一种可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置及方法与流程

本发明涉及一种太阳能利用装置，具体涉及一种可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置及方法。

背景技术：

传统化石能源的大量使用，不仅造成了化石能源本身的短缺，也给世界环境带来了极大的危害，给人类生存空间造成了严重威胁。太阳能作为可再生清洁能源蕴藏着巨大的能量，被普遍认为是理想的新能源。太阳能热电联产技术是将太阳能集热器和光伏组件相结合，可以将太阳能同时转换成电能和热能，从而提高太阳能的综合利用效率。

采用聚光技术可以提高太阳能的能流密度，用相对便宜的聚光模块代替价格相对昂贵的太阳能电池板，从而减小用地面积，降低系统成本。采用光谱分频技术可避免太阳能热电联产系统中光伏、光热利用的热耦合。将可高效光伏转换谱段的太阳辐射分配给太阳电池，进行光伏发电；将无法进行光伏转换以及转换效率较低谱段的太阳辐射分配给太阳能集热器，进行光热转换，从而可以获得更高的有效能效率。基于以上考虑，聚光技术和光谱分频技术目前已经广泛应用于太阳能热电联产系统的设计和优化。

将太阳能热电联产系统应用于分布式能源供应，可以同时为用户供电和供暖/热水。在供暖季，用户的热负荷量增加，需要热电联产系统提供更多的热能；而在非供暖季，用户的热负荷量减少，需要热电联产系统提供更多的电能。但是，当入射的太阳辐射量不变时，目前的热电联产系统输出的电/热能一般为定值。因此，考虑到用户热负荷量随季节的波动性，如何动态调控热电联产系统产电量和产热量的比例就成为目前需要解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置及方法。本发明实现太阳能热电联产装置产电量和产热量的智能调节，从而大幅度提高太阳能的综合利用效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置，包括线性菲涅耳反射镜阵列，线性菲涅耳反射镜阵列的上方设置有能够动态调控的转轴，转轴的周向上设置有一对固态分频器件和一对全反射器件，转轴的上方设置有内置集热工质的真空管集热器，真空管集热器的上方设置有二次反射器件，转轴的两侧分别设置有一个混合式接收器，混合式接收器的腔体内部设置有太阳能电池，太阳能电池的内侧设置有玻璃挡板，太阳能电池的外侧设置有冷却系统。

进一步地，线性菲涅耳反射镜阵列由10块平面反射镜组成，且10块平面反射镜成扇形对称置于转轴的下侧。

进一步地，太阳能电池采用聚光单晶硅太阳能电池；玻璃挡板采用低铁钢化白玻璃；二次反射器件采用曲面反射镜。

进一步地，固态分频器件通过等离子增强化学气相沉积方法制备。

进一步地，真空管集热器内通有水/乙二醇混合集热工质。

一种采用上述装置的可动态调控的太阳能聚光分频热电联产方法，通过转动转轴以及调节转轴上的固态分频器件和全反射器件叶片的空间位置，使得固态分频器件正常工作，全反射器件不工作，此时聚光分频热电联产装置工作于热电联产模式；

通过转动转轴以及调节转轴上的固态分频器件和全反射器件叶片的空间位置，使得全反射器件正常工作，固态分频器件不工作，此时聚光分频热电联产装置工作于光伏发电模式；

通过转动转轴以及调节转轴上的固态分频器件和全反射器件叶片的空间位置，使得固态分频器件和全反射器件均不工作，此时聚光分频热电联产装置工作于聚光集热模式。

进一步地，当聚光分频热电联产装置工作于热电联产模式时，入射太阳辐射经过线性菲涅耳反射镜阵列汇聚后投射到固态分频器件上，固态分频器件将波长为0.7～1.1μm的聚焦太阳辐射反射到混合式接收器上，将其余波长的太阳光透射到真空管集热器上，投射到混合式接收器上的聚焦太阳辐射透过玻璃挡板照射到太阳能电池上，从而将太阳能转换成电能，同时冷却系统对太阳能电池进行冷却，投射到真空管集热器上的聚焦太阳辐射加热真空管集热器内部的循环集热工质，从而将太阳能转换成热能。

进一步地，当聚光分频热电联产装置工作于光伏发电模式时，入射太阳辐射经过线性菲涅耳反射镜阵列汇聚后投射到全反射器件上，全反射器件将全部波长的聚焦太阳辐射反射到混合式接收器上，投射到混合式接收器上的聚焦太阳辐射透过玻璃挡板照射到太阳能电池上，从而将太阳能转换成电能，同时冷却系统对太阳能电池进行冷却。

进一步地，当聚光分频热电联产装置工作于聚光集热模式时，入射太阳辐射经过线性菲涅耳反射镜阵列汇聚后直接投射到真空管集热器上，部分漏过的太阳光经过二次反射器件的反射后投射到真空管集热器上，投射到真空管集热器上的聚焦太阳辐射加热真空管集热器内部的循环集热工质，从而将太阳能转换成热能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明为目前普遍应用的太阳能热电联产技术提供了一种动态调控产电量和产热量比例的解决方案，提出的聚光分频热电联产装置可根据实际需求运行于热电联产、光伏发电和聚光集热三种不同的工作模式，以实现太阳能经济、高效地转换利用。该装置可应用于分布式能源供应系统，满足用户的供暖/热水需求，还能为用户提供部分电能。在供暖季，用户的热负荷增加，系统主要工作于聚光集热模式；在非供暖季，用户的热负荷减小，系统主要工作于热电联产和光伏发电模式，通过转轴的转动以及调节固态分频器件和全反射器件叶片的空间位置，从而实现三种不同工作模式的智能切换，具有简单方便、适应性强等优点，本发明采用线性菲涅耳反射镜阵列作为聚光器，各反射镜分别将入射到镜面的太阳光线反射至接收器，并在接收器表面均匀叠加，从而获得能流密度均匀的焦斑，具有结构简单、设计方便、灵活性高等优点，本发明采用固态分频器件对入射的太阳辐射进行智能分频。将高效光伏转换谱段的太阳辐射投射到混合式接收器，主要进行光伏发电；将无法进行光伏转换以及转换效率较低谱段的太阳辐射投射到真空管集热器，主要进行光热转换。从而避免了光伏、光热利用的热耦合，有利于获得更高的有效能效率，本发明采用了二次反射器件，将未能投射到真空管集热器上的太阳辐射经过反射重新投射到真空管集热器表面，减小了能量损失，提高了太阳能的利用率。

本发明方法通过转轴的转动以及调节固态分频器件和全反射器件叶片的空间位置，从而实现三种不同工作模式的智能切换，当固态分频器件正常工作，全反射器件不工作时，聚光分频热电联产装置工作于热电联产模式；当全反射器件正常工作，固态分频器件不工作时，聚光分频热电联产装置工作于光伏发电模式；当固态分频器件和全反射器件均不工作时，聚光分频热电联产装置工作于聚光集热模式，能够实现太阳能热电联产装置产电量和产热量的智能调节，从而大幅度提高太阳能的综合利用效率。

附图说明

图1为可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置的结构示意图；

图2为三种不同工作模式下固态分频器件和全反射器件空间位置的示意图，其中(a)为热电联产模式；(b)为光伏发电模式；(c)为聚光集热模式。

其中，1是入射太阳辐射，2是聚焦太阳辐射，3是线性菲涅耳反射镜阵列，4是固态分频器件，5是全反射器件，6是转轴，7是真空管集热器，8是二次反射器件，9是混合式接收器，10是玻璃挡板，11是太阳能电池，12是冷却系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1和图2，一种可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置，包括线性菲涅耳反射镜阵列3，设置在线性菲涅耳反射镜阵列3上方的可动态调控的转轴6，设置在转轴6周向上的一对固态分频器件4和一对全反射器件5，设置在转轴6上方的真空管集热器7，设置在真空管集热器7上方的环形二次反射器件8，设置在转轴6两侧的混合式接收器9，设置在混合式接收器9腔体内部的聚光单晶硅太阳能电池11，设置在聚光单晶硅太阳能电池上方的玻璃挡板10，设置在聚光单晶硅太阳能电池背面的冷却系统12，入射太阳辐1经过线性菲涅耳反射镜阵列3汇聚后投射到不同的接收器上，通过转轴6的转动可以动态调节固态分频器件4和全反射器件5的空间位置，使太阳能热电联产装置运行于热电联产、光伏发电和聚光集热三种不同的工作模式，混合式接收器9可以将汇聚后的太阳辐射同时转换成电能和热能输出。汇聚后的太阳辐射通过玻璃挡板10后照射到聚光单晶硅太阳能电池上，通过光伏效应转换成电能。冷却系统12对聚光单晶硅太阳能电池进行高效冷却，同时加热其中的循环集热工质从而输出热能，真空管集热器7可以将汇聚后的太阳辐射转换成热能输出。

当固态分频器件4正常工作，全反射器件5不工作时，聚光分频热电联产装置工作于热电联产模式。此时，汇聚后的聚焦太阳辐射2投射到固态分频器件4上，固态分频器件4将波长为0.7～1.1μm的聚焦太阳光反射到混合式接收器9上，将其余波长的太阳光透射到真空管集热器7上。

当全反射器件5正常工作，固态分频器件4不工作时，聚光分频热电联产装置工作于光伏发电模式。此时，汇聚后的聚焦太阳辐射2投射到全反射器件5上，全反射器件5将全部波长的聚焦太阳光反射到混合式接收器8上。

当固态分频器件4和全反射器件5均不工作时，聚光分频热电联产装置工作于聚光集热模式。此时，汇聚后的聚焦太阳辐射2直接投射到真空管集热器7上，部分漏过的太阳光经过二次反射器件8的反射后投射到真空管集热器7上。

下面结合实施例对本发明做详细描述：

本发明提出的可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置，其结构如图1所示，包括线性菲涅耳反射镜阵列3、固态分频器件4、全反射器件5、转轴6、真空管集热器7和混合式接收器9。其具体是：一对固态分频器件4和一对全反射器件5安装在转轴6上，固态分频器件4和全反射器件5的空间位置可以通过转轴6的转动来调节。真空管集热器7设置在转轴6的正上方，管内通有循环集热工质，真空管集热器7上方周向上安装有二次反射器件8。两个混合式接收器9分别对称设置在转轴6的两侧，混合式接收器9包括玻璃挡板10、聚光单晶硅太阳能电池11和冷却系统12。玻璃挡板10和冷却系统12分别设置在聚光单晶硅太阳能电池11的前后两侧。

上述可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置，三种不同工作模式下固态分频器件和全反射器件的空间位置如图2所示。通过转动转轴6使固态分频器件4位于转轴6的上方，且两个叶片对称分布于两侧，全反射器件5位于转轴6的下方，同时绕转轴6转动全反射器件5使其两个叶片合拢，此时固态分频器件4正常工作，全反射器件5不工作，太阳能聚光分频热电联产装置运行于热电联产模式(图2的(a))；通过转动转轴6使全反射器件5位于转轴6的上方，且两个叶片对称分布于两侧，固态分频器件4位于转轴6的下方，同时绕转轴6转动固态分频器件4使其两个叶片合拢，此时全反射器件5正常工作，固态分频器件4不工作，太阳能聚光分频热电联产装置运行于光伏发电模式(图2的(b))；通过绕转轴6转动固态分频器件4和全反射器件5使其叶片均合拢，此时固态分频器件4和全反射器件5均不工作，太阳能聚光分频热电联产装置运行于聚光集热模式(图2的(c))。

线性菲涅耳反射镜阵列3由10块平面反射镜组成，如图1所示。10块平面反射镜成扇形对称置于转轴6的两侧。采用二维(双轴)跟踪方式对日跟踪，将每块反射镜面置于双轴太阳能跟踪器上，每日准确跟踪太阳，保证入射太阳辐射1时刻垂直于镶嵌玻璃镜条的平面框架，从而形成能流密度均匀的焦斑。

固态分频器件4由等离子增强化学气相沉积方法制备，sinx和sio2分别作为高折射率和低折射率材料，在硼硅酸盐玻璃基底上、下表面进行多层化学沉积。固态分频器件4将波长为0.7～1.1μm的聚焦太阳光反射到混合式接收器9上，将其余波长的太阳光透射到真空管集热器7上，从而实现对太阳光谱的智能分频。

太阳能电池11采用聚光单晶硅太阳能电池；玻璃挡板10采用透光率高的低铁钢化白玻璃，其主要功能有两个：一是透过聚焦太阳辐射2，使其投射到聚光单晶硅太阳能电池11上，二是保护聚光单晶硅太阳能电池11，使其不受风霜雨雪和沙砾冰雹等外部环境的冲击；冷却系统管道内通有循环冷却工质，对聚光单晶硅太阳能电池11进行冷却，既能降低太阳能电池的工作温度，又能实现太阳能电池板工作废热的回收利用。

真空管集热器7内通有水/乙二醇混合集热工质，其冰点较低能够在寒冷的环境下工作；二次反射器件8采用曲面反射镜，将未能投射到真空管集热器7上的太阳辐射经过反射重新投射到真空管集热器7表面。

本发明提出的可动态调控的太阳能聚光分频热电联产装置的工作原理是：

通过转轴6的转动以及调节固态分频器件4和全反射器件5叶片的空间位置，当固态分频器件4正常工作，全反射器件5不工作时，聚光分频热电联产装置工作于热电联产模式。此时，汇聚后太阳辐射投射到固态分频器件4上，固态分频器件4将波长为0.7～1.1μm的聚焦太阳光反射到混合式接收器9上，将其余波长的太阳光透射到真空管集热器7上，从而将太阳能同时转换成电能和热能。

通过转轴6的转动以及调节固态分频器件4和全反射器件5叶片的空间位置，当全反射器件5正常工作，固态分频器件4不工作时，聚光分频热电联产装置工作于光伏发电模式。此时，汇聚后太阳辐射投射到全反射器件5上，全反射器件将全部波长的聚焦太阳光反射到混合式接收器9上，从而将太阳能主要转换成电能。

通过转轴6的转动以及调节固态分频器件4和全反射器件5叶片的空间位置，当固态分频器件4和全反射器件5均不工作时，聚光分频热电联产装置工作于聚光集热模式。此时，汇聚后的太阳辐射直接投射到真空管集热器9上，部分漏过的太阳光经过二次反射器件8的反射后投射到真空管集热器7上，从而将太阳能主要转换成热能。

综上所述，本发明通过线性菲涅耳反射镜阵列3对入射太阳辐射1进行汇聚，从而获得能流密度均匀的焦斑；通过固态分频器件4对汇聚后的太阳辐射2进行智能分频，从而避免了光伏、光热转换的热耦合；通过转轴6的转动以及调节固态分频器件4和全反射器件5叶片的空间位置切换热电联产装置的工作模式，从而动态调控产电量和产热量的比例。