CN215412565U - 一种波长选择性光伏光热一体化利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波长选择性光伏光热一体化利用装置，包括波长选择吸热部分和光伏吸收部分，其特征在于，所述光伏吸收部分布置于所述波长吸热部分的后方；所述波长选择吸热部分为透光吸热中空结构，内部填充透光吸传热工质；所述透光吸热中空结构和/或所述透光吸传热工质，用于选择性透过可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的光线，选择性吸收太阳光线中不被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的光线并将其转换为热能，能够显著提升太阳能综合利用效率。结构简单可靠，成本低廉，能够输出带压热水/蒸汽等高品位热能，具有广泛的市场前景，可进行大规模推广应用。

Description

一种波长选择性光伏光热一体化利用装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏光热一体化技术，尤其涉及一种波长选择性光伏光热一体化利用装置。

背景技术

由于光伏光热一体化技术不仅可以解决许多用热用户的清洁用热问题，还可以解决部分自用电问题，近些年逐渐受到许多专家学者的青睐。光伏光热一体化装置一般情况是将光伏电池自身发电所产生的热量进行收集，不仅提升了光伏电池发电的效率，而且还可以将热量进行收集再利用。

在集热系统中，人们常用到的集热工质为导热油和水，但是由于导热油有一定的气味，并且易燃烧易爆炸，水成为人们最为青睐的集热工质。但是常压条件下，水工质到达一定温度就会发生相变气化，导致两相流的存在，因此需要一种能够产生带压热水的装置来实现水工质的集热。

目前市场上的光伏光热一体化装置输出的热水品质大多停留在生活热水层面，对于用热量较大，用热品质较高(例如中低压蒸汽(0.2-2.5MPa))的工业用热需求难以满足。申请号为CN201920682095.8的实用新型专利披露了一种能够产生中低压蒸汽进行ORC发电的分光光伏光热联合热机的发电装置，该装置虽然可以输出低压蒸汽，但是该装置中的分光光伏组件结构相对复杂，制造成本高。

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、组件结构复杂和成本较高等系列问题，有必要开发一种低成本的能够产生带压热水的光伏光热一体化利用系统，提高光伏光热一体化装置的利用效率，降低系统成本，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选择性分光光伏光热一体化装置热水的输出参数，对太阳光进行低成本高效选择性分光，使太阳光最大限度地被吸收，该装置结构简单，成本低廉，能够承受3Mpa以上的压力，不在集热过程中产生两相流，输出温度范围达到250℃甚至更高。

本实用新型提供了一种波长选择性光伏光热一体化利用装置，包括波长选择吸热部分和光伏吸收部分，其特征在于，所述光伏吸收部分布置于所述波长选择吸热部分的后方，入射太阳光先透过所述波长选择吸热部分后再到达所述光伏吸收部分，在获得高温热量的同时又可以避免所述光伏吸收部分的温度过高，使所述光伏吸收部分长时间保持较高的发电效能；

进一步地，所述透光吸传热工质和/或所述透光吸热中空结构，内部填充透光吸传热工质；所述透光吸热中空结构和/或所述透光吸传热工质，用于选择性透过可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的光线，选择性吸收太阳光线中未被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的光线并将其转换为热能；

进一步地，所述透光吸传热工质通过流动循环将所述透光吸热中空结构和/或所述透光吸传热工质转换的热能带走并加以利用。

进一步地，所述透光吸热中空结构用于吸收波长短于可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量，例如波长小于500nm的那部分光线(主要是紫外线及少量可见光)。

进一步地，所述透光吸传热工质用于吸收波长大于可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量，例如波长大于1100nm的那部分光线(主要是红外线)。

进一步地，所述入射太阳光线为普通照射的太阳光线或经过汇聚后的浓缩太阳光线，优选采用接收一定倍率汇聚太阳光线的方案，以提升效率降低成本。

进一步地，所述透光吸热中空结构为双层或多层平面中空吸热结构或管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列。

进一步地，所述透光吸热中空结构为有机透光材质(例如PC材质)或普通玻璃材质或高硼硅玻璃材质或石英玻璃材质，光透过率高。

进一步地，所述透光吸热中空结构采用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的有色透光材料，用于吸收波长短于可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量(主要是紫外线)，将这部分光能转换为热能。

优选地，所述透光吸热中空结构为高硼硅或石英玻璃材质的管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列，具有较好透光性的同时，材料性质稳定耐高温并且强度高，当壁厚达到一定程度时所述管状中空吸热结构还能够承受较高的压力，使得透光吸传热工质(例如水)不发生相变从而保持良好的透光性及波长选择性吸收特性。

优选地，选用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的高硼硅玻璃管或石英玻璃管作为透光吸热中空结构，简单可靠成本低，实用性优势明显。

进一步地，所述透光吸传热工质为水或水溶液或导热油，流动性好，不易凝固，成本低廉，同时对波长1000nm以上光线(主要是红外线)具有很好的吸收能力。

优选地，所述透光吸传热工质颜色为浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色，用于吸收所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围之外的光线(主要是红外线及紫外线)，将太阳光转换为热能。

进一步地，所述光伏吸收部分包括光伏电池片。

进一步地，还包括布置于所述光伏电池片背部的集热或散热组件，所述集热或散热组件用于吸收所述光伏电池片进行光伏发电时产生的热量，提高所述光伏电池的发电效能。

优选地，所述光伏电池片为单晶硅光伏电池片。

优选地，所述透光吸热中空结构可承压0.2MPa以上。

优选地，所述透光吸热中空结构可承压3MPa以上，使得透光吸传热工质(例如水)不发生相变从而保持良好的透光性及波长选择性吸收特性。

优选地，所述波长选择性光伏光热一体化利用装置还包括用于封装所述波长选择吸热部分和光伏吸收部分的透明玻璃管壳，对所述波长选择吸热部分和光伏吸收部分起到一定的保护作用，防灰尘、风沙，耐腐蚀，延长装置的使用寿命。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的波长选择性光伏光热一体化利用装置，采用中空结构和吸传热流体作为分光装置，吸收所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的光谱范围之外的太阳光能量，结构简单可靠，能够输出带压热水/蒸汽，提高光伏光热一体化装置的波长选择性分光利用效率，可以水作为吸传热流体，来源广泛，成本低廉，可进行大规模推广应用。

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示出了太阳光的波长范围分布曲线；

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示出了一种波长选择性光伏光热一体化利用装置对太阳光的透过率曲线；

图4示出了一种波长选择性光伏光热一体化利用装置的结构原理图；

图5示出了另一种波长选择性光伏光热一体化利用装置的结构原理图。

图中，11为波长选择吸热部分；14光伏吸收部分；12为管状中空吸热结构阵列；13为光伏电池片；15为集热或散热通道；16为透明玻璃管壳；17为透光吸传热工质；18为双层平面中空吸热结构。

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。

根据上述物质对太阳光的响应曲线，我们很容易得出结论，采用合适的分光材料，可以有效提高太阳光的利用程度，并且提升光伏电池的发电效能。

太阳光被分光后进行逐级利用，除了光伏电池吸收波段的太阳光用于光伏发电，其他波段的太阳光均用于光热转换，收集的热量被工质带走。对于用热参数较高的需求用户而言，常规的分光光伏光热一体化装置只能输出常压热水，而不能输出带压的热水/蒸汽，不能满足其使用需求，本实用新型提出了一种能够输出带压热水/蒸汽的波长选择性光伏光热一体化利用装置，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4示出了一种波长选择性光伏光热一体化利用装置的结构原理图，所述装置包括波长选择吸热部分11和光伏吸收部分14，其特征在于，所述光伏吸收部分14布置于所述波长选择吸热部分11的后方，入射太阳光先透过所述波长选择吸热部分11后再到达所述光伏吸收部分14，在获得高温热量的同时，又可以避免所述光伏吸收部分的温度过高，使所述光伏吸收部分长时间保持较高的发电效能。所述光伏吸收部分14包括光伏电池片13以及布置于所述光伏电池片背部的集热或散热组件15，所述集热或散热组件15用于吸收所述光伏电池13片进行光伏发电时产生的热量，提高所述光伏电池13的发电效能。所述波长选择吸热部分11为透光吸热中空结构，内部填充透光吸传热工质17；所述透光吸热中空结构为双层或多层平面中空吸热结构或管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列。所述透光吸传热工质14和/或所述透光吸热中空结构，用于选择性透过可被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围的光线，以及选择性吸收太阳光线中未被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的光线并将其转换为热能；所述透光吸传热工质17通过流动循环将所述透光吸热中空结构和/或所述透光吸传热工质17转换的热能带走并加以利用。

需要说明的是，能够起到上述分光作用的所述波长选择吸热部分11和所述光伏吸收部分14的结构均落入本实用新型的保护范围内。

具体实施时，所述透光吸热中空结构采用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的有色透光材料，用于吸收波长短于可被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量，例如波长小于500nm的那部分光线(主要是紫外线及少量可见光)，将光能转换为热能，优选地，所述透光吸热中空结构为有机透光材质(例如PC材质)或普通玻璃材质或高硼硅玻璃材质或石英玻璃材质，光透过率高；所述透光吸传热工质17颜色为浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色，用于吸收所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围之外的光线，例如波长小于500nm以及波长大于1100nm的那部分光线(主要是红外线和紫外线)，将太阳光转换为热能。优选地，所述透光吸传热工质为水或水溶液或导热油，流动性好，不易凝固，成本低廉。

需要注意的是，所述入射太阳光为普通照射的太阳光线或经过汇聚后的浓缩太阳光线，也就是说入射太阳光可能来自于太阳，也可能来自于聚光反射装置，优选采用接收一定倍率汇聚太阳光线的方案，以提升效率降低成本。

实施例一的工作原理如下：

入射太阳光首先到达所述波长选择吸热部分11，经过波长选择分光，所述太阳光中不被光伏吸收部分吸收或有效吸收的部分被所述波长选择吸热部分11吸收，优选地，所述透光吸热中空结构为高硼硅或石英玻璃材质的管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列12，优选地，选用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的高硼硅玻璃管或石英玻璃管作为透光吸热中空结构，简单可靠成本低，实用性优势明显，材料性质稳定耐高温并且强度高，控制一定的管壁厚度，可将承压能力范围控制在从0.2MPa至5MPa之间，甚至更高；优选地，所述承压能力在3MPa以上，例如承压5MPa，因此，可以控制所述透光吸传热工质17(例如水)在集热过程中不发生相变，从而得到100℃至250℃甚至更高的热源参数，以适应更加广泛的应用范围；同时，所述透光吸热中空结构采用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的有色透光材料，用于吸收波长短于可被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量，将光能转换为热能；所述透光吸传热工质17为水，易获取，流动性好，成本低廉，同时对波长1000nm以上光线(主要是红外线)具有很好的吸收能力。所述透光吸热中空结构吸收波长短于可被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围(500nm以下，主要是紫外线及少量可见光)的太阳光能量，将太阳能转换为热能；所述透光吸传热工质17用于吸收波长大于可被所述光伏吸收部分14有效吸收或高效吸收的波长范围(1100nm以上，主要是红外线)的太阳光能量，将太阳光转换为热能。

进一步优选地，所述透光吸热中空结构为无色高硼硅或石英玻璃材质的管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列12，简单可靠成本低，实用性优势明显，该类产品已经大规模产业化生产，供应链稳定可靠；此处所述透光吸热中空结构仅起到透过入射太阳光的作用；所述透光吸传热工质17为浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色导热油，用于吸收所述光伏吸收部分吸收或有效吸收的波长范围之外的光线(500nm以下以及1100nm以上)，将太阳光转换为热能进行再利用。

图3为波长选择性光伏光热一体化利用装置对太阳光的透过率曲线，该装置采用充满水的黄色玻璃管作为波长选择吸热部分，根据曲线可以得知，在波长500nm以下(主要是紫外线和可见光)以及1100nm以上(主要是红外线)的太阳光透过率较差，吸收较好，黄色玻璃管吸收波长在500nm以下的太阳光，水吸收波长大于1100nm的太阳光；波长在500nm-1100nm之间的太阳光，透过率较好，这部分太阳光到达所述光伏吸收部分，用于光伏电池发电，光伏电池表面的温度会有所下降，如此，能够将太阳光分为三部分(500nm以下，500nm-1100nm，1100nm以上)进行高效利用。

透过所述波长选择吸热部分11的太阳光到达所述光伏吸收部分14；所述光伏吸收部分包括光伏电池片13以及布置于所述光伏电池片背部的集热或散热组件15，所述集热或散热通道用于吸收所述光伏电池片13进行光伏发电时产生的热量，提高所述光伏电池的发电效能。优选额度，所述集热或散热组件15由圆形管道阵列组成，所述圆形管道阵列并联。优选地，所述光伏电池片13为单晶硅光伏电池片，发电效率更高，对500-1100nm波长范围的光响应更加敏感。

优选地，所述集热或散热通道15可与所述波长选择吸热部分11串联，即所述集热或散热通道内的工质与所述透光吸传热工质17相同，所述工质先流经所述集热或散热通道，再到所述波长选择吸热部分11。

需要指出的是，所述波长选择性光伏光热一体化利用装置还包括用于封装所述波长选择吸热部分和光伏吸收部分的透明玻璃管壳16，对所述波长选择吸热部分和光伏吸收部分14起到一定的保护作用，防灰尘、风沙，耐腐蚀，延长装置的使用寿命。

通过合理规划配置，控制优化所述波长选择性光伏光热一体化利用装置的发电量与输出热量的比例，可以使本实施例所述的装置更加符合实际用户需求。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％可转换为热能，光热转换效率为0.65，即100·0.8·0.75*0.65＝39，根据上述计算结果可知，本实施例中光伏的发电量与输出的热量之比约为1:3。由于本实用新型可输出高品质的热水/蒸汽，因此可采用高品质的热水/蒸汽进行热机发电，假定热机效率为11％-16％(低参数热机的转换效率较低)，热发电量为：39*(0.11-0.16)＝4.3-6.2，则本实用新型所提供的波长选择性光伏光热一体化利用装置可以输出光伏发电量和光热发电量的比值范围为2:1至3:1，这与与我国电网负荷的需求特点是匹配的，因此具有很高的应用推广价值。

实施例二

图5示出了另一种波长选择性光伏光热一体化利用装置的结构原理图，实施例一与实施例二的工作原理是相同的，不同的是实施例二中的一体化利用装置中采用的所述波长选择吸热部分为所述双层平面中空吸热结构18，控制所述双层平面中空吸热结构18的壁厚，可使所述双层平面中空吸热结构18能够耐压3MPa以上，例如耐压5MPa，由于所述双层平面中空吸热结构18能够承压，因此，可以控制所述透光吸传热工质17(例如水)在集热过程中不发生相变，最终可输出高达250℃的高压热水，达到高品质用热用户的需求。由于实施例二中波长选择性光伏光热一体化利用装置的其他部件与实施例一是相同的，此处不再一一赘述。

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 (15)

1.一种波长选择性光伏光热一体化利用装置，包括波长选择吸热部分和光伏吸收部分，其特征在于，所述光伏吸收部分布置于所述波长选择吸热部分的后方，入射太阳光先透过所述波长选择吸热部分后再到达所述光伏吸收部分；

所述波长选择吸热部分为透光吸热中空结构，内部填充透光吸传热工质；所述透光吸传热工质和/或所述透光吸热中空结构，用于选择性透过可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的光线，选择性吸收太阳光线中不被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的光线并将其转换为热能；

所述透光吸传热工质通过流动循环将所述透光吸热中空结构和/或所述透光吸传热工质转换的热能带走。

2.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构用于吸收波长短于可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量。

3.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸传热工质用于吸收波长大于可被所述光伏吸收部分有效吸收或高效吸收的波长范围的太阳光能量。

4.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述入射太阳光线为普通照射的太阳光线或经过汇聚后的浓缩太阳光线。

5.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构为双层或多层平面中空吸热结构或管状中空吸热结构或多个管状中空吸热结构阵列。

6.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构为有机透光材质或普通玻璃材质或高硼硅玻璃材质或石英玻璃材质。

7.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构采用浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色的有色透光材料。

8.根据权利要求7所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构为高硼硅或石英玻璃材质的管状中空吸热结构或管状中空吸热结构阵列。

9.根据权利要求3所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸传热工质为水或水溶液或导热油。

10.根据权利要求9所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸传热工质颜色为浅黄色或黄色或深黄色或浅棕色或棕色颜色。

11.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述光伏吸收部分包括光伏电池片以及布置于所述光伏电池片背部的集热或散热组件。

12.根据权利要求11所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述光伏电池片为单晶硅光伏电池片。

13.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构可承压0.2MPa以上。

14.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，所述透光吸热中空结构可承压3MPa以上。

15.根据权利要求1所述的波长选择性光伏光热一体化利用装置，其特征在于，还包括用于封装所述波长选择吸热部分和光伏吸收部分的透明玻璃管壳。

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