CN213237991U - 一种光热分离综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光热分离综合利用系统，包括光热分离系统、热能转换系统及转轴系统，所述光热分离系统由带状焦面菲涅尔透镜、光伏电池、金属‑玻璃真空管集热器、单面镜组成，所述转轴系统由两个双层圆环组成，所述双层圆环有内环及外环构成，所述内环可转动，所述外环起支持固定作用，两个双层圆环成南北朝向，本实用新型最大化的利用光电池的发电潜力，相比常规光伏发电，大大降低了成本，通过采用聚光分频的方法，高频短波用于光伏发电，低频长波用于光热发电，最大化利用太阳辐射的能量，在光伏电池表面直接镀分光膜对太阳能进行光伏光热综合利用，替代了独立的光谱分频器，结构更加简单，装置的集成度和实用性更高。

Description

一种光热分离综合利用系统

技术领域

本实用新型涉及光电转换技术领域，具体是一种光热分离综合利用系统。

背景技术

20世纪70年代，世界能源形势严峻。根据国际能源机构《2012年世界能源展望》报告，预计2010至2030年，世界能源消费年增长率将达到1.6％，全球能源消费总量新增需求50亿吨，到2030年将增加39％，达到165亿吨油当量，因此寻找新能源代替常规能源迫在眉睫。新能源主要包括太阳能源、潮汐能、风能、水力等其他形式。

在已开发的新能源中，太阳能基于普遍、无害、长久的优点成了最具有发展前景的新能源。我国太阳能资源丰富，陆地表面每年接收的太阳辐射能约为5.0×1019kJ。目前，我国太阳能利用的形式主要有光热转换、光电转换、光化学转换以及光生物转换。

现阶段，光电转换的主要装置是光伏电池，在光伏电池的工作过程中，对于投射到光伏板上的太阳能，只有6％～19％可以转化为电能，其余的都转化为热能，一部分排放到周围环境中，一部分使得光伏电池的工作温度升高，导致光电转换效率下降。据研究，如果光伏电池的温度爬升1℃，光伏电池的光转化为电的相对效率就会下降0.5％。为尽可能使电池效率保持在较高水平，带走光伏板上的温升热量是提高电池效率的关键因素，利用光热分离系统可以将光伏板中的热量与光热转换系统进行结合，在节约能源的同时提高了光电转换效率，并将收集的热能有效利用。

目前，光伏电池价格昂贵，使得利用光伏发电池发电成本居高不下，并且光伏产业链中亦存在的环境污染，例如很多光伏工厂在生产过程中产生的废水、废弃、废渣等得不到有效处理，这些都会对环境产生不良影响。而菲涅尔透镜具有加工成形方便，价格低廉，对环境污染少的特点，于是本系统利用其作为聚光系统，增大光伏电池表面的能量密度，以最大化的利用光电池的发电潜力，比常规光伏发电，总成本至少降低了60％，同时间接减少对光伏电池的需求，降低光伏电池的生产，减轻环境污染。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种光热分离综合利用系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种光热分离综合利用系统，包括光热分离系统、热能转换系统及转轴系统；

所述光热分离系统由带状焦面菲涅尔透镜、光伏电池、金属-玻璃真空管集热器、单面镜组成，在系统运行时，太阳辐射经带状焦面菲涅尔透镜聚光，均匀射向光伏电池，在光伏电池的光膜上，有利于光电转换的谱段的光被增透，其余带有大量热能的红外光线被增反，有利于光电转换的谱段被光伏电池接收用于发电，其余部分经分光膜表面二次反射金属-玻璃真空管集热器，穿透金属-玻璃真空管集热器的光线经单面镜的反射，再次回到集热器实现光线的二次利用，从而完成光伏发电过程和光热转化过程的分开进行，避免了光伏电池因散热温度限制而产生的热耦合问题，光热过程可以产生中高温热能，金属-玻璃真空管集热器吸收太阳辐射并转换为管内工质的热能，为提高工质的温度，管内流动介质采用导热油，通过高温介质对外输出的热能可通过需求经热能转换系统用于郎肯循环热发电、太阳能空调制冷、室内供暖等领域；

所述转轴系统由两个双层圆环组成，所述双层圆环有内环及外环构成，所述内环可转动，所述外环起支持固定作用，两个双层圆环成南北朝向(与所在地纬度有关)，光热分离系统中的带状焦面菲涅尔透镜与光伏电池都固定在两个内环的相应位置，通过对某一位置一天中光照量最大时段太阳位置的计算分析，内环将自动转动，使得透镜与光伏电池成合适水平角度，以达到太阳辐射最大吸收的目的；

所述带状焦面菲涅尔透镜和光伏电池的四个角分别被固定于两个内环内壁上，每个所述内环都可转动并被套在起固定支持作用的外环上，每个所述外环底部设置有两支座，防止圆环滚动，所述单面镜设置于金属-玻璃真空管集热器的上方，且所述单面镜具有一定的弧度，所述金属-玻璃真空管集热器与所述带状焦面菲涅尔透镜与圆环外固定连接，会随着带状焦面菲涅尔透镜位置的变化而变化，单面镜上方的射来光线将穿透单面镜，而下方射来的光线将被单面镜反射；

所述金属-玻璃真空管集热器由真空玻璃管、金属吸热管、金属波纹管、玻璃外罩、抽气嘴、吸气剂及支架构成，所述真空玻璃管的两端均设置有金属波纹管，所述真空玻璃管内设置有金属吸热管，所述真空玻璃管外侧套设有玻璃外罩，所述玻璃外罩表面设置有抽气嘴，所述抽气嘴通过吸气剂及支架与金属吸热管连接，真空玻璃管与金属吸热管之间抽真空，对玻璃和金属之间的缝隙利用熔封技术以保证真空度，金属吸热管可吸收吸热体高温工作时所产生的应力，真空管集热器使用的玻璃材料需要具备高太阳透射比、热膨胀系数低、机械强度高等特性，通过理论分析及生产实践证明，硼硅材料能够满足制备玻璃管的相关条件，其能够承受超过200℃的温差，太阳透射比超过90％。

作为本实用新型进一步的方案：所述带状焦面菲涅尔透镜及光伏电池均为长条形结构，且所述光伏电池为镀膜的光伏电池。

作为本实用新型再进一步的方案：所述带状焦面菲涅尔透镜位于较接近环心轴的位置，使其接收光照的面积尽可能的大，所述金属-玻璃真空管集热器位于环心轴偏下的位置，所述光伏电池安装在带状焦面菲涅尔透镜与金属-玻璃真空管集热器的中心线位置，且所述光伏电池与带状焦面菲涅尔透镜的几何形状成相似关系，所在的空间平面成平行关系。

作为本实用新型再进一步的方案：所述真空玻璃管的长为2000mm，外径外100mm。

作为本实用新型再进一步的方案：所述金属吸热管的表面设置有选择性吸收涂层。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型最大化的利用光电池的发电潜力，相比常规光伏发电，大大降低了成本，通过采用聚光分频的方法，高频短波用于光伏发电，低频长波用于光热发电，最大化利用太阳辐射的能量，在光伏电池表面直接镀分光膜对太阳能进行光伏光热综合利用，替代了独立的光谱分频器，结构更加简单，装置的集成度和实用性更高，并通过采用自动化的的转轴系统，使得操作和控制简便，容易使用。

2、该种光热分离综合利用系统以光谱分频与聚光系统综合利用的方式，大大提高了太阳能的利用率，减少光伏电池使用量的同时，降低环境污染，非常符合国家节能减排战略方向，且该光热分离综合利用系统结构简单，施工方便，在提高光伏发电效率的同时将热能分离，并可用于郎肯循环热发电、太阳能空调制冷、室内供暖等领域，每年可节省大量能耗，因此适合社会广泛使用。

附图说明

图1为一种光热分离综合利用系统的左视图。

图2为一种光热分离综合利用系统的主视图。

图3为一种光热分离综合利用系统中金属-玻璃真空管集热器的结构示意图。

图中：1、内环；2、外环；3、光伏电池；4、支座；5、单面镜；6、金属-玻璃真空管集热器；7、带状焦面菲涅尔透镜；8、金属波纹管；9、玻璃外罩；10、抽气嘴；11、吸气剂及支架；12、金属吸热管。

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、完整地描述，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。

请参阅图1～3，本实用新型实施例中，一种光热分离综合利用系统，包括光热分离系统、热能转换系统及转轴系统；所述光热分离系统由带状焦面菲涅尔透镜7、光伏电池3、金属-玻璃真空管集热器6、单面镜5组成，在系统运行时，太阳辐射经带状焦面菲涅尔透镜7聚光，均匀射向光伏电池3，在光伏电池3的光膜上，有利于光电转换的谱段的光被增透，其余带有大量热能的红外光线被增反，有利于光电转换的谱段被光伏电池接收用于发电，其余部分经分光膜表面二次反射金属-玻璃真空管集热器，穿透金属-玻璃真空管集热器6的光线经单面镜的反射，再次回到集热器实现光线的二次利用，从而完成光伏发电过程和光热转化过程的分开进行，避免了光伏电池3因散热温度限制而产生的热耦合问题，光热过程可以产生中高温热能，金属-玻璃真空管集热器6吸收太阳辐射并转换为管内工质的热能，为提高工质的温度，管内流动介质采用导热油，通过高温介质对外输出的热能可通过需求经热能转换系统用于郎肯循环热发电、太阳能空调制冷、室内供暖等领域；所述转轴系统由两个双层圆环组成，所述双层圆环有内环1及外环2构成，所述内环1可转动，所述外环2起支持固定作用，两个双层圆环成南北朝向(与所在地纬度有关)，光热分离系统中的带状焦面菲涅尔透镜7与光伏电池3都固定在两个内环1的相应位置，通过对某一位置一天中光照量最大时段太阳位置的计算分析，内环1将自动转动，使得透镜与光伏电池3成合适水平角度，以达到太阳辐射最大吸收的目的；所述带状焦面菲涅尔透镜7和光伏电池3的四个角分别被固定于两个内环1内壁上，每个所述内环1都可转动并被套在起固定支持作用的外环2上，每个所述外环2底部设置有两支座4，防止圆环滚动，所述单面镜5设置于金属-玻璃真空管集热器6的上方，且所述单面镜5具有一定的弧度，所述金属-玻璃真空管集热器6与所述带状焦面菲涅尔透镜7与圆环外固定连接，会随着带状焦面菲涅尔透镜7位置的变化而变化，单面镜5上方的射来光线将穿透单面镜5，而下方射来的光线将被单面镜5反射；所述金属-玻璃真空管集热器6由真空玻璃管、金属吸热管12、金属波纹管8、玻璃外罩9、抽气嘴10、吸气剂及支架11构成，所述真空玻璃管的两端均设置有金属波纹管8，所述真空玻璃管内设置有金属吸热管12，所述真空玻璃管外侧套设有玻璃外罩9，所述玻璃外罩9表面设置有抽气嘴10，所述抽气嘴10通过吸气剂及支架11与金属吸热管12连接，真空玻璃管与金属吸热管12之间抽真空，对玻璃和金属之间的缝隙利用熔封技术以保证真空度，金属吸热管12可吸收吸热体高温工作时所产生的应力，真空管集热器使用的玻璃材料需要具备高太阳透射比、热膨胀系数低、机械强度高等特性，通过理论分析及生产实践证明，硼硅材料能够满足制备玻璃管的相关条件，其能够承受超过200℃的温差，太阳透射比超过90％。

所述带状焦面菲涅尔透镜7及光伏电池3均为长条形结构，且所述光伏电池3为镀膜的光伏电池。

所述带状焦面菲涅尔透镜7位于较接近环心轴的位置，使其接收光照的面积尽可能的大，所述金属-玻璃真空管集热器6位于环心轴偏下的位置，所述光伏电池3安装在带状焦面菲涅尔透镜7与金属-玻璃真空管集热器6的中心线位置，且所述光伏电池3与带状焦面菲涅尔透镜7的几何形状成相似关系，所在的空间平面成平行关系。

所述真空玻璃管的长为2000mm，外径外100mm。

所述金属吸热管12的表面设置有选择性吸收涂层。

其中，设带状焦面菲涅尔透镜，长1.93m，宽1.04m，其面积约为2.007m²；设取180W光伏电池，长1.58m，宽0.85m，其面积为1.343m²。

以太阳能资源二类地区为例，年日照时数3000h-3200h，光伏电池年有效利用小时数约为1300h。以合适角度摆放的静态180w光伏电池，每日峰值日照数约4.366h，每瓦首年发电量约为1.268kwh，其年发电量为1.268*180＝228.24kwh。由于转轴系统对太阳的跟踪，太阳光在光伏电池表面的光照强度将提高20％，带状焦面菲涅尔透镜光线透过率不小于85％，以85％计算，经聚光后，光照强度提高47.5％，通过推算得，该系统光伏电池每日峰值日照数约6.600h，每瓦首年发电量约为1.903kwh，每年发电量180*1.903＝342.54kwh，与单块180W光伏电池相比每年增加了114.3kwh的电量。

金属-玻璃真空管集热器集热效率约为55％，太阳能资源二类地区每年每平方米地面辐射总量5400-6680MJ，以5400MJ计算，装置每年收集的热量5400*2.007*0.85*0.55＝5066.67MJ，其中夏季占37.2％，约1884.80MJ，即523.56kwh，用于太阳能空调制冷，制冷效率以20％计算，约可以减少523.56*0.2＝104.71kwh的电量，冬季收集的热量约占11.6％，用于室内供暖可节约171.85kwh电量，其余2594.49MJ用于郎肯循环热发电，转换效率约为10.54％，可节约2594.49*0.1054/3.6＝75.96kwh的电量。

总计面积为2.007m²带状焦面菲涅尔透镜和180W光伏电池，在太阳能资源二类地区相对于单块180W光伏电池大约每年多产生电量114.3+75.96＝190.26kwh，于环境少消耗电量104.71+171.85＝276.56kwh。该型号系统装置每年净节能276.56+190.26＝466.82kwh，即每年减排1680.552MJ(约56.854kg标准煤燃烧所发出的热量)。

本实用新型的工作原理是：

在白天系统运行时，太阳辐射经带状焦面菲涅尔透镜7聚光，均匀射向镀膜的光伏电池3，在光伏电池3的光膜上，有利于光电转换的谱段的光被增透，其余带有大量热能的红外光线被增反，有利于光电转换的谱段被光伏电池接收用于发电，其余部分经分光膜表面二次反射至位于装置中心偏下位置的金属-玻璃真空管集热器6，穿透金属-玻璃真空管集热器6的光线经单面镜5的反射，再次回到金属-玻璃真空管集热器6实现光线的二次利用，从而完成光伏发电过程和光热转化过程的分开进行，避免了光伏电池因散热温度限制而产生的热耦合问题，光热过程可以产生中高温热能；

金属-玻璃真空管集热器6吸收太阳辐射并转换为管内工质的热能，为提高工质的温度，管内流动介质采用导热油，通过高温介质对外输出的热能可通过需求经热能转换系统用于郎肯循环热发电、太阳能空调制冷、室内供暖等领域；

转轴系统主要由两个双层圆环组成，其中内环1可转动，外环2起支持固定作用，两个双层圆环成南北朝向(与所在地纬度有关)，光热分离系统中的带状焦面菲涅尔透镜7与镀膜的光伏电池3都固定在两个内环的相应位置，通过对某一位置一天中光照量最大时太阳位置的计算分析，内环1将自动转动，使得带状焦面菲涅尔透镜7与光伏电池3成合适水平角度，以达到太阳辐射最大吸收的目的。

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 (5)

1.一种光热分离综合利用系统，其特征在于，包括光热分离系统、热能转换系统及转轴系统；

所述光热分离系统由带状焦面菲涅尔透镜(7)、光伏电池(3)、金属-玻璃真空管集热器(6)、单面镜(5)组成；

所述转轴系统由两个双层圆环组成，所述双层圆环有内环(1)及外环(2)构成，所述内环(1)可转动，所述外环(2)起支持固定作用，两个双层圆环成南北朝向；

所述带状焦面菲涅尔透镜(7)和光伏电池(3)的四个角分别被固定于两个内环(1)内壁上，每个所述内环(1)都可转动并被套在起固定支持作用的外环(2)上，每个所述外环(2)底部设置有两支座(4)，所述单面镜(5)设置于金属-玻璃真空管集热器(6)的上方，且所述单面镜(5)具有一定的弧度，所述金属-玻璃真空管集热器(6)与所述带状焦面菲涅尔透镜(7)与圆环外固定连接；

所述金属-玻璃真空管集热器(6)由真空玻璃管、金属吸热管(12)、金属波纹管(8)、玻璃外罩(9)、抽气嘴(10)、吸气剂及弹簧支架(11)构成，所述真空玻璃管的两端均设置有金属波纹管(8)，所述真空玻璃管内设置有金属吸热管(12)，所述真空玻璃管外侧套设有玻璃外罩(9)，所述玻璃外罩(9)表面设置有抽气嘴(10)，所述抽气嘴(10)通过吸气剂及支架(11)与金属吸热管(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光热分离综合利用系统，其特征在于，所述带状焦面菲涅尔透镜(7)及光伏电池(3)均为长条形结构，且所述光伏电池(3)为镀膜的光伏电池。

3.根据权利要求1所述的一种光热分离综合利用系统，其特征在于，所述带状焦面菲涅尔透镜(7)位于较接近环心轴的位置，所述金属-玻璃真空管集热器(6)位于环心轴偏下的位置，所述光伏电池(3)安装在带状焦面菲涅尔透镜(7)与金属-玻璃真空管集热器(6)的中心线位置，且所述光伏电池(3)与带状焦面菲涅尔透镜(7)的几何形状成相似关系，所在的空间平面成平行关系。

4.根据权利要求1所述的一种光热分离综合利用系统，其特征在于，所述真空玻璃管的长为2000mm，外径外100mm。

5.根据权利要求1所述的一种光热分离综合利用系统，其特征在于，所述金属吸热管(12)的表面设置有选择性吸收涂层。

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