一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置及使用方法

摘要

一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置及使用方法，包括聚光光伏光热单元阵列、跟踪单元、电回收单元、热回收单元以及控制与监测单元；平行于单次反射复合抛物面聚光器的轴线的太阳直射光通过单次反射复合抛物面聚光器进行单次反射后，自上而下依次经过超白玻璃盖板与上层EVA，汇聚到晶体硅光伏电池，晶体硅光伏电池产生电能和热能，电能通过电缆并经过光伏逆变器调制后，并入电网或者离网使用或者储存，热能被流经散热方管的流体吸收并导出存储或使用。本发明采用单次反射复合抛物面聚光器比传统复合抛物面聚光器以及传统截短复合抛物面聚光器更短，成本更低，可产生高品位电能的同时，又能提供热能，性价比高。

说明书

技术领域

本发明属于聚光光伏光热综合利用研究领域，涉及一种利用复合抛物面聚光器聚光的聚 光热电联产装置，具体涉及一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置及使用方法。

背景技术

对于光伏光热综合利用的聚光器，目前主要采取槽式、碟式、球面聚光以及菲涅尔聚光 技术，这些聚光技术都不能利用太阳散射光；对于槽式、碟式以及球面聚光器，由于他们的 聚焦面在反射镜面上侧，安装在焦平面处的光伏电池组件或集热器将遮挡部分入射太阳光， 从而减小太阳能的利用率，另外，光伏电池组件或集热器悬空在反射镜面上侧，冷却系统安 装不方便，聚光光伏光热系统整体结构的刚性不够，抗风能力差。传统的复合抛物面聚光器 虽然能够解决上述槽式、蝶式、球面聚光以及菲涅尔聚光等聚光器的相关问题，但传统的复 合抛物面聚光器本身也存在一些问题，比如，太阳光在传统复合抛物面聚光器反射镜体上存 在多次反射的情况；传统复合抛物面聚光器抛物面反射镜体用料相对过多，尤其是随着几何 聚光比的增加反射镜体用量急剧增加；将光伏电池组件或集热器安装在聚光光斑并不均匀的 出光口处导致热电输出性能降低等问题；另外，针对传统复合抛物面聚光器反射镜体用料相 对过多的情况，采用了截除传统复合抛物面聚光器1/3～1/2高度的传统截短法，虽然传统截短 法减少了复合抛物面聚光器抛物面反射镜体的用料，但是传统截短法是在设计要求几何聚光 比的传统复合抛物面聚光器的基础上进行截短，这导致了设计要求几何聚光比的减小，因此 降低了截短后复合抛物面聚光器的聚光效率，况且传统截短法并未消除反射镜体上的多次反 射情况；传统截短法获得的复合抛物面聚光器仍存在将光伏电池组件或集热器安装在聚光光 斑并不均匀的出光口处进而导致热电输出性能降低的问题。前述问题严重制约并降低复合抛 物面聚光器及相应聚光热电联产装置的性价比，不利于产业化发展。

发明内容

本发明目的在于提供一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置及使用方法， 可产生高品位电能的同时，又能提供热能，性价比高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置，包括聚光光伏光热单元阵列、跟 踪单元、电回收单元、热回收单元以及控制与监测单元；

所述聚光光伏光热单元阵列包括若干聚光光伏光热单元，聚光光伏光热单元包括聚光 器，聚光器为单次反射复合抛物面聚光器，在单次反射复合抛物面聚光器的下方，从上到下 依次设置反光板、超白玻璃盖板、上层EVA、晶体硅光伏电池、中层EVA、TPT、下层EVA、 散热方管以及保温材料；

所述跟踪单元包括光学传感器、角度仪和太阳辐射表；

所述电回收单元包括光伏逆变器以及与光伏逆变器相连的晶体硅光伏电池；

所述热回收单元包括热流体箱和冷流体箱，冷流体箱经变频泵、冷流体管、散热方管、 热流体管、流量计、电动调节阀与热流体箱相连通；

所述控制与监测单元包括用于数据采集与控制信号输出的室外测控模块以及用于数据 显示、分析与储存的室内监控模块，室外测控模块与室内监控模块连接，变频泵、流量计、 电动调节阀、光伏逆变器、光学传感器、角度仪、太阳辐射表均与室外测控模块相连。

所述跟踪单元还包括底座，底座上设置有支架，聚光光伏光热单元阵列、光学传感器、 角度仪和太阳辐射表均设置在支架上。

所述支架为能够调节方向的支架，支架与室外测控模块相连。

所述室外测控模块设置在底座上；晶体硅光伏电池层压到散热方管上方；所述光伏逆变 器通过电缆并入电网，或通过电缆接入离网系统或进行蓄电。

所述冷流体箱与变频泵之间设置有冷流体温度传感器，电动调节阀与热流体箱之间设置 有热流体温度传感器，冷流体温度传感器、热流体温度传感器均与室外测控模块相连。

所述单次反射复合抛物面聚光器的入光孔宽度与出光孔宽度的比值为几何聚光比。

所述单次反射复合抛物面聚光器的最佳聚光面与出光孔的距离为L，L为出光孔宽度与 单次复合抛物面聚光器采光半角正切值的乘积；晶体硅光伏电池的受光面安装在最佳聚光面 上。

所述单次反射复合抛物面聚光器的出光孔下方安装有两个反光板，反光板的反光镜面朝 向单次反射复合抛物面聚光器的轴线，两个反光板的距离等于出光孔宽度，反光板长度等于 最佳聚光面与出光孔之间的距离L。

所述晶体硅光伏电池采用单晶硅光伏电池或者多晶硅光伏电池；所述热回收单元的散热 介质为水或者纳米流体。

一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置的使用方法，平行于单次反射复合 抛物面聚光器的轴线的太阳直射光通过单次反射复合抛物面聚光器进行单次反射后，自上而 下依次经过超白玻璃盖板与上层EVA，汇聚到晶体硅光伏电池，晶体硅光伏电池产生电能和 热能，电能通过电缆并经过光伏逆变器调制后，并入电网或者离网使用或者储存，热能被流 经散热方管的流体吸收并导出存储或使用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用的单次反射复合抛物面聚光器由截除导致产生多次反射的抛物反射镜体形 成，太阳直射光经过单次反射复合抛物面聚光器聚光，只发生单次反射，相对存在多次反射 的传统复合抛物面聚光器以及传统截短复合抛物面聚光器，本发明采用的单次反射复合抛物 面聚光器聚光效率更高。

2、本发明采用单次复合抛物面聚光器的几何聚光比始终满足设计要求的几何聚光比，解 决了传统截短复合抛物面聚光器聚光效率降低的问题。因为传统截短法通过截除设计要求几 何聚光比的传统复合抛物面聚光器1/3～1/2高度获得，这样的传统截短复合抛物面聚光器的几 何聚光比小于设计要求几何聚光比，从而导致传统截短复合抛物面聚光器的聚光效率降低， 随着设计要求几何聚光比的增加，传统截短复合抛物面聚光器的聚光效率降低更大。

3、本发明采用单次反射复合抛物面聚光器比传统复合抛物面聚光器以及传统截短复合抛 物面聚光器更短，成本更低。比如，在设计几何聚光比为2～10范围内，相对传统复合抛物面 聚光器，单次反射复合抛物面聚光器反射镜体可减少41.8％～64.4％的用料；相对传统1/2截 短复合抛物面聚光器，单次反射复合抛物面聚光器反射镜体可减少3.6％～40.8％的用料。因此， 本发明提供的一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置成本更低，性价比高。

4、本发明在单次反射复合抛物面聚光器出光孔下方设置反光板，有利于保证太阳散射光 也汇聚到最佳聚光面；由于制造误差或跟踪误差，使得小部分聚光光斑边缘有可能偏离晶体 硅光伏电池受光面，反光板的设置有利于将偏离部分的聚光光斑反射到晶体硅光伏电池上， 从而提高太阳能利用率。

进一步的，本发明采用传统层压工艺将晶体硅光伏电池层压到散热方管上，在不增加制 造成本的前提下，可以很好的控制并降低晶体硅光伏电池与散热方管之间的热阻进而保证并 提升其总传热系数，电绝缘性好，耐候性好，性价比高。

进一步的，室外测控模块根据跟踪光学传感器提供的模拟信号调整可调支架从而实现聚 光热电联产装置跟踪太阳。

进一步的，本发明将晶体硅光伏电池安装在单次反射复合抛物面聚光器的最佳聚光面， 使得更加均匀的聚光光斑照射到晶体硅光伏电池上，减小了晶体硅光伏内部电阻耗散进而增 加了晶体硅光伏电池产电量，同时，均匀的聚光光斑有利于散热方管与晶体硅光伏电池之间 热阻设计以及整体总传热系数设计，有利于提高散热性能进而获得更多的产热量。因此，相 对于将晶体硅光伏电池设置于聚光器出光孔，本发明将晶体硅光伏电池安装在最佳聚光面， 热电产量更高。

本发明的光热联产装置在使用时，平行于单次反射复合抛物面聚光器的轴线的太阳直射 光通过单次反射复合抛物面聚光器进行单次反射后，自上而下依次经过超白玻璃盖板与上层 EVA，汇聚到晶体硅光伏电池，晶体硅光伏电池产生电能和热能，电能通过电缆并经过光伏 逆变器调制后，并入电网或者离网使用或者储存，热能被流经散热方管的流体吸收并导出存 储或使用，可产生高品位电能的同时，又能提供热能，性价比高。

附图说明

图1为本发明单个聚光光伏光热单元的剖面结构图。

图2为本发明的聚光热电联产装置的总体结构图。

其中：1为导致产生多次反射的抛物面反射镜体，2为单次反射复合抛物面聚光器，3为 反光板，4为太阳直射光，5为轴线，6为入光孔，7为出光孔，8为超白玻璃盖板，9为上层 EVA，10为晶体硅光伏电池，11为中层EVA，12为TPT，13为下层EVA，14为散热方管， 15为保温材料，16为冷流体箱，17为冷流体温度传感器，18为变频泵，19为冷流体管，20 为室外测控模块，21为可调支架，22为底座，23为热流体管，24为流量计，25为电动调节 阀，26为热流体温度传感器，27为热流体箱，28为光伏逆变器，29为电缆，30为光学传感 器，31为角度仪，32为太阳辐射表，33为室内监控模块，34为信号线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明中的纳米流体为二氧化硅纳米流体；本 发明中的保温材料为具有保温功能的材料即可。室内监控模块33为计算机。

参照图1与图2，本发明的一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置，包括 聚光光伏光热单元阵列、跟踪单元、电回收单元、热回收单元以及控制与监测单元，其中， 图2所示聚光光伏光热单元阵列由12个图1所示的单个聚光光热单元排布而成。

所述聚光光伏光热单元阵列包括若干聚光光伏光热单元，聚光光伏光热单元包括聚光 器，聚光器为单次反射复合抛物面聚光器2，单次反射复合抛物面聚光器2由截除导致产生 多次反射的抛物反射镜体1形成；在单次反射复合抛物面聚光器2的下方，从上到下依次设 置反光板3、超白玻璃盖板8、上层EVA9、晶体硅光伏电池10、中层EVA11、TPT12、下层 EVA13、散热方管14以及保温材料15；聚光光伏光热单元阵列的散热方管14可根据实际需 要采用串联、并联以及串并混合联接，聚光光伏光热单元阵列的晶体硅光伏电池10可根据实 际需要采用串联、并联以及串并混合联接。

所述跟踪单元包括底座22，底座上设置有能够调节方向的支架21，聚光光伏光热单元 阵列、光学传感器30、角度仪31和太阳辐射表32均设置在支架21上。

所述电回收单元包括光伏逆变器28和晶体硅光伏电池10，晶体硅光伏电池10层压到散 热方管14上方；晶体硅光伏电池10通过电缆29与光伏逆变器28相连；所述光伏逆变器28 通过电缆29并入电网，或通过电缆29接入离网系统或进行蓄电。

所述热回收单元包括热流体箱27和冷流体箱16，冷流体箱16提供冷流体作为散热介质， 冷流体箱16经冷流体温度传感器17、变频泵18、冷流体管19、散热方管14、热流体管23、 流量计24、电动调节阀25、热流体温度传感器26与热流体箱27相连通；

所述控制与监测单元包括用于数据采集与控制信号输出的室外测控模块20以及用于数 据显示、分析与储存的室内监控模块33，室外测控模块20通过信号线34与室内监控模块33 连接，冷流体温度传感器17、变频泵18、流量计24、电动调节阀25、热流体温度传感器26、 光伏逆变器28、光学传感器30、角度仪31、太阳辐射表32均通过信号线34与室外测控模 块20相连。室外测控模块20设置在底座22上，室外测控模块20与支架21相连，室外测控 模块20根据光学传感器提供的模拟信号调整支架21，跟踪太阳的高度角和方向角，从而实 现聚光热电联产装置跟踪太阳。

所述单次反射复合抛物面聚光器2的入光孔6宽度与出光孔7宽度的比值为符合设计要 求的几何聚光比。

所述单次反射复合抛物面聚光器2的最佳聚光面与出光孔7的距离为L，L为出光孔7 宽度与单次复合抛物面聚光器2采光半角正切值的乘积；晶体硅光伏电池10的受光面安装在 最佳聚光面上。

所述单次反射复合抛物面聚光器2的出光孔7下方安装有两个反光板3，反光板3的反 光镜面朝向单次反射复合抛物面聚光器2的轴线5，反光板3安装在出光孔7的两侧，两侧 的反光板3之间的距离等于出光孔7宽度，反光板3长度等于最佳聚光面与出光孔7之间的 距离L，L为出光孔7宽度与单次复合抛物面聚光器2采光半角正切值的乘积。

所述晶体硅光伏电池10采用单晶硅光伏电池或者多晶硅光伏电池；所述热回收单元的散 热介质为水或者纳米流体。

本发明的使用方法为：平行于单次反射复合抛物面聚光器2的轴线5的太阳直射光4通 过单次反射复合抛物面聚光器2进行单次反射后，自上而下依次经过超白玻璃盖板8与上层 EVA9，汇聚晶到体硅光伏电池10，单次反射复合抛物面聚光器出光孔处布置反光板，晶体 硅光伏电池布置于离单次反射复合抛物面聚光器出光孔距离为L的最佳聚光面上，晶体硅光 伏电池受聚光光斑的照射产生电能和热能，电能通过电缆29并经过光伏逆变器28调制后， 并入电网或者离网使用或者储存，热能被流经散热方管14的流体吸收并导出存储或使用。

本发明的工作过程为：平行于单次反射复合抛物面聚光器2的轴线5的太阳直射光4通 过单次反射复合抛物面聚光器2进行单次反射后，自上而下依次经过超白玻璃盖板8与上层 EVA9(EVA为乙烯-醋酸乙烯共聚物)，到达晶体硅光伏电池10并产生电能和热能，电能通 过电缆29并经过光伏逆变器28调制后，可接入电网，也可以接入离网系统或存储；热能自 上而下依次经过中层EVA11、TPT12(TPT为聚氟乙烯复合膜)、下层EVA13、散热方管14， 由流经散热方管14的流体吸收，流体由冷流体箱16经变频泵18引入冷流体管19，在散热 方管14中吸收热能后，经过热流体管23导入并存储在热流体箱27中；

室外测控模块20通过采集并运算光学传感器30提供的信号，输出控制信号调整可调支 架21，实现太阳直射光4平行于轴线5进入单次反射复合抛物面聚光器2进行聚光，即完成 跟踪太阳，室外测控模块20采集角度仪31测试的可调支架21角度信号，存储在室内监控模 块33的存储器中，同时通过室内监控模块33的显示器实时显示；室外测控模块20通过采集 太阳辐射表32、冷流体温度传感器17、热流体温度传感器26、流量计24、光伏逆变器28信 号，分别获得太阳辐照度、冷流体温度、热流体温度、热流体流量以及输出产电量的数值， 存储在室内监控模块33的存储器中，同时通过室内监控模块33的显示器实时显示，另外， 通过室内监控模块33的运算器，计算出聚光热电联产装置的产热量，光电转换效率、光热转 换效率以及热电总效率，进行储存并实时显示。

通过室内监控模块33设置热流体温度，由室内监控模块33向室外测控模块20发出改变 变频泵18或电动调节阀25工作状态的指令，从而改变流体流量，实现室内监控模块33设置 的热流体温度。

本发明采用单次反射复合抛物面聚光器比传统复合抛物面聚光器以及传统截短复合抛物 面聚光器更短，成本更低。比如，在设计几何聚光比为2～10范围内，相对传统复合抛物面聚 光器，单次反射复合抛物面聚光器反射镜体可减少41.8％～64.4％的用料；相对传统1/2截短 复合抛物面聚光器，单次反射复合抛物面聚光器反射镜体可减少3.6％～40.8％的用料。因此， 本发明提供的一种单次反射复合抛物面聚光器聚光的热电联产装置成本更低。

本发明采用聚光效率更高且用料更少的单次反射复合抛物面聚光器集成热电联产装置， 相对传统复合抛物面聚光器集成热电联产装置，本装置既能更高效利用太阳能，又能大大降 低成本，性价比与产业化前景非常好。