CN215420199U - 一种线性光伏光热一体化接收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，包括玻璃外管、线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，所述玻璃外管用于封装支撑所述线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，所述线性分光集热装置和所述线性条状光伏接收装置沿光线入射方向前后布置；所述线性分光集热装置将入射光线进行波长分光，将一部分波段的光线能量吸收转化为热量由传热流体带走，另一部分波段的光线透过所述分光集热装置后入射至所述线性条状光伏接收装置进行光伏发电。该接收器结构简单可靠，可实现低成本波长分光高效利用，如进一步对所述热量进行储存后发电利用，可以满足夜间的电力调度要求，实用价值较高。

Description

一种线性光伏光热一体化接收器

技术领域

本实用新型涉及一种线性接收器，尤其涉及一种线性光伏光热一体化接收器。

背景技术

众所周知，太阳能光伏发电特别是广泛使用的硅光伏电池发电只能利用部分波段的太阳光能量，如果采取设置分光装置，选择部分高效率波段的太阳光能量进行高效光伏发电，将剩余波段的太阳光能量进行集热吸收，再利用这部分热量进行热机发电，例如进行ORC或者汽轮机发电，则可实现对太阳光的综合高效利用。

光伏发电目前的成本还较高，其中核心部件光伏电池的成本占较大比例，如果能够采用一定倍率的聚光结构，则能大幅度减少光伏电池的使用量，进而降低光伏发电的成本。

太阳能热发电分为槽式、塔式、菲涅尔式和碟式四种技术路线，其中槽式和菲涅尔式都属于线性聚光方式，最早商业化应用的是槽式光热技术，而线性接收器作为线性聚光集热系统中的主要部件，承担着光转化为热的重担，也是直接影响太阳能热利用整体效率和成本的关键因素。

目前的槽式和菲涅尔式技术普遍采用的是真空管式太阳能接收器，但是存在明显的缺点，玻璃真空管在内外温差较大时容易破裂，而由于玻璃真空管的成本较高，因此，更换玻璃真空管的成本使光热电站的运行成本升高。一般情况下，为了提升光热电站的发电效能，槽式和菲涅尔式集热系统的运行温度较高，一般都在350℃以上甚至更高，如此高的运行温度也相应带来了运营管理的难度以及运营成本的增加，如果能够有一种能够实现中温高效发电的低成本线性聚光接收器，则能够解决上述问题。

为了解决目前线性聚光光热接收系统中存在的成本高、玻璃真空管易破裂以及高温运行不太可靠等问题，需要找到一种低成本、安全可靠、中低温运行的接收器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于寻找一种中温高效发电的低成本光伏光热一体化线性(聚光)接收器，通过分光装置将太阳光进行高效利用，在光伏发电的同时，还可输出中温热流体，用于汽轮机或ORC发电，解决目前线性聚光接收器存在的问题，可大规模应用于线性聚光接收器的改造或新建线性聚光发电系统。

本实用新型提供了一种线性光伏光热一体化接收器，特别是线性聚光光伏光热一体化接收器，包括玻璃外管、线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，所述玻璃外管用于封装支撑所述线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，利用所述玻璃外管材质稳定、强度高、成本低的优势，可简化系统设计降低造价；所述线性分光集热装置和所述线性条状光伏接收装置沿光线入射方向前后布置；所述线性分光集热装置包括一个或若干串联布置的线性分光集热装置单元，所述线性分光集热装置单元包括中空透明管结构和所述中空透明结构中的传热流体。即相邻所述线性分光集热装置单元输出的传热流体采取串联布置方式。

进一步的，所述线性分光集热装置将入射光线进行波长分光，将一部分波段的光线能量吸收转化为热量由传热流体带走，另一部分波段的光线透过所述分光集热装置后入射至所述线性条状光伏接收装置进行光伏发电，所述传热流体和所述线性条状光伏接收装置所发电力由所述玻璃外管端部输出。

进一步地，所述中空透明结构内壁或外壁布置有紫外或近紫外吸收涂层。所述紫外或近紫外吸收涂层一般为黄色，用于吸收光伏发电转换效能较低的短波波段的太阳光能量。

优选地，所述入射光线为经过线性聚光器汇聚后的太阳光线。所述线性聚光器为线性菲涅尔聚光器或槽式聚光器，用于将太阳光进行汇聚。

进一步地，所述线性分光集热装置布置于所述线性聚光器的光线汇聚处，用于将部分波段的入射光线能量进行吸收，转换为热量进行利用，其余波段光线透过后，照射到所述线性条状光伏装置进行光伏发电。

进一步地，所述相邻线性分光集热装置并联布置，所述相邻线性条状光伏接收装置并联布置。即多个线性聚光集热发电回路输出的传热流体采取并联的连接方式，所述多个线性条状光伏接收装置输出的电力经并联后汇出。

进一步地，所述中空透明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，其中所述有机透光材质优选为例如聚碳酸酯(PC)材质，透光率高。

进一步地，所述传热流体为水或水溶液或导热油或熔融盐，可根据项目情况进行选择使用。

优选地，所述中空透明结构为透明圆管，易加工，具有较高的承压能力。

进一步地，所中空透明结构可承压2MPa以上，以满足所述传热流体的工作压力要求。

进一步地，所述线性条状光伏接收装置包括一个或若干串联布置的线性条状光伏接收单元，所述线性条状光伏接收单元包括光伏电池片以及布置在所述光伏电池片背部的冷却结构。即相邻所述线性条状光伏接收单元输出的电采取串联布置方式。所述冷却结构可以控制所述光伏电池片温度不致过高，以保证电池片可靠性及使用寿命，并达到较好的光伏转换效率，同时将所收集的热量进行输出利用。

优选地，所述线性条状光伏接收单元还包括二次反射装置，以扩大接收宽度增加光学容差角度。

优选地，所述光伏电池片为双面光伏电池片，可以接收所述二次反射装置反射的太阳光，扩大接收范围，降低聚光精度要求，进而降低设备成本。

优选地，所述光伏电池片为硅光伏电池片。

进一步优选地，所述光伏电池片为单晶硅光伏电池片。在500-1000nm波段有较高的吸收转换效率，同时成本较低，且产能充足。进一步地，所述光伏电池片后部设置冷却结构，控制所述光伏电池片温度不致过高，以保证电池片可靠性及使用寿命，并达到较好的光伏转换效率。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的线性光伏光热一体化接收器，采用分光集热装置将线性汇聚的太阳光部分波段进行吸收集热，输出中温(100-250℃)热流体，直接或经过储热后再将热量取出，推动ORC发电机组或者汽轮发电机组进行热发电；透过波段的太阳光到达线性条状光伏接收装置进行高效光伏转换发电。该方式能够对太阳光进行综合高效利用，总发电量超过单纯的光伏发电系统或光热发电系统，并且具备较高比例的储能调节能力，可满足一定的电网调度需求，综合成本低于其他清洁能源储能电站方式(例如光伏或风电加电池的储能电站、纯光热电站等等)，并且安全可靠性更高。同时解决了目前线性聚光集热系统高温运行导致的设备成本和运行成本高、安全性差的问题，可广泛用于新建或改建的线性聚光集热发电和/或热利用系统。

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及应用方法。

图1示出了单晶硅类光伏电池在不同波长范围内的效能曲线；

图2示出了1mm厚水层的吸收率曲线；

图3出了一种线性光伏光热一体化接收器的结构原理图；

图4示出了另一种线性光伏光热一体化接收器的结构原理图。

图5示出了再一种线性光伏光热一体化接收器的结构原理图。

图6示出了太阳光汇聚到线性聚光光伏光热一体化接收器的原理图

图中，1为玻璃外管；2为线性分光集热装置；3为线性条状光伏接收装置；4为二次反射装置；5为冷却结构，6为紫外或近紫外吸收涂层，7为传热流体，8为中空透明结构，9为光伏电池片，10为线性聚光器。

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。

一般情况下，地面太阳光的波长范围及能量分布大致为：5％紫外光(300-400nm)，43％可见光(400-700nm)，52％近红外光(700-2500nm)。

目前市面上的光伏电池多为晶硅光伏电池，如图1所示，单晶硅光伏电池在波长500-1100nm波长范围内的光电转换效能较高，其他波段太阳光的光谱能量基本无法转化为电能，因此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电池，这样可以将太阳光进行波长分光高效利用。

很多液体都对波长超过1100nm的光能量有良好的吸收，例如水、水溶液、导热油及熔融盐等，其中，1mm水层的吸收透过率曲线如图2所示，对1100nm以下波长范围的光透过，基本不吸收或吸收率很低，而对大于1100nm波段的光吸收较好，正好匹配晶硅电池的吸收波段。

有一些材料对紫外及近紫外波段(例如300-500nm)有良好的吸收，而对其它波段特别是500-1100nm波段的光呈现较好的透过或低吸收，例如一些紫外吸收剂、紫外吸收涂料、淡黄色、浅棕色、黄色、棕色染料或涂料等等。根据上述信息，采用合适的分光结构对光线进行选择性吸收及透过，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。

实施例一

图3示出了一种线性光伏光热一体化装置的结构原理图，所述装置包括玻璃外管1、线性分光集热装置2和线性条状光伏接收装置3，所述玻璃外管1用于封装所述线性分光集热装置2和线性条状光伏接收装置3，起到支撑、防尘等作用，利用所述玻璃外管1材质稳定、强度高、成本低的优势，可简化系统设计降低造价，后续维护成本低；所述线性分光集热装置2和所述线性条状光伏接收装置3沿太阳光入射方向依次布置；

所述线性分光集热装置2包括一个或若干串联布置的线性分光集热装置单元，所述线性分光集热装置单元包括中空透明结构8和充满于所述中空透明结构8中的传热流体7。即相邻所述线性分光集热装置单元输出的传热流体7采取串联布置方式。所述线性分光集热装置单元用于吸收波长小于500nm以及波长大于1100nm的那部分光线(主要是紫外或近紫外线以及红外线能量)，将这部分太阳能转换为热能通过所述传热流体将热量带走。所述中空透明结构8用于吸收波长小于500nm的紫外或近紫外光。优选地，所述中空透明结构8内壁或外壁布置有紫外或近紫外吸收涂层6，能够将紫外或近紫外波段的能量转换为热量，进一步传递给传热流体。所述紫外或近紫外吸收涂层6一般为黄色涂层，用于吸收光伏发电效能较低波段的太阳光(波长小于500nm)；或者，所述中空透明结构8颜色优选为浅黄色或深黄色或棕色，也可以很好地实现紫外或近紫外光的吸收。所述中空透明结构8为透明圆管，易加工，且具有较高的承压能力。所述中空透明结构8为有机透光材质(例如聚碳酸酯pc材料)或普通玻璃材质或高硼硅玻璃材质或石英玻璃材质，透光性好，且有较好的支撑抗压强度。所述中空透明结构8颜色为无色或浅黄色或深黄色或棕色。优选地，所述中空透明结构8可承压2MPa以上，以满足所述传热流体7的工作压力要求。通常情况，所述中空透明结构8壁厚可以大于等于直径的10％。例如所述中空透明结构8直径为50mm，管壁厚5mm，即可在留有充足安全裕量的情况下，可靠工作在2MPa左右的压力，输出带压的传热流体，根据需要通过调整所述中空透明结构的壁厚，甚至可使其承压能力达到3MPa、5MPa或者更高，以满足更宽的应用范围。所述传热流体7为水或水溶液或导热油或熔融盐，可根据项目情况进行选择使用，这些传热流体7在500-1100nm波段透明或吸收率较低，但对超过1100nm的波段吸收转换为热量的性能良好。有些时候，如果传热流体7自身本色或通过添加染色物质后的颜色为浅黄、黄色、浅棕、棕色等颜色，这些传热流体7也会对小于500nm的短波紫外或近紫外波段能量有较好的吸收并转换为热量的作用，从而起到很好的波长分光效果。输出的传热流体7可以直接进行热利用或者推动ORC发电机组或汽轮发电机组发电。当传热流体7为水时，输出的热水/蒸汽可以直接进入汽轮发电机组发电，也可以选择先进行存储，在需要时取出热流体进入ORC发电机组或汽轮发电机组发电。当传热流体7为水溶液或导热油或熔融盐时，集热后的传热流体7可以换热推动ORC发电机组或汽轮发电机组发电，也可以选择先进行存储，在需要时换热取出热流体推动ORC发电机组或汽轮发电机组发电。即所述线性分光集热装置2将入射太阳光线进行分光，并且将分离出的太阳光转化为热量由传热流体7带走，推动ORC发电机组或汽轮发电机组发电；透过的太阳光入射至所述线性条状光伏接收装置3进行光伏发电，所述传热流体7和线性条状光伏接收装置3所发电力由所述玻璃外管端部输出。

所述线性条状光伏接收装置3包括一个或若干串联布置的线性条状光伏接收单元，所述线性条状光伏接收单元包括光伏电池片9以及布置在所述光伏电池片背部的冷却结构5。即相邻所述线性条状光伏接收单元输出的电采取串联连接方式。在本实施例中所述光伏电池片9为呈倒V型或平板型的光伏电池片结构，图3中的光伏电池片9呈倒V型，图4中的光伏电池片9呈平板型，布置所述光伏电池片9后，所述线性聚光光伏光热一体化接收器接收光线的范围较广，所需的聚光精度低，进而设备工艺简单，成本低。所述光伏电池片9为硅光伏电池片，优选地，所述光伏电池片9为单晶硅光伏电池片，在500-1000nm波段有较高的吸收转换效率，同时成本较低，且产能充足。优选地，所述冷却结构5内部填充有与所述中空透明结构8中相同的传热流体7，所述传热流体7将所述光伏电池片9发电所产生的热量进行收集后带走，可以控制所述光伏电池片温度不致过高，以保证所述光伏电池片的可靠性及耐候性，提高使用寿命，并达到较好的光伏转换效率，同时将所收集的热量进行输出利用。优选地，所述冷却结构5与所述线性分光集热装置2串联或并联布置，以获得更高的传热流体7温度。

图6示出了太阳光汇聚到线性聚光光伏光热一体化接收器的原理图，如图6所示，所述入射太阳光线为经过线性聚光器10汇聚后的浓缩太阳光线。所述线性分光集热装置2用于将部分入射太阳光进行吸收利用，其余光线透过所述线性条状光伏装置3进行光伏发电。所述线性聚光器10为线性菲涅尔聚光器或槽式聚光器，用于将太阳光进行汇聚，图6中示出的线性聚光器10为槽式聚光器。所述相邻线性分光集热装置2并联布置，所述相邻线性条状光伏装置3并联布置。即多个线性聚光集热发电回路输出的传热流体7采取并联的连接方式，所述多个线性条状光伏接收装置3输出的电力经并联后汇出。

实施例一的工作原理如下：

太阳光照射到所述线性聚光器上，所述线性聚光器为线性菲涅尔聚光器或槽式聚光器，所述线性聚光器将太阳光反射至所述线性光伏光热一体化接收器，所述线性光伏光热一体化接收器布置于所述线性聚光器的光线汇聚处，同理，所述线性分光集热装置2布置于所述线性聚光器的光线汇聚处。反射后的太阳光照射到所述线性分光集热装置2上，所述线性分光集热装置2将太阳光进行分光，500nm以下波段的太阳光(紫外或近紫外)被所述中空透明结构8上的紫外或近紫外吸收涂层6进行吸收，转化为热能后通过充满于所述中空透明结构8内的传热流体7带走；1100nm以上波段的太阳光被所述传热流体7吸收转换为热量带走，输出的传热流体7可直接或间接应用于热应用领域，或者用于ORC发电机组或汽轮机发电机组发电；输出的传热流体7可以先进行热量存储，在有需求时，换热取出热流体进行热利用，尤其是应用于ORC发电机组或汽轮机发电机组发电；500nm至1100nm波段的太阳光被所述线性分光集热装置2透过到达所述光伏电池片9进行光伏发电。所述线性聚光集热装置2中的若干所述线性聚光集热单元输出的传热流体经过串联后，再与相邻所述线性聚光集热装置进行并联后汇出进行热利用，热利用形式包括直接用热或热发电；所述线性条状光伏接收装置3的若干所述线性条状光伏接收单元输出的电力经过串联后，再与相邻所述线性条状光伏接收装置3进行并联后汇出，汇出的电可以进行自用或直接并网。

需要注意的是，当所述传热流体7为浅黄、黄色、浅棕、棕色时，所述传热流体7可以吸收500nm以下以及1100nm以上波段的太阳光，此时不需要在所述透明管8上布置紫外或近紫外吸收涂层6。

实施例二

图5出了再一种线性光伏光热一体化装置的结构原理图，实施例二与实施例一的结构基本相同，不同点在于，实施例二中的线性光伏光热一体化装置中还包括二次反射装置4，所述光伏电池片9为平板型，优选地，所述光伏电池片9为双面光伏电池片。所述双面光伏电池片可以接收所述二次反射装置4反射的太阳光，扩大接收范围，降低聚光精度要求，进而降低设备成本。即透过所述线性聚光集热装置2的太阳光一部分直接入射到所述双面光伏电池片9上，另一部分经过所述二次反射装置4反射后入射至所述光伏电池片9上，进一步扩大了所述线性聚光光伏光热一体化装置接收太阳光的角度范围，因此降低了聚光精度的要求，降低了设备成本。

需要说明的是，如图1所示，由于硅光伏电池的波长与转换率曲线通常在900nm附近达到峰值，而在较短波长部分表现出的效率不高，因此可以通过选择不同的分光集热装置2将光热与光伏利用的短波分界点选在具体哪个波长点，实际应用时可以根据情况进行灵活调整。例如如果需要光伏部分多一些，则可以将短波分界点选在400或450nm处，此时转换为热量的短波波段能量少一些(总热量也相应少一些)而光伏转换的能量多一些；如果需要的光热部分多一些，则可以将短波分界点选在600甚至700nm处(已经进入到可见光波段了)，这时短波热量以及总热量会有提升(意味着可储存的能量多一些)，但光伏转换能量相对就要少一些。因此，本实用新型中所述的各波长分界点并非特定不变的，根据实际情况通过选择不同的分光集热装置2对所述波长分界点进行调整的各类情况均落入本实用新型的保护范围内。

值得注意的是，所述线性光伏光热一体化接收器直接接收太阳光进行工作也是可行的，同样落入本实用新型的保护范围内。

具体实施时，本实用新型所保护的线性光伏光热一体化接收器可以用于新建的线性光伏光热一体化系统，也可以用于现有的线性集热发电系统或线性集热热利用系统。当用于线性聚光集热发电系统时，例如槽式光热电站，本实用新型保护的线性光伏光热一体化接收器可以替换现有的真空管式接收器，替换后无需进行过多的改造，直接利用原镜场控制系统进行聚光集热，输出的中温传热流体进入原有储热系统进行储热，夜间或有需要时取出热量，推动新建ORC电机组或改造的汽轮发电机组进行发电，储热发电可根据电网调度要求调节输出，此处的汽轮发电机组可在原有槽式光热电站的高参数汽轮发电机组的基础上进行简单改造获得，例如对汽轮机叶片进行调整。光伏所发出的电力可以直接实时并网。上述改造后的槽式光伏光热一体化光热电站热力所发出的电量与光伏发出的电量合计要比原有槽式光热电站设计电量更多20％-30％，特别是其中25％-35％甚至更多的电量为可储存调度的光热发电量，可满足一定的电网调度需求，总造价低于光伏加电池储能的电站。不仅解决了现有线性聚光光热电站中高温运行的安全、高成本等问题，而且结构简单，同样可以满足夜间的电力调度，太阳光利用效率更高，且大幅降低运行维护成本，提高安全可靠程度。

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 (13)

1.一种线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，包括玻璃外管、线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，所述玻璃外管用于封装支撑所述线性分光集热装置和线性条状光伏接收装置，所述线性分光集热装置和所述线性条状光伏接收装置沿光线入射方向前后布置，所述线性分光集热装置包括一个或若干串联布置的线性分光集热装置单元，所述线性分光集热单元包括中空透明结构和所述中空透明结构中的传热流体；

所述线性分光集热装置将入射光线进行波长分光，将一部分波段的光线能量吸收转化为热量由传热流体带走，另一部分波段的光线透过所述分光集热装置后入射至所述线性条状光伏接收装置进行光伏发电，所述传热流体和所述线性条状光伏接收装置所发电力由所述玻璃外管端部输出。

2.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述中空透明结构内壁或外壁布置有紫外或近紫外吸收涂层。

3.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述入射光线为经过线性聚光器汇聚后的太阳光线，所述线性聚光器为线性菲涅尔聚光器或槽式聚光器。

4.根据权利要求3所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述线性分光集热装置布置于所述线性聚光器的光线汇聚处。

5.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述相邻线性分光集热装置并联布置，所述相邻线性条状光伏接收装置并联布置。

6.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述中空透明结构材质为有机透光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所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述传热流体为水或水溶液或导热油或熔融盐。

8.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述中空透明结构为透明圆管。

9.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述中空透明结构可承压2MPa以上。

10.根据权利要求1所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述线性条状光伏接收装置包括一个或若干串联布置的线性条状光伏接收单元，所述线性条状光伏接收单元包括光伏电池片以及布置在所述光伏电池片背部的冷却结构。

11.根据权利要求10所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述线性条状光伏接收单元还包括二次反射装置。

12.根据权利要求10所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述光伏电池片为双面光伏电池片。

13.根据权利要求12所述的线性光伏光热一体化接收器，其特征在于，所述光伏电池片为硅光伏电池片。

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