專利名稱：一種太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱電聯(lián)供系統(tǒng)，特別涉及到利用太陽能供電和熱的聯(lián)供系統(tǒng)。
背景技術：
目前，公知的太陽能光伏發(fā)電使用平板式光伏電池，具有接受光照密度低，對太陽光譜的使用范圍有限從而導致整個系統(tǒng)效率低的缺點。同時光伏電池的價格昂貴也制約了平板式光伏發(fā)電站的大規(guī)模推廣使用。在中國專利98117671.2中，公開了一種利用透鏡實現(xiàn)高聚光比太陽光入射降低光伏電池的使用面積，冷卻水冷卻光伏電池提供熱水，從而提高光伏發(fā)電效率，實現(xiàn)熱電聯(lián)供的方法。但是這種方法仍然把所有太陽光都投射到光伏電池上，使低于半導體光伏電池禁帶寬度的光子成為自由載荷。大大高于半導體電池禁帶寬度的光子轉換為熱電子進而轉換為廢熱。對于廢熱再進行冷卻。是一種先造成危害，然后再治理的方法。這也造成了光伏電池的光電轉換效率仍然不夠高，太陽光熱量的利用不充分的缺點。同時使用透鏡作為聚光器，并且不對太陽進行跟蹤，導致其聚光比的提升空間受到很大限制，使其聚光光伏發(fā)電節(jié)約光伏發(fā)電成本，提高光伏電池光電轉換效率的優(yōu)點的發(fā)揮受到限制。

發(fā)明內容
為了克服上述透鏡聚光器成本高，聚光比的提升空間受限制，太陽光光譜能量利用沒有針對性，太陽能利用不充分的缺點，本發(fā)明提出一種利用旋轉拋物面聚光鏡作為一次聚光器，聚光直射高聚光比光伏電池，旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)作為二次反光兼光譜分割系統(tǒng)，分割光譜分別發(fā)電和供熱，對聚光光伏電池采用主動冷卻方式的太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了如下技術方案本發(fā)明主要由支撐架，旋轉拋物面聚光鏡，聚光光伏電池組，旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)和熱管式熱水器組成。旋轉拋物面聚光鏡安裝在支撐架上，旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)的焦點軸與旋轉拋物面聚光鏡的焦點軸重合，安裝在旋轉拋物面聚光鏡的焦點之前，旋轉拋物面聚光鏡的焦點與旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的左焦點重合之處。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的凸面朝向旋轉拋物面聚光鏡的凹面。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的背面平面面積大于旋轉拋物面聚光鏡與焦點形成的圓錐在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)相應安裝位置的橫截面的面積。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的實軸長度(雙曲面左右焦點之間的距離)應該大于旋轉拋物面聚光鏡的焦距。聚光光伏電池組的中心線與旋轉拋物面聚光鏡的焦點軸重合，安裝在旋轉拋物面聚光鏡和旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)之間的任意位置上，靠近旋轉拋物面聚光鏡的位置較好。聚光光伏電池組的迎光面面積的大小應該大于其相應安裝位置上由旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的凸面反射回來的光的焦面面積的大小。熱管式熱水器則安裝在旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)的焦點上。旋轉拋物面聚光鏡對太陽光進行雙軸跟蹤，聚集的太陽光被反射到旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)上，經(jīng)過旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的光譜分割以后，一部分高于光伏電池禁帶寬度的太陽光被反射到聚光光伏電池組上，進行發(fā)電，另一部分低于光伏電池禁帶寬度的太陽光投射到熱管式熱水器上，供應熱水或者蒸汽。
本發(fā)明具有以下特點1、采用旋轉拋物面聚光鏡為一次聚光鏡，該鏡面采用雙軸驅動跟蹤太陽的方式；2、采用旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)由旋轉雙曲面鏡面基體，光譜選擇性涂層和減反射涂層組成。旋轉雙曲面的基體的凸面涂有光譜選擇性涂層，背面平面涂有減反射涂層；3、采用了聚光光伏電池組，它以回形水管冷卻，冷卻管和光伏電池組一起封裝在殼體里面，形成整體封裝結構，聚光光伏電池組安裝在旋轉拋物面聚光鏡和旋轉雙曲面光譜分割系統(tǒng)中間，其中心線與旋轉拋物面聚光鏡和旋轉雙曲面光譜分割系統(tǒng)的焦點軸重合；4、采用了熱管式熱水器，它以熱管換熱器作為熱管式熱水器的主體，換熱流體從熱管換熱器中交換熱量，熱水器置于旋轉雙曲面的焦點處；本發(fā)明的有益效果是使用雙軸跟蹤的旋轉拋物面聚光鏡作為一次聚光系統(tǒng)大大提高了聚光比和跟蹤精度，太陽光譜在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)中被分割，使高于光伏電池禁帶寬度的光子發(fā)電，而低于禁帶寬度的光子用來供熱，大大提高了太陽能利用效率，對光伏電池板的主動冷卻既有利于提高光伏電池的光電轉換效率，又可以產(chǎn)生熱，使太陽能利用效率進一步提高。


圖1所示太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，圖中1支撐架，2聚光光伏電池組，3旋轉拋物面聚光鏡，4旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)，5熱管式熱水器。
圖2所示為旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)主視圖(a)和A-A剖面圖(b)，圖中7旋轉雙曲面鏡面基體，6光譜選擇性涂層，8減反射涂層；
圖3所示為聚光光伏電池組結構圖的主視圖(a)和B-B剖面圖(b)，圖中9箱體，10玻璃，11高頻光選擇性吸收涂層，12聚光光伏電池，13冷卻管道，14保溫層，15冷卻管基材，16冷卻管入口流入，17冷卻管出口。
圖4所示為熱管式熱水器結構圖，圖中18熱管式熱水器殼體，19熱管式熱水器5的出水口，10玻璃，20低頻光選擇性吸收涂層，21熱管換熱器，22熱管式熱水器5的進水口。
圖5為雙軸驅動跟蹤示意圖。23，29高度角圓環(huán)旋轉軸，24高度角驅動單元，25方位角圓環(huán)，26平臺，27方位角圓環(huán)驅動單元，28中心軸，30高度角圓環(huán)。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1所示太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。本發(fā)明主要由1支撐架，旋轉拋物面聚光鏡3，聚光光伏電池組2，旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4和熱管式熱水器5組成。旋轉拋物面聚光鏡3安裝在支撐架1上，旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)4的焦點軸與旋轉拋物面聚光鏡3的焦點軸重合，安裝在旋轉拋物面聚光鏡3的焦點之前，旋轉拋物面聚光鏡3的焦點與旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的左焦點重合的地方。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的凸面朝向旋轉拋物面聚光鏡3的凹面。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的背面平面面積的大小應該大于旋轉拋物面聚光鏡3與焦點形成的圓錐在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4相應安裝位置的橫截面的面積。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的實軸長度(雙曲面左右焦點之間的距離)應該大于旋轉拋物面聚光鏡3的焦距。這樣可以防止反射回來的會聚的高頻光在旋轉拋物面聚光鏡3的中心點之前聚焦。聚光光伏電池組2的中心線與旋轉拋物面聚光鏡3的焦點軸重合，安裝在旋轉拋物面聚光鏡3和旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)4之間的任意位置上，靠近旋轉拋物面聚光鏡3的位置較好。聚光光伏電池組2的迎光面面積的大小應該大于其相應安裝位置上由旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的凸面反射回來的光的焦面面積的大小。這樣可以保證反射回來的高頻光完全被聚光光伏電池組2組接收。熱管式熱水器5則安裝在旋轉雙曲面光譜分割控制系統(tǒng)4的焦點上。旋轉拋物面聚光鏡3對太陽光進行雙軸跟蹤，聚集的太陽光被反射到旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4上，經(jīng)過旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的光譜分割以后，一部分高于光伏電池禁帶寬度的太陽光被反射到聚光光伏電池組2上，進行發(fā)電，另一部分低于光伏電池禁帶寬度的太陽光投射到熱管式熱水器5上，供應熱水或者蒸汽。
旋轉拋物面聚光鏡3采用碟式/斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結構和雙軸驅動跟蹤系統(tǒng)。雙軸驅動跟蹤系統(tǒng)如圖5所示。由于太陽運行的軌跡體現(xiàn)為其高度角和方位角的變化規(guī)律，高度角圓環(huán)30在高度角圓環(huán)驅動單元24的作用下繞高度角旋轉軸23，29旋轉，實現(xiàn)對太陽高度角的跟蹤。方位角圓環(huán)25在方位角圓環(huán)驅動單元27的作用下繞中心軸28在平臺26上旋轉實現(xiàn)對太陽方位角的跟蹤。
圖2所示為旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)主視圖(a)和A-A剖面圖(b)。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的焦點軸和左焦點與旋轉拋物面聚光鏡3的焦點軸和焦點重合，旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)由旋轉雙曲面鏡面基體7，光譜選擇性涂層6和減反射涂層8組成。旋轉雙曲面的基體7的凸面涂有光譜選擇性涂層6，背面平面涂有減反射涂層8。如果使用GaSb半導體做成聚光光伏電池12，其禁帶寬度為0.69ev，所以只要波長小于1.8μm的光就可以激發(fā)光伏效應發(fā)電。這樣光譜選擇性涂層6只要具有透過波長大于1.8μm的低頻光，反射波長小于1.8μm的高頻光的特性就可以了。而不同的光學材料對特定波長的光譜有不同的透過率，鍺對于波長大于1.8μm的光可以有很好的透過率，小于這個波長的光則幾乎完全被反射。這樣就可以使用鍺來作為光譜選擇性涂層6的一個實施例。光譜選擇性涂層6的表面應該盡量光滑，以減少散射。太陽光首先照射到光譜選擇性涂層6上，被分割成高于光伏電池半導體禁帶寬度的高能光子和低于禁帶寬度的低能光子，高能光子被反射到光伏電池組2上，低能光子經(jīng)過減反射涂層8聚集到熱管式熱水器5上。配合鍺Ge作為光譜選擇性涂層6的材料，減反射涂層8可采用二氧化錫SnO2，對于波長高于1.8μm有很高的透過率，可以減少低頻光的反射，保證低頻光會聚到旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)的左焦點。
圖3所示為聚光光伏電池組結構圖的主視圖(a)和B-B剖面圖(b)。聚光光伏電池組2位于旋轉拋物面聚光鏡3和旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4中間，中心軸線與旋轉拋物面聚光鏡3的焦點軸重合，整個聚光光伏電池組2為一個封裝在箱體9里面的整體的封裝結構，頂部是玻璃10，玻璃的下面涂有高頻光選擇性吸收涂層11，聚光光伏電池12安裝在冷卻管基材15上，光伏電池12下部被保溫層14覆蓋，上下兩塊冷卻管基材15的凹陷形成冷卻管道13。這樣一方面可以增強對聚光光伏電池12的冷卻，減低了聚光光伏電池12的溫度，提高光伏轉換效率；另一方面可以對冷卻吸收來的熱量進行保溫較少熱損失，提高熱利用效率。經(jīng)過旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4分割的高能光子投射過來，經(jīng)過玻璃10和高頻光選擇性吸收涂層11以后，照射到聚光光伏電池12上，并發(fā)生光電轉化完成發(fā)電過程，同時在這個過程中由于一些光子沒有發(fā)電而產(chǎn)生熱量，這些熱量經(jīng)過聚光光伏電池12下面的導熱良好的冷卻管基材15將熱量傳導下來，然后由冷卻管入口16流入，冷卻管出口17流出的冷卻流體將熱量帶走，底部的保溫層14可以減少冷卻流體的熱損失，這樣即冷卻了光伏電池又提供了熱量，聚光光伏電池組內為真空，以減少光和熱損失。配合GaSb作為聚光光伏電12、鍺作為光譜選擇性涂層6的材料，可以使用Ge/Si/AI組合材料作為高頻光選擇性吸收涂層11的材料，它對波長低于1.8μm的光有非常高的吸收率和非常低的發(fā)射率，可以保證高于聚光光伏電池12禁帶寬度的高頻光被有效吸收。
圖4所示為熱管式熱水器。熱管換熱器21是熱管式熱水器5的主要部件，上面被涂有低頻光選擇性吸收涂層20的玻璃10覆蓋，22和19分別為熱管式熱水器5的進水口和出水口，開在熱管式熱水器殼體18上，經(jīng)過旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)分割的低能光子投射穿過玻璃10，經(jīng)過低頻光選擇性吸收涂層20，落到熱管換熱器21上，熱量被其吸收，冷水由進水口22進入，吸收熱量以后從出水口19流出。配合鍺作為光譜選擇性涂層6的材料，可以選用AI-N-AI作為低頻光選擇性吸收涂層20的一個實施例，它對波長高于1.8μm的低頻光有非常高的吸收率和很低的發(fā)射率，可以有效吸收低于聚光光伏電池12禁帶寬度的低頻光，減少低頻光的散失。
本發(fā)明的工作原理和工作過程，旋轉拋物面聚光鏡3跟蹤太陽的運動，收集太陽直射光，收集的太陽光在向焦點會聚的過程中照射到旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4上，在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4前面的光譜選擇性涂層6的作用下被分割成高頻光子和低頻光子。高頻光子被反射到聚光光伏電池組2上，透過玻璃10和高頻選擇性吸收涂層11投射到聚光光伏電池12上，在光伏效應的作用下發(fā)電。沒有發(fā)電的高頻光子轉換熱能，被聚光光伏電池組2的冷卻管道13吸收供應熱能。而分割出來的低頻光子，則在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)4的基體7的作用下透過減反射涂層8會聚的虛焦點。位于虛焦點處的熱管式熱水器收集低頻光子將其轉換成熱能。
權利要求
1.一種太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，主要包括旋轉拋物面聚光鏡[3]，支撐架[1]，其特征在于還包括旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]，聚光光伏電池組[2]，熱管式熱水器[5]；旋轉拋物面聚光鏡[3]安裝在支撐架[1]上；旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的焦點軸與旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦點軸重合，旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的左焦點與旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦點重合；安裝在旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦點之前，旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦點與旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的左焦點重合之處；旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的凸面朝向旋轉拋物面聚光鏡[3]的凹面；旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的背面平面面積大于旋轉拋物面聚光鏡[3]與焦點形成的圓錐在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]相應安裝位置的橫截面的面積；旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的實軸長度大于旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦距；聚光光伏電池組[2]的中心線與旋轉拋物面聚光鏡[3]的焦點軸重合，安裝在旋轉拋物面聚光鏡[3]和旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]之間的任意位置上；聚光光伏電池組[2]的迎光面面積大于其相應安裝位置上由旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的凸面反射回來的光的焦面面積的大小；熱管式熱水器[5]安裝在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的焦點上。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]由旋轉雙曲面鏡面基體[7]，光譜選擇性涂層[6]和減反射涂層[8]組成；旋轉雙曲面的基體[7]的凸面涂有光譜選擇性涂層[6]，背面平面涂有減反射涂層[8]。
3.根據(jù)權利要求1所述的太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的聚光光伏電池組[2]為一個封裝在箱體[9]里面的整體的封裝結構，頂部是玻璃[10]，玻璃[10]下面涂有高頻光選擇性吸收涂層[11]，聚光光伏電池[12]安裝在冷卻管基材[15]上，光伏電池[12]下部被保溫層[14]覆蓋，上下兩塊冷卻管基材[15]的凹陷形成冷卻管道[13]。
4.根據(jù)權利要求書1所述的太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的熱管式熱水器[5]中的熱管換熱器[21]上面覆蓋涂有減低頻光反射涂層[20]的玻璃[10]。
全文摘要
一種太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)。包括旋轉拋物面碟式聚光鏡[3]、旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]、聚光光伏電池組[2]、熱管式熱水器[5]。旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)[4]的旋轉雙曲面的基體[7]的凸面涂有光譜選擇性涂層[6]，背面平面涂有減反射涂層[8]。聚光光伏電池組[2]以回形水管冷卻，冷卻管和光伏電池組一起封裝在殼體里面，形成整體封裝結構，頂部的玻璃[10]下面涂有高頻光選擇性吸收涂層[11]。熱管式熱水器[5]以熱管換熱器[21]作為熱管式熱水器的主體，熱管換熱器[21]上面被涂有低頻光選擇性吸收涂層[20]的玻璃[10]覆蓋。本發(fā)明使太陽光譜在旋轉雙曲面光譜控制系統(tǒng)中被分割，高于光伏電池禁帶寬度的光子發(fā)電，而低于禁帶寬度的光子用來供熱，大大提高了太陽能利用效率。
文檔編號F24J2/38GK1773190SQ200410009780
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權日2004年11月12日
發(fā)明者李鑫, 李安定, 鄭飛, 李斌, 臧春城 申請人:中國科學院電工研究所