CN207399140U - 一种反射型槽式聚光热电联供系统 - Google Patents

Abstract

一种反射型槽式聚光热电联供系统，包括多组聚光器单元和水冷却回收系统；所述每组聚光器单元包括：支架系统、双驱动系统、反射镜组和电池组件串；所述支架系统包括：反射镜支架和电池支架，所述反射镜组固定安装在反射镜支架上，所述电池组件串安装在电池支架上，确保固定于反射镜组的焦点附近，并且反射镜组、反射镜支架、电池支架、电池组件串相互固定连接集成为一体结构；实现热、电联供，完成系统技术集成；应用IBC电池到槽式聚光系统中，提高发电效率；聚光倍数达到10，循环水起到很好的降温效果。

Description

一种反射型槽式聚光热电联供系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能发电技术领域，尤其是一种反射型槽式聚光热电联供系统。

背景技术

太阳能是重要的可再生能源，其高效利用己成为重要的研究课题，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，釆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和集热效率；光伏转换时则可减少光伏电池用量，降低成本。而且聚光电池具有比常规光伏电池更高的光电转换效率，因此，太阳能的聚光利用具有良好的前景；

热电联供系统结合了光伏和光热两大领域的核心优势，研制出一种光能利用最大化的反射型槽式聚光热电联供系统，反射型槽式聚光热电联供系统是一种高效模块化的新型太阳能利用技术，系统采用太阳轨迹跟踪系统控制槽式反射镜实时将太阳光汇聚到高效聚光光伏组件上，聚光光伏组件吸收太阳光后输出电力，发电的同时产生的热量可通过采用水冷散热技术为组件降温，在降低电池工作温度的同时回收利用电池产生的热量，满足人们的日常生活用水，同时，采用现场监控单元和远程监控系统对系统的运行数据进行实时采集、分析和存储等。这种热电联供系统可以将太阳能的综合利用效率最大化，对研制低成本、高性能的新型聚光器在聚光光伏应用中具有重要意义。利用太阳能高效低成本发电是当前重要的研究课题，而聚光可以提高太阳辐射密度及减少昂贵的光伏电池的使用，降低系统成本。未来10到20年内，新能源与传统化石能源在大多数场合是共生共荣、联合协作的关系。反射型槽式聚光与光伏集成下的热电联供研究项目，由于具备可追日、可调配、高转化效率等综合优势，将在屋顶分布式能源、高效光伏电站、边远油田生产井节电节能、天然气与太阳能联合循环发电等领域得到广泛的应用。特别是在国内现有光照资源I、II类地区，预计能够创造出一个过百亿元的新兴市场。

但现有技术中采用的太阳跟踪装置效果设计不佳，容易产生余弦阴影效应，降低发电的同时，造成光伏电池变为电阻负载的不足。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种反射型槽式聚光热电联供系统，该系统通过方位角和高度角同时控制的二维跟踪系统，更好的解决了传统反射型热电联供系统因阴影效应产生的技术缺陷，发电、发热效果更优化，设计简单，维护方便。

为实现上述目的，本实用新型提供一种反射型槽式聚光热电联供系统，包括多组聚光器单元和水冷却回收系统；

所述每组聚光器单元包括：支架系统、双驱动系统、反射镜组和电池组件串；

作为一种举例说明，所述反射镜组为聚光器的一种；

作为一种举例说明，所述电池组件串为IBC光伏组件结构；

进一步的，所述支架系统包括：反射镜支架和电池支架，所述反射镜组固定安装在反射镜支架上，所述电池组件串安装在电池支架上，确保固定于反射镜组的焦点附近，并且反射镜组、反射镜支架、电池支架、电池组件串相互固定连接集成为一体结构；

进一步的，所述一体结构由双驱动系统带动运行；

进一步的，所述双驱动系统包括：一个是负责俯仰角转动的仰角驱动装置，另一个负责整个一体结构的方位角转动驱动装置，自动追踪系统以及电控系统；

所述自动追踪系统的设计思路如下：

第一、热电联供系统主要是通过自动追踪系统对太阳实时追踪，实时地保持着聚光器的主光轴与太阳光的入射光线平行；

传统的槽式系统的跟踪方式属于一维跟踪，抛物面一般依其焦线按正南北方向摆放，聚光镜只收集直射光线，必须利用跟踪装置和相应的控制系统来调节反射镜的俯仰角，这就很容易形成余弦阴影效应，降低光伏板的发电与发热效果；

第二、本实用新型自动追踪系统的研制做了明显的改进，使俯仰角和方位角都能达到跟踪要求，与传统的一维跟踪方式相比较，二维跟踪可以完全消除余弦效应带来的阴影影响，因为一维跟踪的情况下，太阳是斜直射到反射镜上的，不可避免的产生阴影弊端，早晚时的阴影面积最大，中午时候的阴影面积最小，而这种阴影所造成的影响不是简简单单的减少了几片光伏板的发电量，光伏板在阴影下相当于负载，它不仅没有产生电能，而且还消耗其它光伏板产生的电，发电效率大打折扣，所以二维跟踪从本质上消除了这种负面影响；

第三、跟踪程序的设定：

①聚光器采用二维跟踪系统实时追踪太阳运行轨迹，跟踪系统使聚光器能始终保持与太阳光垂直，就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能；理论分析表明，太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7％，精确的跟踪太阳更是可以大大提高聚光器的太阳能接收率，进而提高系统的整体效率，所以选择一个跟踪精准的轨迹算法和高精度的设备对聚光组件的发电和集热效果起着至关重要的作用；

②现有技术中，实现全自动追踪太阳有两种方式，即光电方式和机械方式；前者因受天气条件影响，存在着相当的局限性，也就是说，难以达到全天候使用。后者又可分为赤道仪式和方位仰角式，赤道仪式是在按当地的纬度倾斜安装后，沿赤道面的旋转速度只要能保持1周/24小时即可，不过准确地达到1周/24小时决非易事，即使做到了，太阳赤纬的调节仍需手工操作，所以实际上仍达不到全自动的要求；同时赤道式的支撑结构对于大型重载装置较难实现，不适合槽式跟踪的技术特性；

我方实用新型采用所谓方位仰角式系，将任意一天任何时刻的太阳位置即其方位和仰角按程序计算出来，再进一步算出当地经纬度的太阳角度，是最准确的全自动追踪方式；基于波兰女科学家Jean Meeus所著的“Astronomical Formulae for Calculators”一书中的计算方法，在早晨高度角很低时还采用了大气折射计算公式对高度角进行订正，是目前文献中所载精度最高的太阳位置计算方法，其理论计算精度可以达到0.052mrad；

③本系统采用了该算法加上倾角传感器组成的一个闭环反馈系统，进行精确的跟踪控制，系统由倾角传感器对聚光器的角度进行实时检测，倾角传感器对运行位置具有停电记忆功能，可以实时反映装置的运动位置；系统启动后，系统在运行中将计算得出的理论值和传感器采集得到的实际角度值进行比较，保证跟踪驱动系统的偏差控制在±0.1度以内，根据得到的差值正负来判断聚光器的运行方向；

④高度角-方位角跟踪方式中，硬件结构运动对应的是太阳高度角和方位角的变化，采用的是地平坐标系，定日镜的其中一个轴线垂直于地面，成为方位轴，另外一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。在跟踪太阳的过程中，定日镜根据太阳高度角的变化绕俯仰轴运动，以此改变定日镜的倾斜角；根据太阳方位角的变化绕方位轴变化，跟踪太阳的方位角，这样就可以在理论上达到定日镜法线始终与太阳光线平行的目的，这种设计跟踪精度高，而且定日镜的重量中心通过垂直轴所在的平面，硬件设计简单，投资较少；

作为一种举例说明，程序中不仅考虑跟踪算法实现、传感器数据采集和设备状态监控等，还要考虑各种应急情况的危险规避，比如大风大雨、温度、流量和压力异常等；

所述电控系统设计如下：

第一、各执行机构的稳定有序运行离不开电控系统的有效的数据上传和指令下达；

第二、所述电控系统核心部件是可编程逻辑控制器PLC，它是自动跟踪控制系统的大脑，它集聚光器的驱动、水冷设备的运行、传感器的采集以及上传数据功能于一体，根据算法程序对每个部件进行监控，使系统平稳运行，并可以通过控制柜上的触摸屏HMI监视设备的采集数据，以及对设备的运行操控。系统中的实时状态信号、报警及故障信号等均可在触摸屏上显示。

作为一种举例说明，所述实时状态信号包括：当前日期和时间、光照强度、环境温度、风速、聚光器实际位置、各聚光组件温度、流量信号等；

作为一种举例说明，所述PLC采用的是德国倍福Beckhoff，具备常温模块和宽温模块，

作为一种举例说明，所述传感采用倾角传感器；所述倾角传感器采用的德国GEMAC，分辨率为0.01，精度为0.04°，工作温度-40～80℃，IP65。

进一步的，所述水冷却回收系统包括：换热器、补燃系统、热水源罐和用户冷水源罐，所述补燃系统的一端与所述换热器的一端连接，所述补燃系统的另一端与热水源罐的一端连接，所述热水源罐的另一端通向用户端；所述换热器的另一端用来接收冷却电池组件串的循环热水，将余热回收，所述换热器的第三端与用户冷水源罐连接；

作为一种举例说明，聚光器将太阳光聚焦到光伏组件上，在光伏组件里，太阳能一部分转化为电能，通过逆变器可以为居民提供生活用电，另一部分转化成热能，循环水泵将水箱里的冷水通过水管源源不断的输入到聚光光伏组件里，冷水吸收光伏组件的热量对光伏组件进行了散热，同时形成热水输出到换热器中，将居民用水进行加热，为解决太阳能的间歇性和不稳定性，在系统中可配置蓄热装置或者辅助常规燃料锅炉，再将热水储存到热水箱中，聚光型太阳能热电联供系统的这种应用还是比较广泛的，当然，也可以集中起来运作可以将发出来的电能并入电网，将太阳能的综合利用效率最大化。

作为一种举例说明，反射型槽式聚光热电联供系统会在集中监控系统的统一控制下运行，方便操作人员的监视和运行维护，可以对数据进行分析打印等，同时，也能够通过系统对指定的聚光器下达操作指令；

为了更好的说明本实用新型的设计原理，现简要介绍其技术设计思路如下：

首先，利用槽式光热反射镜的聚焦特性，与聚光光伏组件形成模块化的技术集成，将太阳光反射并聚焦至光伏组件上，形成光源汇集的倍增，提高光伏组件发电效率；

其次，同时采取水冷却的方式，将降温的余热回收并通过管路输出，实现较好的热电联供系统效果。

最后，反射型槽式聚光热电联供系统是涉及光学、热工、电控、结构、电池等为一体的综合项目，从设计的本身看，目前国内外还没有实际的案例，此系统预计实现热电联供太阳能峰值总效率75％～80％，其中，发电效率15％～20％，50-100摄氏度热水输出效率达60％；

有益效果：

①实现热、电联供，完成系统技术集成；

②应用IBC电池到槽式聚光系统中，提高发电效率。

③聚光倍数达到10，循环水起到很好的降温效果；

附图说明

图1为本实用新型一种反射型槽式聚光热电联供系统之原理结构示意图

图2为本实用新型一种反射型槽式聚光热电联供系统之电控系统优选连接举例图

图3为本实用新型一种反射型槽式聚光热电联供系统之电控系统布线优选原理图

图4为本实用新型一种反射型槽式聚光热电联供系统之电控系统程序操作界面举例截图

具体实施方式

下面，参考附图1至图4所示，一种反射型槽式聚光热电联供系统，包括多组聚光器单元101和水冷却回收系统102；

所述每组聚光器单元包括101：支架系统103、双驱动系统104、反射镜组105和电池组件串106；

作为一种举例说明，所述反射镜组105为聚光器的一种；

作为一种举例说明，所述电池组件串106为IBC光伏组件结构；

进一步的，所述支架系统103包括：反射镜支架和电池支架，所述反射镜组固定安装在反射镜支架上，所述电池组件串安装在电池支架上，确保固定于反射镜组的焦点附近，并且反射镜组、反射镜支架、电池支架、电池组件串相互固定连接集成为一体结构；

进一步的，所述一体结构由双驱动系统104带动运行；

进一步的，所述双驱动系统104包括：一个是负责俯仰角转动的仰角驱动装置，另一个负责整个一体结构的方位角转动驱动装置，自动追踪系统以及电控系统；

所述自动追踪系统的设计思路如下：

第一、热电联供系统主要是通过自动追踪系统对太阳实时追踪，实时地保持着聚光器的主光轴与太阳光的入射光线平行；

传统的槽式系统的跟踪方式属于一维跟踪，抛物面一般依其焦线按正南北方向摆放，聚光镜只收集直射光线，必须利用跟踪装置和相应的控制系统来调节反射镜的俯仰角，这就很容易形成余弦阴影效应，降低光伏板的发电与发热效果；

第二、本实用新型自动追踪系统的研制做了明显的改进，使俯仰角和方位角都能达到跟踪要求，与传统的一维跟踪方式相比较，二维跟踪可以完全消除余弦效应带来的阴影影响，因为一维跟踪的情况下，太阳是斜直射到反射镜上的，不可避免的产生阴影弊端，早晚时的阴影面积最大，中午时候的阴影面积最小，而这种阴影所造成的影响不是简简单单的减少了几片光伏板的发电量，光伏板在阴影下相当于负载，它不仅没有产生电能，而且还消耗其它光伏板产生的电，发电效率大打折扣，所以二维跟踪从本质上消除了这种负面影响；

第三、跟踪程序的设定：

①聚光器采用二维跟踪系统实时追踪太阳运行轨迹，跟踪系统使聚光器能始终保持与太阳光垂直，就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能；理论分析表明，太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7％，精确的跟踪太阳更是可以大大提高聚光器的太阳能接收率，进而提高系统的整体效率，所以选择一个跟踪精准的轨迹算法和高精度的设备对聚光组件的发电和集热效果起着至关重要的作用；

②现有技术中，实现全自动追踪太阳有两种方式，即光电方式和机械方式；前者因受天气条件影响，存在着相当的局限性，也就是说，难以达到全天候使用。后者又可分为赤道仪式和方位仰角式，赤道仪式是在按当地的纬度倾斜安装后，沿赤道面的旋转速度只要能保持1周/24小时即可，不过准确地达到1周/24小时决非易事，即使做到了，太阳赤纬的调节仍需手工操作，所以实际上仍达不到全自动的要求；同时赤道式的支撑结构对于大型重载装置较难实现，不适合槽式跟踪的技术特性；

我方实用新型采用所谓方位仰角式系，将任意一天任何时刻的太阳位置即其方位和仰角按程序计算出来，再进一步算出当地经纬度的太阳角度，是最准确的全自动追踪方式；基于波兰女科学家Jean Meeus所著的“Astronomical Formulae for Calculators”一书中的计算方法，在早晨高度角很低时还采用了大气折射计算公式对高度角进行订正，是目前文献中所载精度最高的太阳位置计算方法，其理论计算精度可以达到0.052mrad；

③本系统采用了该算法加上倾角传感器组成的一个闭环反馈系统，进行精确的跟踪控制，系统由倾角传感器对聚光器的角度进行实时检测，倾角传感器对运行位置具有停电记忆功能，可以实时反映装置的运动位置；系统启动后，系统在运行中将计算得出的理论值和传感器采集得到的实际角度值进行比较，保证跟踪驱动系统的偏差控制在±0.1度以内，根据得到的差值正负来判断聚光器的运行方向；

④高度角-方位角跟踪方式中，硬件结构运动对应的是太阳高度角和方位角的变化，采用的是地平坐标系，定日镜的其中一个轴线垂直于地面，成为方位轴，另外一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。在跟踪太阳的过程中，定日镜根据太阳高度角的变化绕俯仰轴运动，以此改变定日镜的倾斜角；根据太阳方位角的变化绕方位轴变化，跟踪太阳的方位角，这样就可以在理论上达到定日镜法线始终与太阳光线平行的目的，这种设计跟踪精度高，而且定日镜的重量中心通过垂直轴所在的平面，硬件设计简单，投资较少；

作为一种举例说明，程序中不仅考虑跟踪算法实现、传感器数据采集和设备状态监控等，还要考虑各种应急情况的危险规避，比如大风大雨、温度、流量和压力异常等；

所述电控系统设计如下：

第一、各执行机构的稳定有序运行离不开电控系统的有效的数据上传和指令下达；

第二、所述电控系统核心部件是可编程逻辑控制器PLC，它是自动跟踪控制系统的大脑，它集聚光器的驱动、水冷设备的运行、传感器的采集以及上传数据功能于一体，根据算法程序对每个部件进行监控，使系统平稳运行，并可以通过控制柜上的触摸屏HMI监视设备的采集数据，以及对设备的运行操控。系统中的实时状态信号、报警及故障信号等均可在触摸屏上显示。

作为一种举例说明，所述实时状态信号包括：当前日期和时间、光照强度、环境温度、风速、聚光器实际位置、各聚光组件温度、流量信号等；

作为一种举例说明，所述PLC采用的是德国倍福Beckhoff，具备常温模块和宽温模块，

作为一种举例说明，所述传感采用倾角传感器；所述倾角传感器采用的德国GEMAC，分辨率为0.01，精度为0.04°，工作温度-40～80℃，IP65。

进一步的，所述水冷却回收系统102包括：换热器107、补燃系统108、热水源罐109和用户冷水源罐110，所述补燃系统108的一端与所述换热器107的一端连接，所述补燃系统108的另一端与热水源罐的一端连接，所述热水源罐的另一端通向用户端；所述换热器107的另一端用来接收冷却电池组件串106的循环热水，将余热回收，所述换热器107的第三端与用户冷水源罐110连接；

作为一种举例说明，聚光器将太阳光聚焦到光伏组件上，在光伏组件里，太阳能一部分转化为电能，通过逆变器可以为居民提供生活用电，另一部分转化成热能，循环水泵将水箱里的冷水通过水管源源不断的输入到聚光光伏组件里，冷水吸收光伏组件的热量对光伏组件进行了散热，同时形成热水输出到换热器中，将居民用水进行加热，为解决太阳能的间歇性和不稳定性，在系统中可配置蓄热装置或者辅助常规燃料锅炉，再将热水储存到热水箱中，聚光型太阳能热电联产系统的这种应用还是比较广泛的，当然，也可以集中起来运作可以将发出来的电能并入电网，将太阳能的综合利用效率最大化。

作为一种举例说明，反射型槽式聚光热电联供系统会在集中监控系统的统一控制下运行，方便操作人员的监视和运行维护，可以对数据进行分析打印等，同时，也能够通过系统对指定的聚光器下达操作指令；

为了更好的说明本实用新型的设计原理，现简要介绍其技术设计思路如下：

首先，利用槽式光热反射镜的聚焦特性，与聚光光伏组件形成模块化的技术集成，将太阳光反射并聚焦至光伏组件上，形成光源汇集的倍增，提高光伏组件发电效率；

其次，同时采取水冷却的方式，将降温的余热回收并通过管路输出，实现较好的热电联供系统效果。

最后，反射型槽式聚光热电联供系统是涉及光学、热工、电控、结构、电池等为一体的综合项目，从设计的本身看，目前国内外还没有实际的案例，此系统预计实现热电联供太阳能峰值总效率75％～80％，其中，发电效率15％～20％，50-100摄氏度热水输出效率达60％；

优选实施例1：

本项目建设100KW的反射型槽式聚光热电联供系统，利用8组槽式聚光器进行聚光，每组聚光器包含6个聚光单元，总长度为32.9米，聚光设计倍率是14倍，每组聚光器的额定峰值输出为12.8KWp(DNI为850W/㎡时)，聚光器详细设计参数如表1；

表1

通过该示范项目为反射型槽式聚光热电联供系统的大规模研制提供数据支撑和测试平台，验证热电联供系统的可靠性，收集测试数据加以分析积累经验；实现热、电联供，完成系统技术集成；应用IBC电池到槽式聚光系统中，提高发电效率；聚光倍数达到10，循环水起到很好的降温效果；

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，包括多组聚光器单元和水冷却回收系统；

所述每组聚光器单元包括：支架系统、双驱动系统、反射镜组和电池组件串；所述支架系统包括：反射镜支架和电池支架，所述反射镜组固定安装在反射镜支架上，所述电池组件串安装在电池支架上，确保固定于反射镜组的焦点附近，并且反射镜组、反射镜支架、电池支架、电池组件串相互固定连接集成为一体结构；

所述一体结构由双驱动系统带动运行；所述双驱动系统包括：一个是负责俯仰角转动的仰角驱动装置，另一个负责整个一体结构的方位角转动驱动装置，自动追踪系统以及电控系统；

所述电控系统包括：可编程逻辑控制器PLC，它是自动跟踪控制系统的大脑，它集聚光器的驱动、水冷设备的运行、传感器的采集以及上传数据功能于一体，根据算法程序对每个部件进行监控，使系统平稳运行，并可以通过控制柜上的触摸屏HMI监视设备的采集数据，以及对设备的运行操控；

所述水冷却回收系统包括：换热器、补燃系统、热水源罐和用户冷水源罐，所述补燃系统的一端与所述换热器的一端连接，所述补燃系统的另一端与热水源罐的一端连接，所述热水源罐的另一端通向用户端；所述换热器的另一端用来接收冷却电池组件串的循环热水，将余热回收，所述换热器的第三端与用户冷水源罐连接。

2.根据权利要求1所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，所述反射镜组为聚光器的一种。

3.根据权利要求2所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，所述电池组件串为IBC光伏组件结构。

4.根据权利要求3所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，聚光器采用二维跟踪系统实时追踪太阳运行轨迹。

5.根据权利要求4所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，本系统采用了该算法加上倾角传感器组成的一个闭环反馈系统，进行精确的跟踪控制。

6.根据权利要求5所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，所述PLC采用的是德国倍福Beckhoff，具备常温模块和宽温模块。

7.根据权利要求4所述的一种反射型槽式聚光热电联供系统，其特征在于，所述传感采用倾角传感器；所述倾角传感器采用的德国GEMAC，分辨率为0.01，精度为0.04°，工作温度-40～80℃，IP65。