CN210460969U - 一种分光光伏光热联合热机的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分光光伏光热联合热机的发电装置，包括若干分光光伏光热一体化组件阵列、换热器和热机发电装置，其特征在于，还包括储热装置；所述分光光伏光热一体化组件阵列包括若干个分光光伏光热组件；所述集热通道出口与所述储热装置的输入端相连接；所述储热装置的输出端与热机发电装置相连接。该装置可提高光伏光热一体化装置热水的输出温度，平衡光伏发电的不稳定性，扩展热机发电技术的应用领域，综合输出稳定的电能，对太阳光进行高效充分利用，成本低，可平价上网，适合大规模推广应用。

Description

一种分光光伏光热联合热机的发电装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏发电技术、热储存技术和太阳能光热利用技术，尤其涉及一种分光光伏光热联合热机的发电装置。

背景技术

现有技术中常规光伏发电装置的电池片只在部分太阳光波长范围内保持较高的光电转换效率，没有最大限度地对太阳光加以高效利用。而当今社会，随着环境治理的严格化，太阳能光热利用需求越来越大，因此光伏光热一体化装置越来越受到人们的青睐。

如果将电池片无法进行光伏转换或光伏转换效率较低的波段的太阳光进行分离，并且将这部分能量转化为热能，则可以大幅度降低光伏板工作温度，提高光伏板的发电效率。光伏电池片能够接收中低倍汇聚后的光线进行聚光发电，同时被分离出的波段能量还能将从光伏板背部的输出散热流体进一步升温，得到高品位的热水。

传统的光伏光热一体化装置一般只能输出40-50℃的热水，品味较低，只能满足居民日常用水需求(洗菜，洗浴等)，远不能达到90℃甚至更高。

为了解决目前光伏光热一体化装置不能生产高温带压热水/饱和蒸汽、热源供应不稳定以及热机热源成本高等系列问题，有必要开发一种低成本的能够产生高品质热水的光伏光热联合热机的平价上网发电装置，平衡光伏发电的不稳定性，扩展热机发电技术的应用空间，提高光伏光热一体化装置的综合利用效率，进行大规模推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提高光伏光热一体化装置热水的输出参数，平衡光伏发电的不稳定性，扩展热机发电技术的应用空间，全天综合输出稳定的电能，对太阳光进行高效充分利用，成本低廉，适合大规模推广应用。

本实用新型提供了一种分光光伏光热联合热机的发电装置，包括若干分光光伏光热一体化组件阵列、换热器和热机发电装置，其特征在于，还包括储热装置。

进一步地，所述分光光伏光热一体化组件阵列包括若干个分光光伏光热组件，所述分光光伏光热组件包括聚光装置、分光装置和/或反光装置、光伏电池单元以及集热通道。

进一步地，所述集热通道出口与所述储热装置的输入端相连接，所述储热装置用于储存所述分光光伏光热一体化组件阵列产生的热能。

进一步地，所述储热装置的输出端与热机发电装置相连接，用于提供热机发电装置所需要的热水/蒸汽。

进一步地，所述所述集热通道包括第一集热通道、第二集热通道和第三集热通道，所述集热通道空腔内充满水，用于收集热量使水的温度升高。

进一步地，所述集热通道可承压1MPa以上，可以产生带压热水，以防止水的沸腾。

优选地，所述集热通道可承压3MPa以上，所述集热管道承压可以输出3MPa 的高品质。

进一步地，所述分光装置包括第一分光装置和/或第二分光装置，将太阳光谱进行分波处理后再利用，进一步地提升太阳光的利用效能。

进一步地，所述第一分光装置为第一集热通道，太阳光透过所述第一分光装置，被所述第一集热通道内的水吸收部分波段的太阳光，将太阳能转换为热能并将热量带走。

进一步地，所述第一集热通道为平板型或圆环形或部分圆环形透明壳体，透过率较高，以便更多的太阳光透过壳体进行分光。

进一步地，所述第二分光装置为短波吸收长波反射结构，所述第二集热通道布置于所述短波吸收长波反射结构背部。所述短波吸收长波反射结构将入射太阳光分为两部分，短波段被短波吸收长波反射结构吸收转化为热能，长波段被反射至光伏电池单元；所述第二集热通道将短波吸收长波反射结构的热量带走，以提升第二集热通道内水的温度。

优选地，所述短波吸收长波反射结构为铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜，成本低，光热转换效能高。

进一步地，所述反光装置为玻璃镜，所述玻璃镜可以将透射通过所述第一分光装置的太阳光反射到所述第二分光装置。

进一步地，所述第三集热通道布置于于所述光伏电池单元背部。太阳光入射至所述光伏电池单元进行发电，所述第三集热通道将光伏电池的热量带走，一方面可以降低光伏电池单元的温度，提高光伏电池的发电效率，另一方面可以提高第三集热通道内水的温度。

优选地，所述储热装置为固态储热装置或液态储热装置，根据具体情况进行选择。

进一步地，所述储热装置内布置有取热管道和/或存热管道，用于热能的储存和取出。

优选地，所述热机发电装置为汽轮发电装置或ORC发电装置，可根据用户需求进行选择。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的分光光伏光热联合热机的发电装置，将光伏发电与热机发电两种形式最优地结合在一起，可以全天综合稳定输出可调节的电能。分光光伏光热组件阵列可以将汇聚的太阳光进行分波段利用，采用分光装置将对光伏电池单元发电效能较低波段的能量进行热吸收，实现发电效率提升的同时，输出带压高品质热水/饱和蒸汽。本实用新型提供的分光光伏光热联合热机的发电装置结构简单，材料来源广泛易获取，成本低廉，能够全天高效输出稳定的电能，适合大规模推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的附图。

图1示出了太阳光的不同波长范围对应能量分布；

图2示出了不同种类光伏电池在不同波长范围内的效能曲线；

图3示出了不同金属材料对不同波段的反射率曲线；

图4示出了1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率；

图5示出了分光光伏光热联合热机的发电装置的结构示意图；

图6示出了一种分光光伏光热组件的结构原理图；

图7示出了另一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图；

图8示出了再一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图；

图9示出了又一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图

图中，1为分光光伏光热一体化组件阵列，2为储热装置，3为热机发电装置， 11为分光光伏光热一体化组件，112为第一分光装置，113为第二分光装置， 118为短波吸收长波反射结构，115为光伏电池单元，117为第一集热通道，116 为水，111为第二集热通道，114为第三集热通道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示太阳光的波长范围分布为：5％紫外光(300-400nm)，43％可见光(400-700nm)，52％近红外光(700-2500nm)。

如图2所示为不同种类光伏电池在不同波长范围内的效能曲线，以晶硅光伏电池为例，晶硅在波长500-1100nm范围内的光电效能较高，其他波段太阳光的光谱能量可以由吸收率较高的其他装置进行吸收利用，仅将500- 1100nm波长范围内的光留给晶硅光伏板，这样可以将太阳光进行高效利用。

图3为不同金属材料对不同波段的反射率曲线，根据曲线可以得知，铜在波长700nm以上范围内，反射率较高，均在96％以上；而铜对500nm以下的短波光线的反射率很低，所以可以利用铜吸收短波段(500nm以下)的太阳光，而将其他波段的光线进行反射，基本不影响晶硅电池的光电转换效果。

由于包括晶硅电池在内的各类常规光伏电池都对1100nm以上波段的光线没有光电转换能力，因此找到一种对1100nm以上波段光线吸收率较高的装置，将这部分光线进行吸收利用后，透过的光线仍然可以有效进行光伏发电。

如图4所示，为1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率，在波长1100nm 以上的波段，水层对光线的吸收率较高，而对于1100nm以下的波段光线吸收较少。使用水作为一种吸热滤光介质对大于1100nm的波段进行吸收利用，其他波段光谱透过后进行光伏发电，是最佳的选择。

根据上述物质对太阳光的响应曲线，我们很容易得出结论，采用水和/ 或铜材作为光伏板前端的分光材料，可以有效提高太阳光的利用程度，并且提升光伏板的发电效能。

低温低压的汽轮发电装置效率热电转换效率通常也能够超过20％，低温 ORC发电设备目前的热电转换效率可以高达9％-10％，如采用上述分光光伏光热技术、储热与汽轮发电装置/低温ORC发电设备相结合，光伏发电的同时，还可以将太阳光其他的能量转换为热能，再利用汽轮发电装置/低温ORC发电设备进行低温发电，平衡光伏发电的不稳定性，优化能源形式，稳定输出电能。

下面结合附图进一步说明本实用新型的优选实施方式。

实施例一

图5示出了分光光伏光热联合热机的发电装置的结构，包括若干分光光伏光热一体化组件阵列1、换热器4和热机发电装置3，其特征在于，还包括储热装置2，所述储热装置2优选为固态储热装置或液态储热装置，可根据具体情况进行选择，储热介质优选为成本较低、热存储性能好的材料。当所述储热装置 2为固态储热装置时，储热介质包括但不限于砂石、沙粒、混凝土、岩石；当所述储热装置2为液态储热装置时，储热介质包括但不限于水、熔融盐。所述储热装置2内布置有取热管道和/或存热管道，用于热能的储存和取出。当储热装置 2为水池或者金属容器时，所述储热装置2内仅布置有取热管道。所述换热器4 为水汽换热器。优选地，所述热机发电装置3优选为汽轮发电装置或ORC发电装置。

所述分光光伏光热一体化组件阵列1包括若干个分光光伏光热组件11，所述相邻分光光伏光热一体化组件阵列的集热管道并联，所述相邻分光光伏光热组件的集热管道并联。所述分光光伏光热组件11包括聚光装置、分光装置、光伏电池单元以及集热通道，所述集热通道包括第一集热通道、第二集热通道和第三集热通道，所述集热通道可耐1MPa以上的压力，优选地，所述集热通道可耐3MPa以上的压力，所述集热通道空腔内充满水，水的压力大于 1MPa，优选为大于3MPa，以确保水在流动升温过程中不发生相变，汽水两相流比较复杂，容易产生振动等现象，对系统的稳定性会有一定的影响，再者汽水两相流也会影响分光装置的效能。所述分光光伏光热一体化组件阵列1 在白天有阳光时，可以进行聚光发电，同时输出高温热水。所述集热通道出口与所述储热装置2的输入端相连接，将分光光伏光热一体化组件阵列产生的带压热水输入所述换热器4中进行换热，例如所述带压热水,通过所述换热器4后可以获得饱和/微过热的蒸汽，所述蒸汽输送至所述储热装置2中进行热量存储；所述储热装置2的输出端与热机发电装置3相连接，在没有阳光或用电需求量大时，将储热装置2中的热量取出用于提供热机发电装置 3所需要的热能，需要时将热能取出输出至热机发电装置3进行发电。

通过合理规划配置，控制优化所述分光光伏光热一体化组件阵列1发的电量与热机发电装置3发的电量比例，可以使本实施例所述的装置形成的电站实现平价上网或者更优。以下为一种优化合理配置形式的简单介绍：

假如中低倍汇聚后的太阳光能量为100，那么会有80％的有效太阳光，光伏电池，例如单晶硅电池在1100nm以上波段范围(能量占比22％)的平均发电效率约为0.73，则光伏电池发电为100·0.8·0.73*0.22＝13；有效太阳光的75％可以转换为热能，即100·0.8·0.75＝60，低温ORC发电装置的转换效率以9％-10％进行计算，转换为发电量为60·(9％-10％)＝5.4-6，如此看来，本实施例中光光伏光热联合ORC的发电装置中光伏的发电量与ORC发电装置的发电量之比约为2:1，可以满足电网的日用电需求曲线。

实施例二

图6示出了一种分光光伏光热组件的结构原理图，包括聚光装置、分光装置、光伏电池单元115以及集热通道。所述聚光装置为反射式聚光装置或透镜式聚光装置，可以将太阳光进行中低倍聚光，需要注意的是，所述聚光装置在本实用新型所有附图中未体现，但是在实际应用时，可根据需要采用现有技术中所有形式的反射式聚光装置或透镜式聚光装置。所述分光装置包括第一分光装置112和/或第二分光装置113，将太阳光谱进行分波处理后再利用，进一步地提升太阳光的利用效能，本实施例中的分光装置包括第一分光装置112和第二分光装置113。所述第一分光装置112为第一集热通道117，太阳光透过所述第一分光装置112，被所述第一集热通道117内的水吸收部分波段的太阳光，将太阳能转换为热能并将热量带走。优选地，所述第一集热通道117为平板型或圆环形或部分圆环形透明壳体，以便更多的太阳光透过进行分光，本实施例采用平板型透明壳体透过率较高。所述第一集热通道 117中的水压优选为3MPa，使所述第一集热通道117中的水始终处于液态，不被汽化，以确保所述第一分光装置112的透过率。所述第二分光装置113 为短波吸收长波反射结构118，所述第二集热通道111布置于所述短波吸收长波反射结构118背部。所述短波吸收长波反射结构构118将入射太阳光分为两部分，短波段被所述短波吸收长波反射结构118吸收转化为热能，长波段被反射至光伏电池单元115进行光伏发电；所述第二集热通道111将短波吸收长波反射结构118的热量带走，以提升第二集热通道111内水的温度。优选地，所述短波吸收长波反射结构118为铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜，由于铜的成本低，且对短波段(500nm以下)的太阳光吸收能力较强，对700nm以上波段的太阳光反射率较高。

所述光伏电池单元115背部布置有第三集热通道114，太阳光入射至所述光伏电池单元115进行发电，所述第三集热通道114将光伏电池的热量带走，一方面可以降低光伏电池单元115的温度，提高光伏电池的发电效率，另一方面可以提高第三集热通道114内水的温度。

本实施例中的分光光伏光热组件将汇聚的太阳光分为3个波段进行利用。第一步，通过聚光装置汇聚后的太阳光线透过所述第一分光装置112，波段为1100nm以上(占比22％)的光谱大部分被所述第一分光装置112中第一集热通道117中的水吸收，转化为热量被水工质带走；第二步，透过所述第一分光装置112的光线进一步照射到所述第二分光装置113上，经所述第二分光装置113反射后入射到所述光伏电池单元115实现光伏发电。其中所述短波吸收长波反射结构118为金属片或镀有金属层的基体结构或金属膜。优选地，所述短波吸收长波反射结构118为金属铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜，本实施例中优选为镀有金属铜层的基体结构，所述短波吸收长波反射结构118将700-1100nm(占比36％)范围波段的光进一步反射，将700nm(占比40％)以下波段的光进行热吸收，热量被所述第二集热通道 111内的水带走；第三步，被所述第二分光装置113反射的光线到达所述光伏电池单元115上，所述光伏电池单元115将700-1100nm波段范围内的光能高效转化为电能，其余少量能量被所述光伏电池单元115吸收转化为热能，被所述第三集热通道114内的水工质带走。

所述集热通道可根据使用需求进行串并联组合，输出所需带压热水。优选地，集热通道采用串联的连接方式，水首选流经第三集热通道，以确保光伏电池单元的工作温度，然后流经第一集热通道和/第二集热通道，最终输出高温品质热水。

需要说明的是，本实用新型各实施例附图中的第一、第二集热通道所形成的腔体仅以平板腔式，部分圆环腔式示出，实际应用时，还包括但不限于平板腔式，部分圆环腔式，全部圆环腔式。

实施例三

图7示出了另一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图，与实施例二相比，本实施例中的分光光伏光热组件结构与实施例二相似，所述第一集热通道117和所述第二集热通道111呈部分圆环腔式，第三集热通道114为平板式，所述第一集热通道117和所述第二集热通道111为可承压玻璃通道，优选可耐2MPa压力，以保证所述第一集热通道117和所述第二集热通道111内的水始终处于液态。所述光伏电池单元105优选为晶硅光伏电池单元。在本实施例装置的第一集热通道117和/或第二集热通道111和/或第三集热通道 114的外围外部还可根据需求布置保温结构，以减少通道中水116的散热量。

优选地，所述第一集热通道117和第二集热通道111可以贯通布置；进一步地，所述第一集热通道117和第二集热通道111可以分隔布置，共同组成同一圆环。所述圆环的厚度为2mm-20mm,优选地，所述圆环的厚度为4mm。所述短波吸收长波反射结构118为金属膜，优选为金属铜膜，所述铜膜布置在所述第二集热通道114部分圆环的内表面上。优选地，所述圆环为两根同轴心布置的玻璃管组成，本实施例中的分光光伏光热组件结构简单，用材便宜，分光工作原理与实施例二相同。

需要说明的是，上述实施例方案可以简化为汇聚的太阳光线经第一分光装置、第二分光装置后，入射到光伏电池单元发电的实施例，该方案在申请中不再赘述。

实施例四

图8示出了再一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图。本实施例的工作原理与实施例三类似，所述第一集热通道117、第二集热通道111和第三集热通道114分隔布置，共同组成同一圆环，所述光伏电池单元115的宽度方向的两端与所述圆环内壁相固定接触，所述光伏电池单元115的宽度小于所述圆环内圆的直径，所述短波吸收长波反射结构118为金属膜，优选为金属铜膜，布置在由光伏电池单元115拆分的大部分圆环的部分内壁上，所述金属铜膜118的一端与所属光伏电池单元115靠近布置。本实施例的分光工作原理与实施例二相同。

实施例五

图9示出了又一优选分光光伏光热组件实施例的结构原理图。如图5所示，所述分光光伏光热组件包括聚光装置、分光装置、反光装置120、光伏电池单元115和集热通道；所述反光装置120优选为玻璃镜。所述集热通道包括第一集热通道117、第二集热通道111和第三集热通道114，所述集热通道空腔内充满水，由于气液两相流的复杂性以及会对系统稳定性带来的影响，所述水为带压水，优选地，所述水的压力优选为3MPa，以保证运行过程中水不发生相变。优选地，所述第一集热通道117和第二集热通道111可以贯通布置；进一步地，所述第一集热通道117和第二集热通道111可以分隔布置，共同组成同一圆环。优选地，所述圆环为玻璃圆环，所述圆环腔体可承受2MPa-3MPa的压力。如图5所示，所述反光装置120和所述光伏电池单元115组成四边形通道，所述四边形的一个对角与所述圆环的内圆内接，另外一个对角在所述圆环内部。所述四边形通道为所述第三集热通道114。所述分光装置包括第一分光装置112和第二分光装置113，所述第一分光装置112为所述第一集热通道117，由于所述第一集热通道117中的水位带压水，不会产生两相流，即不会影响所述第一分光装置112的分光功能；所述第二分光装置113为短波吸收长波反射结构118，所述第二集热通道113布置于所述短波吸收长波反射结构118的背部，用于带走所述短波吸收长波反射结构118的热量。所述第三集热通道114布置于所述光伏电池单元115和所述反光装置120的背部，用于降低所述光伏电池单元115的工作温度，提升工作效能，同时能够将热量进行收集再利用。

本实施例的工作原理如下：

经所述聚光装置汇聚后的光线，透射通过所述第一分光装置112，所述第一集热通道117内的水将大部分波段为1100nm以上的太阳光谱吸收，带压水水温升高。通过所述第一分光装置112的太阳光一部分入射至所述第二分光装置113；另一部分入射至所述反光装置120，被进一步反射到所述第二分光装置113上，所述反光装置120吸收的热量被所述第三集热通道114内的水吸收。入射至所述第二分光装置113的太阳光经所述短波吸收长波反射结构118反射进一步反射至所述光伏电池单元115进行光伏发电。所述短波吸收长波反射结构118将 700-1100nm范围波段的光进一步反射，将700nm以下波段的光进行热吸收，热量被所述第二集热通道111内的带压水带走。进一步地，所述光伏电池单元115 将700-1100nm波段范围内的光能高效转化为电能，其余少量能量被所述光伏电池单元115吸收转化为热能，被所述第三集热通道114内的带压水工质带走。

所述集热通道的连接方式同实施例二。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (14)

1.一种分光光伏光热联合热机的发电装置，包括若干分光光伏光热一体化组件阵列、换热器和热机发电装置，其特征在于，还包括储热装置；

所述分光光伏光热一体化组件阵列包括若干个分光光伏光热组件；

所述分光光伏光热组件包括聚光装置、分光装置和/或反光装置、光伏电池单元以及集热通道；

所述集热通道出口与所述储热装置的输入端相连接，所述储热装置用于储存所述分光光伏光热一体化组件阵列产生的热能；

所述储热装置的输出端与热机发电装置相连接。

2.根据权利要求1所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述集热通道包括第一集热通道、第二集热通道和第三集热通道，所述集热通道空腔内充满水。

3.根据权利要求2所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述集热通道可承压1MPa以上。

4.根据权利要求2所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述集热通道可承压3MPa以上。

5.根据权利要求2所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述分光装置包括第一分光装置和/或第二分光装置。

6.根据权利要求5所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述第一分光装置为第一集热通道。

7.根据权利要求6所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述第一集热通道为平板型或圆环形或部分圆环形透明壳体。

8.根据权利要求5所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述第二分光装置为短波吸收长波反射结构，所述第二集热通道布置于所述短波吸收长波反射结构背部。

9.根据权利要求8所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述短波吸收长波反射结构为为铜片或者镀有金属铜层的基体结构或金属铜膜。

10.根据权利要求1所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述反光装置为玻璃镜。

11.根据权利要求2所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述第三集热通道布置于所述光伏电池单元背部。

12.根据权利要求1所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述储热装置为固态储热装置或液态储热装置。

13.根据权利要求12所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述储热装置内布置有取热管道和/或存热管道。

14.根据权利要求1所述的分光光伏光热联合热机的发电装置，其特征在于，所述热机发电装置为汽轮发电装置或ORC发电装置。

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