中心轴线处于同一条直线上；优选地，透光孔与聚光机构同轴设置；优选地，光伏发电装置与聚光机构和分光机构的中心轴线处于同一条直线上；优选地，经分光机构的最大角度范围内的透射光落到光伏发电装置上。
优选地，聚光分光模块还包括散光板，散光板安装在聚光机构的透光孔处，散光板用于接收经分光机构的反射光并将反射光均匀地散射出去。
优选地，聚光机构采用钢化超白玻璃或者化学钢化玻璃，受光面进行镀层处理；优选地，聚光机构的聚光倍率采用X-X。
优选地，分光机构包括分光镜，分光膜覆盖在分光镜表面；优选地，分光镜采用硬质透明材料制成；优选地，分光膜采用光子晶体膜、多层介质膜或多层有机聚合物膜；优选地，分光膜通过粘贴或者真空镀膜方式覆盖在分光镜表面。
优选地，分光膜用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光，优选地，根据植物生长所需吸收光谱进行设计分光膜的反射特性，反射特性包括反射光谱、反射光强、反射带宽；优选地，分光膜反射预定波长范围的光包括蓝光和红光；优选地，蓝光包括波长为+/-纳米的蓝光，红光包括波长为+/-纳米的红光。
优选地，光伏发电装置采用单晶背栅电极光伏芯片或多结宽谱太阳能电池；优选地，宽谱太阳能电池采用III-V族材料制成，优选地，采用InGaP/GaAs/Ge材料制成。
优选地，N个聚光分光模块按X×Y的阵列方式排列，其中，X×Y＝N；优选地，还包括跟踪模块，跟踪模块与N个聚光分光模块的聚光机构连接，跟踪模块用于根据太阳光的入射角度调整聚光机构的位置。
优选地，跟踪模块包括第一跟踪模块，第一跟踪模块包括N个万向支撑轴、N个第一调节杆、第一驱动机构、第一驱动杆和X个第一传动杆，N个聚光机构分别固定在N个万向支撑轴上，N个第一调节杆分别与N个聚光机构连接，处于阵列中同一行的Y个聚光机构所连接的Y个第一调节杆均与同一个第一传动杆连接，X个第一传动杆均与第一驱动杆连接，第一驱动杆与第一驱动机构连接；优选地，第一驱动机构采用双轴跟踪电机。
优选地，跟踪模块还包括第二跟踪模块，第二跟踪模块包括N个第二调节杆、第二驱动机构、第二驱动杆和Y个第二传动杆；N个第二调节杆分别与N个聚光机构连接，连接在任意一个聚光机构上的第一调节杆和第二调节杆具有预定夹角；处于阵列中同一列的X个聚光机构所连接的X个第二调节杆均与同一个第二传动杆连接，Y个第二传动杆均与第二驱动杆连接，第二驱动杆与第二驱动机构连接；优选地，第二驱动机构采用双轴跟踪电机。
在本实用新型中，聚光分光模块均包括聚光机构、分光机构、光伏发电装置，分光机构位于聚光机构与光伏发电装置之间，聚光机构的受光面与分光机构的受光面相对设置，在分光机构的受光面设有分光膜，在聚光机构上设有透光孔；聚光机构用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构上；分光机构用于接收聚光机构汇聚的太阳光并通过分光膜进行分光，具体地分光膜反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；经分光机构的透射光照射到光伏发电装置上用于光伏发电，经分光机构的反射光穿过聚光机构的透光孔照射在植物上用于植物生长。
本实用新型中，聚光机构位于最下方，光伏发电装置位于最上方，分光机构位于聚光机构和光伏发电装置之间，通过聚光机构对太阳光进行汇聚，然后通过分光机构对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经分光机构透射到光伏发电装置上进行光伏发电，另一部分太阳光经分光机构反射到透光孔处并照射在植物上用于植物生长，不仅可以进行光伏发电还可以满足植物照明的基本需求，实现了太阳能高效综合利用。
在太阳能综合利用过程中，通过先聚光再分光可以大大降低分光膜的面积，实现了成本的大幅度降低；聚光以后再分光可以采用成本较高但结构更为复杂的多层膜设计，使得分光后的两部分光更加适合光伏发电与植物生长。
本实用新型中，聚光机构和分光机构采用蝶形曲面结构，保证了聚光机构汇聚的太阳光均能落到分光机构上，同时也保证了经分光机构的反射光均能汇聚到透光孔处并照射到植物上。
附图说明
图1为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统光学原理图；
图2为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统的俯视图；
图3为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统的安装结构正面示意图；
图4为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统的安装结构侧面示意图；
图5为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统的安装结构俯视图；
图6为本实用新型提出的一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统的具体实施例结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6，本实用新型提出一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，包括N个聚光分光模块，N为整数，聚光分光模块包括聚光机构1、分光机构2和光伏发电装置3，其中，分光机构2位于聚光机构1、光伏发电装置3之间，聚光机构1的受光面与分光机构2的受光面相对设置，在分光机构2的受光面设有分光膜，在聚光机构1上设有透光孔K；聚光机构1用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构2上；分光机构2用于接收聚光机构1汇聚的太阳光然后并通过分光膜进行分光，具体地分光膜反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光；经分光机构2的透射光照射到光伏电池装置上用于光伏发电，经分光机构2的反射光穿过聚光机构2的透光孔K照射在植物上用于植物生长。
在本实用新型实施例中，通过聚光机构1对太阳光进行聚光，通过分光机构2对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经过分光机构2透射到光伏发电装置3进行光伏发电，另一部分太阳光经过分光机构2反射到透光孔K并穿过透光孔K照射在植物上用于植物生长，不仅可以光伏发电还可以满足植物照明的基本需求，实现了太阳能高效综合利用；在太阳光综合利用过程中，通过先聚光再分光，可以大大降低分光膜的面积，实现了成本的大幅度降低；同时聚光以后再分光可以采用成本较高但结构更为复杂的多层膜设计，使得分光后的两部分光更加适合光伏发电与植物生长。
如图1所示，在本发明实施例中，在实际安装过程中，可以通过连杆将分光机构2和光伏发电装置3安装在聚光机构1上，以使得聚光机构1、分光机构2和光伏发电装置3组成一个聚光分光模块进行聚光和分光工作。
如图1所示，在本实用新型实施例中，为了更有效的利用太阳能，聚光机构1的受光面为蝶形曲面，分光机构2的受光面为蝶形曲面结构，并且聚光机构1、分光机构2、光伏发电装置3的中心轴线处于同一条直线上，透光孔K与聚光机构1同轴设置，可以设置透光孔K为设在聚光机构1中心轴线上的圆形孔。
通过控制光伏发电装置3的相对位置和尺寸大小，经分光机构2的最大角度范围内的透射光落到光伏发电装置3上，从而保证最大范围地利用分光机构2的透射光进行光伏发电。
为了保证汇聚在透光孔K处的反射光能均匀的照射在植物上，在透光孔K处安装有散光板4，散光板4用于接收经分光机构2的反射光并将反射光均匀地散射出去，从而更大范围地照射到植物上用于植物生长。
在本实用新型实施例中，聚光机构1采用钢化超白玻璃或者化学钢化玻璃，受光面进行镀银处理。聚光机构1的聚光倍率采用10X-100X。
在本实施例中，分光机构2包括分光镜，分光膜覆盖在分光镜表面，分光镜采用硬质透明材料制成，例如硬质透明塑料、玻璃等，分光膜采用光子晶体膜、多层介质膜或多层有机聚合物膜，分光膜通过粘贴或者真空镀膜方式覆盖在分光镜表面。
在实际应用中，根据不同植物生长所需吸收光谱来设计分光膜的反射特性，反射特性包括反射光谱、反射光强、反射带宽，分光膜反射预定波长范围的光包括蓝光和红光等其他有利于植物生长的光，例如，波长为430+/-20纳米的蓝光和波长为650+/-20纳米的红光。
光伏发电装置3采用单晶背栅电极光伏芯片或多结宽谱太阳能电池。宽谱太阳能电池采用InGaP/GaAs/Ge等III-V族材料。根据聚光机构1的聚光倍率选用光伏发电装置3的散热方式，散热方式包括被动散热方式、水冷或风冷灯主动散热方式。
如图3、图4、图5、图6所示，本实施例中，N个聚光分光模块按X×Y的阵列方式排列，其中，X×Y＝N。
在上述实施例中，聚光分光模块的聚光机构1进行聚光时，其聚光的焦面会随着太阳光的入射角度不同而产生变化，这会使得聚光焦面无法落在或者不能以更佳的角度落在分光机构2上，进而影响分光机构2的反射和透射，从而无法利用或者不能更好地利用太阳光。
因此，在上述实施例的基础上，本实用新型的太阳能综合利用系统还包括跟踪模块，跟踪模块与N个聚光分光模块的聚光机构1连接，跟踪模块用于根据太阳光的入射角度调整聚光机构1的位置，以实现聚光机构1时刻跟踪太阳；通过聚光机构1时刻跟踪太阳，在不同的时刻，聚光机构1可以按太阳轨迹沿东西和南北方向自动跟踪，聚光机构1均能够以最佳的角度将太阳光汇聚在分光机构2上，从而使得分光机构2的反射光全部反射在散光板4上，实现了对太阳能的最大有效利用。
如图3、图4、图5、图6所示，本实施例中，跟踪模块包括第一跟踪模块和第二跟踪模块，第一跟踪模块包括N个万向支撑轴11、N个第一调节杆12、第一驱动机构5、第一驱动杆6和X个第一传动杆7，N个聚光机构1分别固定在N个万向支撑轴11上，N个第一调节杆12分别与N个聚光机构1连接，处于阵列中同一行的Y个聚光机构1所连接的Y个第一调节杆12均与同一个第一传动杆7连接，X个第一传动杆7均与第一驱动杆6连接，第一驱动杆6与第一驱动机构5连接。第二跟踪模块包括N个第二调节杆13、第二驱动机构8、第二驱动杆9、和Y个第二传动杆10；连接在任意一个聚光机构1上的第一调节杆12与该聚光机构1的连接点和连接在该聚光机构1上的第二调节杆13与该聚光机构1的连接点具有预定夹角；N个第二调节杆13分别与N个聚光机构1连接，处于阵列中同一列的X个聚光机构1所连接的X个第二调节杆13均与同一个第二传动杆10连接，Y个第二传动杆10均与第二驱动杆9连接，第二驱动杆9与第二驱动机构8连接。
在具体应用中，第一驱动机构5、第二驱动机构8均采用双轴跟踪电机。
第一驱动机构5驱动第一驱动杆6带动阵列中X行上第一传动杆7转动，第一传动杆7带动X行上的Y个聚光机构1转动从而调节X行上的Y个聚光机构1在东西方向上的角度；第二驱动机构8驱动第二驱动杆9带动阵列中Y列上第二传动杆10转动，第二传动杆10带动Y列上的X个聚光机构1转动从而调节Y列上的X个聚光机构1在南北方向上的角度；通过跟踪模块根据太阳光的入射角度调整聚光机构1的位置，实现聚光机构1时刻跟踪太阳，达到充分利用太阳能的效果。
本实用新型提出的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，通过聚光机构1对太阳光进行汇聚，然后通过分光机构2对汇聚的太阳光进行分光，其中一部分太阳光经分光机构2透射到光伏发电装置3上进行光伏发电，另一部分太阳光经分光机构2反射到透光孔处并照射在植物上用于植物生长，不仅可以光伏发电还可以满足植物照明的基本需求，实现了太阳能高效综合利用。
通过先聚光再分光，分光膜的面积大大降低，实现成本的大幅度降低；同时聚光以后再分光，可以采用结构更为复杂的多层膜设计，使得分光后的两部分光更加适合光伏发电与植物生长。
通过设置跟踪模块实现了聚光机构1时刻跟踪太阳，在不同的时刻聚光机构1可以按太阳轨迹进行东西和南北方向自动跟踪，聚光机构1均能够以最佳的角度将太阳光汇聚在分光机构2上，从而使得分光机构2的反射光全部反射在散光板4上，实现了对太阳能的最大有效利用。
本实用新型分光机构2采用蝶形曲面结构，保证了聚光机构1汇聚的太阳光均能落到分光机构2上，同时也保证了经分光机构2的反射光均能汇聚到透光孔K处并照射到植物上。
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揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (24)
1.一种分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，包括N个聚光分光模块，每个聚光分光模块包括聚光机构(1)、分光机构(2)和光伏发电装置(3)，其中，分光机构(2)位于聚光机构(1)和光伏发电装置(3)之间，聚光机构(1)的受光面与分光机构(2)的受光面相对设置，在分光机构(2)的受光面设有分光膜，在聚光机构(1)上设有透光孔(K)；聚光机构(1)用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构(2)上，分光机构(2)用于接收聚光机构(1)汇聚的太阳光并通过分光膜进行分光；经分光机构(2)的透射光照射到光伏发电装置(3)上用于光伏发电，经分光机构(2)的反射光穿过聚光机构(1)的透光孔(K)。
2.根据权利要求1所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，聚光机构(1)的受光面为蝶形曲面，分光机构(2)的受光面为蝶形曲面结构。
3.根据权利要求2所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，聚光机构(1)和分光机构(2)的中心轴线处于同一条直线上。
4.根据权利要求2所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，透光孔(K)与聚光机构(1)同轴设置。
5.根据权利要求2所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，光伏发电装置(3)与聚光机构(1)和分光机构(2)的中心轴线处于同一条直线上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，聚光分光模块还包括散光板(4)，散光板(4)安装在聚光机构(1)的透光孔(K)处，散光板(4)用于接收经分光机构(2)的反射光并将反射光均匀地散射出去。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，聚光机构(1)采用钢化超白玻璃或者化学钢化玻璃，受光面进行镀层处理。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光机构(2)包括分光镜，分光膜覆盖在分光镜表面。
9.根据权利要求8所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光镜采用硬质透明材料制成。
10.根据权利要求8所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光膜采用光子晶体膜、多层介质膜或多层有机聚合物膜。
11.根据权利要求8所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光膜通过粘贴或者真空镀膜方式覆盖在分光镜表面。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光膜用于反射预定波长范围的光并透射其余波长范围的光。
13.根据权利要求12所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，根据植物生长所需吸收光谱进行设计分光膜的反射特性，反射特性包括反射光谱、反射光强、反射带宽。
14.根据权利要求13所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，分光膜反射预定波长范围的光包括蓝光和红光。
15.根据权利要求14所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，蓝光包括波长为430+/-20纳米的蓝光，红光包括波长为650+/-20纳米的红光。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，光伏发电装置(3)采用单晶背栅电极光伏芯片或多结宽谱太阳能电池。
17.根据权利要求16所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，宽谱太阳能电池采用III-V族材料制成。
18.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，采用InGaP/GaAs/Ge材料制成。
19.根据权利要求1-5中任一项所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，N个聚光分光模块按X×Y的阵列方式排列，其中，X×Y＝N。
20.根据权利要求19所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，还包括跟踪模块，跟踪模块与N个聚光分光模块的聚光机构(1)连接，跟踪模块用于根据太阳光的入射角度调整聚光机构(1)的位置。
21.根据权利要求20所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，跟踪模块包括第一跟踪模块，第一跟踪模块包括N个万向支撑轴(11)、N个第一调节杆(12)、第一驱动机构(5)、第一驱动杆(6)和X个第一传动杆(7)，N个聚光机构(1)分别固定在N个万向支撑轴(11)上，N个第一调节杆(12)分别与N个聚光机构(1)连接，处于阵列中同一行的Y个聚光机构(1)所连接的Y个第一调节杆(12)均与同一个第一传动杆(7)连接，X个第一传动杆(7)均与第一驱动杆(6)连接，第一驱动杆(6)与第一驱动机构(5)连接。
22.根据权利要求21所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，第一驱动机构(5)采用双轴跟踪电机。
23.根据权利要求20所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，跟踪模块还包括第二跟踪模块，第二跟踪模块包括N个第二调节杆(13)、第二驱动机构(8)、第二驱动杆(9)和Y个第二传动杆(10)；N个第二调节杆(13)分别与N个聚光机构(1)连接，连接在任意一个聚光机构(1)上的第一调节杆(12)和第二调节杆(13)具有预定夹角；处于阵列中同一列的X个聚光机构(1)所连接的X个第二调节杆(13)均与同一个第二传动杆(10)连接，Y个第二传动杆(10)均与第二驱动杆(9)连接，第二驱动杆(9)与第二驱动机构(8)连接。
24.根据权利要求23所述的分布式聚光分光的太阳能综合利用系统，其特征在于，第二驱动机构(8)采用双轴跟踪电机。
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2015
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |