CN103574924A - 聚光型复合太阳能光伏光热联合收集转化器 - Google Patents

Abstract

一种聚光型复合太阳能光伏光热联合收集和转化装置包含一个封闭式聚光器和一个真空管复合光伏光热转化接收器用于同时产生电能和热能。封闭结构使得聚光器可以由轻薄的材料制造并且免除支撑和紧固构件但依然保持足够的机械强度以抵抗风载。此种结构使得聚光器可以大幅度地降低其成本和重量。此种结构可以相对于开放式聚光器提高光学效率，并且对反光表面提供自然保护。此种结构可防止复合光伏光热转化器受到沾染。其中的真空管复合光伏光热联合转化器不仅可大幅度提高系统的太阳能转化效率并且能够输出高温热能。此项特性使得太阳能采暖，制冷，以及热发电成为经济可行。另外，真空管接收器隔绝了太阳能吸收器和聚光器器壁间的热量交换。

Description

聚光型复合太阳能光伏光热联合收集转化器

技术领域

本发明涉及一种太阳能收集转化器，具体地来说是有关一种封闭式结构聚光型复合太阳能光热和光电联合收集转化装置的。

背景技术

制约太阳能技术发展的三大因素是高成本，低效率，和间断性。为使太阳能技术获得广泛的应用和发展，太阳能技术必须大幅度降低成本，从根本上提高效率，并且彻底解决间断性的问题。造成太阳能技术高成本和低效率的根本原因在于太阳能资源的特性和太阳能转化技术的特性。太阳辐射是一种稀疏的光能，照射到地球表面的平均太阳能辐射能流密度只有大约800W/m²。现有常规技术采用大面积收集器直接收集转化太阳能的方式利用太阳能，对于有限的能流密度，需要大表面积的收集装置来满足使用要求。由于现有的收集转化装置例如平板光伏都十分昂贵，因而造成太阳能系统成本高居不下。另外，由于太阳辐射是波段很宽的复色光，其光子能量分布在从0.5到4.0电子伏特的广阔范围内，而用于转化太阳能的半导体禁带宽度是固定的。在光子激发光生电子对以及其后的电子及空穴的输运过程中，太阳辐射能量的绝大部分都转化为热能，只有很少一部分转化为电能，从而造成转化效率低下。太阳辐射随天气的变化和昼夜的轮替造成太阳能系统的间断性和不稳定性。解决太阳能系统高成本的一个有效途径是采用聚光器对太阳光进行汇聚浓缩从而大大缩小太阳能转化装置的面积。提高效率的一种有效措施是采用电热联产的方式同时产生热能和电能。通常的平板型太阳能电热联产系统因其产生的热能温度太低因而用途有限。聚光型复合太阳能电热联产系统不仅可大幅度降低太阳能系统的成本，极大地提高太阳能系统的效率，而且可以产生高温热源，从而为克服太阳能系统的间断性创造条件。

聚光型复合太阳能电热联产系统高效低成本的关键在于电热联产组件的结构和器件。电热联产组件主要由太阳光聚光器和接收器构成。低成本高性能的太阳光聚光器是大幅度降低成本的关键要素。然而现行的太阳能聚光器都是相对比较昂贵的。总体来说，有两种太阳光聚光器，一种是基于折射原理的菲涅耳透镜，另一种是基于反射原理的抛物面反射镜。大多数大规模聚光太阳能系统都采用反射式聚光器。绝大多数的太阳光聚光器都设计为槽式或碟式凹面镜，而且几乎所有的凹面镜都是开放式的。这些开放式的聚光器都是用硬质材料成形成所需要的几何形状，并且用紧固件进行加固以维持其几何形状不变形。为抵抗风载，用于制作聚光器的硬质材料和紧固件材料都必须具备一定的强度，厚度和一定的质量。因而常规的聚光器都显得笨重和昂贵。例如，用于建造大型太阳能热发电站的槽式聚光器其建造材料玻璃或铝合金，以及钢质紧固结构就占据了40％多的聚光器成本。另外，开放式聚光器其反射表面直接暴露在室外环境中无法避免灰尘和其他污染物的沾染。

聚光型太阳能收集转化装置都需要跟踪太阳，聚光器的重量给太阳能跟踪系统添加了很大的负担。作为复合电热联合转化装置的另一重要部件接收器以及其与聚光器的结合在太阳能电热联合转化系统中亦起着举足轻重的作用。

在常规收集转化装置中，大部分接收器不包含太阳能光伏转化器件。在包含太阳能光伏转化器件的接收器中，其太阳能电热转化器件与聚光器的相互作用没有受到足够的关注。对于开放式系统这种相互作用相对比较弱。

复合电热联合转化装置被广泛证明是行之有效的改善太阳能系统效率的方法。平板联合转化系统的总效率被证明达72％。然而平板系统产生的热量属低温热源，其品质不适合做热发电，制冷和采暖应用。另外平板式系统并没有达到降低系统成本的目的。聚光型复合电热联合转化系统不仅能实现高效率，低成本，并且实现高品质电力转换。但迄今为止还没有一项成功的方式能够把光伏系统整合进入聚光太阳能热利用系统。

发明内容：

本项发明提出一种聚光型太阳能复合电热联合转化装置，其中包括太阳光聚光器和电热联产接收器。本发明中的聚光器采用封闭结构从而避免了使用高强度硬质材料，并且免除了笨重的紧固结构。这种独特的结构使得此种聚光器能够由薄轻的材料制成但依旧保持比较强的机械强度来抵抗风压。此种独特的结构能够实现高效低成本。本发明中的接收器是由真空管，吸收器和太阳电池构成，其中的太阳电池安装在吸收器上，而吸收器是封装在真空管中的。此吸收器由翼片管或者直接由管道构成，管道中泵入传热流体。当汇聚阳光入射在吸收器上时，部分阳光被直接转化为电能，而其余部分被转化为热能。这部分被转化的热能被管道中的传热流体带出。接收器中的真空管道作为光伏组件不仅节省了常规太阳电池的封装材料，而且保证了高温产热。在接收器体系结构中，真空管是安装在聚光器焦线上的。在此体系中，真空管隔离了电热联产接收器和封闭式聚光器，从而消除了封闭式聚光器与高温接收器之间的相互作用。

此聚光型复合太阳能光伏光热联合转化体系不仅有潜力大幅度降低成本，大幅度提高转化效率，而且能够从根本上提高热能输出的品质。低成本高温热源不仅可使经济适用的太阳能采暖和制冷成为可能，而且使低成本太阳能热发电成为可能。与太阳能热储存相结合，将能够有效地消除太阳能系统的间断性。

附图说明：

附图对本项发明的要点进行了解释和说明：

图1是聚光型太阳能光伏光热联合收集转化装置的装配图。此装置包含一个封闭结构聚光器和一个真空管太阳能光伏光热联合转化组件。在此系统中，电热联合转化组件安装在封闭聚光器的焦线上。

图2是图1的截面图。其中封闭式聚光器由上部透明盖层10，下部槽式抛物面15，以及反射表面18构成；电热联合组件安装在底部槽式抛物面的焦线上。

图3是图2一部件的截面放大图。其中真空管太阳能光伏光热组件包含一个真空管20，一个翼片管25用作吸收器，和涂敷在吸收器上的薄膜太阳电池28。

图4是图1沿长度方向的截面图。其中聚光器由两个端头封闭而且光伏光热组件也在两头密封。

图5显示的是常规反射器结构以及入射光和反射光的光路。

图6显示的是我们封闭式聚光器的反射结构和入射及反射光路。

图7是光伏光热联合转化组件另一种实现方式的截面图。其中翼片板为圆管所替代，薄膜太阳电池涂敷在圆管的下半部。此圆管可以是金属，也可以是玻璃，两种圆管都是密封在真空管中的。

具体实施方式：

下面结合附图对本项发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，此聚光型太阳能光伏光热联合转化装置由封闭结构聚光器和接收器组成。在此体系结构中，接收器被整合在封闭结构聚光器中从而防止了任何污染物沾染。聚光器的封闭结构使得它可以由轻薄的材料制备但依然具备一定的机械强度以抵抗风压。此封闭结构免除了常规开放系统笨重昂贵的支撑和紧固材料，因而使得它廉价轻便。

如图2所示，上半部透明盖层10以及下半部槽式抛物面15连接起来构成聚光器的封闭结构。反光层18是制备在槽式抛物面的内表面上的。在装置的装配结构中，接收器是安装在下部槽式抛物面15的焦线上。其中接收器形成一个真空空间把吸收器和其余的聚光器空间隔离开来从而消除吸收器和聚光体的相互作用。

如图3所示，接收器是一个真空管光伏光热组件。此组件由一个翼片管吸收器25，一个真空管20，和薄膜太阳电池28构成。在接收器构造中，制备有薄膜太阳电池的翼片管被密封在真空管中。当聚焦的太阳光穿透真空管入射到薄膜太阳电池，部分光能量被直接转化为电能，其它部分被转化为热能，转化的热能通过翼片管收集并通过传热流体传输而出。此型结构的太阳能光伏光热转化组件不仅确保高转化效率，而且节省薄膜电池的封装材料。此种结构在产生电能和热能的同时还产生高温热能。此种系统在提高效率降低成本的同时将使得太阳能采暖，空调和热发电变得经济和实用。

图4所示是此装置沿长度方向的截面图。此型聚光器可以以两种方式加以封闭。一是模压上下凹形盖层后对接在一起形成封闭结构。另一种是用板材弯成透明盖层和槽型抛物面，二者合成筒型聚光器，然后再用端头对其两端进行封闭。

与常规开放式聚光器相比，封闭结构聚光器将反射表面封闭在聚光器腔体内部。此种结构不仅对反光层提供自然保护，同时减少光学系统的光学损失。如图5所示，在常规开放式聚光器中，反射层35是制备在透明板下层34的。当入射阳光30穿透板层形成光路31然后被反射层35反射形成光路32和返回光路33。这里入射光线在被汇聚到接收器前在透明板层中完成了一个往返行程。如图6所示，在本发明的封闭式结构聚光器中，反光层42是制备在板层43的上表面的，入射阳光40直接被反射形成光路41。考虑额外的透明盖层，封闭式聚光器节省一个行程的光路。

如图7所示，真空管复合太阳能光伏光热转化组件有另一种构成方式，其中翼片管可以由圆管替代。圆管可以是玻璃的也可以是金属的，因而其可以构成全玻璃真空管或者是金属玻璃真空管。

Claims (8)

1.一种太阳能收集转化装置由如下部分构成：一个封闭结构聚光器；一个由真空管，翼片管，以及薄膜太阳电池构成的接收器；接收器安装在聚光器的焦线上；其中，薄膜太阳电池制备在翼片管的下表面上；而整个翼片管是密封在真空管中的；其中，接收器形成一个真空空间，其一方面用于提高热转化效率，另一方面消除接收器与聚光器间的传热。

2.根据权利要求1所述的封闭结构聚光器，其第一种实施例包含一个透明的上罩，一个抛物面聚光槽，以及反射表面；此聚光器由一个凹形透明上罩和一个凹形下抛物面槽连接而成一封闭结构；其中的凹形上罩和凹形下槽均可模压成形为单个整体；封闭的结构使得聚光器可以由轻薄的材料制备但依然保有足够的机械强度来抵抗风载；封闭的结构可以免除开放式结构所需的笨重和昂贵的支撑和紧固材料。

3.根据权利要求2所述的封闭结构聚光器，其反光面是制备在下部凹形抛物面槽的内表面的；入射的太阳光当其穿透上部透明上盖到达下部反射面后，立刻被反射至接收器。

4.根据权利要求1所述的封闭结构聚光器，其第二种实施例包含一个弯曲的上部透明盖罩，一个弯曲的底部抛物面槽，两个端头，和一个反射层；其中上部透明罩盖和下部抛物面槽连接构成一个筒状结构；此筒状结构由两个端头封闭构成一个封闭结构聚光器。

5.根据权利要求4所述的封闭结构聚光器，其反射层是制备在下部抛物面槽的内表面上的；穿透上表面的太阳光将被直接反射到接收器。

6.根据权利要求1所述的太阳能收集转化装置，其接收器的第一个实施例包含一个真空管，一个翼片管，一个薄膜太阳电池；其中薄膜电池是制备在翼片管的下办表面上的；翼片管密封在真空管中。

7.根据权利要求1所述的太阳能收集转化装置，其接收器的第二个实施例包含一个真空管，一个圆管或者方管，一个薄膜太阳电池；其中薄膜电池是制备在圆管或者方管的下办表面上的；圆管或者方管密封在真空管中。

8.根据权利要求7所述的接收器，其中的方管或者圆管可以式玻璃的也可以是金属的，二者皆密封于真空管中。

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