一种太阳能全波谱分频光伏光热发电装置的制作方法

本实用新型涉及太阳能高效利用领域，尤其涉及一种太阳能分频光伏光热发电装置。

背景技术：

基于环境友好性的要求，去煤化进程逐步推进，当今市场急需清洁能源生产的稳定电能和热能，因此太阳能聚光分频光伏光热联产装置可以满足这一需求。

目前，专利申请号为201810955317.9，发明名称为“一种基于分光原理的聚光光伏热电联产装置”的发明专利，公开了一种通过凹透镜将太阳光平行校准，然后利用滤光片将太阳光分为两部分进行利用的光伏热电联产装置，波长大于1200nm的光反射到真空管进行热吸收，小于1200nm的光透过滤光片进行光伏发电，不能被光伏电池进行光电转换的光能转换为热能，被光伏电池背面的低温热吸收管吸收。申请号为“201210224815.9”，发明名称为“一种太阳能聚光分频光伏光热联产装置”的发明专利，公开了一种利用水工质和太阳能分频玻璃共同吸收进红外光转换为热能，剩下的可见光照射到光伏电池上转变为电能和热能的分频光伏光热联产装置，照射到光伏电池上产生的热能传递给水工质带走，以确保光伏电池处于较高效的工作温度。上述两个专利中所述的装置均较为复杂，前者中间有一次反射过程，会有部分能量损失；两者均只把太阳光分为了两部分，分离效率低，照射到光伏电池上的太阳光不能完全高效发电，还会被光伏电池吸收一部分，虽然最终都设置了能够将光伏电池吸收的热量带走的装置，但是也会造成光伏电池发电效率不高的问题，且两种装置均不适宜大规模发展应用。

目前的分频光伏光热联产装置生产的热水温度不会超过80℃，如果想要利用分频光伏光热联产装置产生的热能推动汽轮发电机进行发电，则需要产生一定压力的饱和/过热蒸汽才能实现

太阳能虽然取之不尽，用之不竭，但是太阳能也是一种不稳定的清洁能源，目前还是需要基于稳定能源存在的前提下发展，因此现在急需一种能够充分考虑我国居民用电特性和传统能源电站发电特性的清洁能源发电装置。

因此，寻找一种能够产生高参数蒸汽且符合我国电力国情的太阳能分频光伏光热发电装置迫在眉睫。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高效、成本低廉的太阳能分频光伏光热发电装置，对现有的光伏光热一体化装置进行了优化，将太阳光分频为3个波段，并将每个波段的能量进行了最大限能的充分利用，并且使光伏电池发电量与光热发电量的比例尽可能符合我国电力国情，以便于更大范围地进行推广应用。

本实用新型提供的太阳能全波谱分频光伏光热发电装置，包括分频光伏光热装置、储热装置及热机，其特征在于，所述分频光伏光热装置包括聚光系统、光伏装置和分频器；所述聚光系统为透射聚光镜或反射聚光镜，将太阳光进行中低倍汇聚；所述分频器包括第一透明壳体、第二透明壳体和/或第三透明壳体及第一透明壳体和第二透明壳体环缝空间布置的分频换热介质；

进一步地，所述分频器至少满足所述第一透明壳体为分频透明壳体、所述第二透明壳体为分频透明壳体、所述第三透明壳体为分频透明壳体、所述分频换热介质为双波段吸收换热介质四个条件之一，所述分频透明壳体或所述分频换热介质用于吸收一定波段的太阳光，将太阳光转化为热能，所述分频换热介质将热量吸收带走；

进一步地，所述第一透明壳体套设布置在第二透明壳体外，所述第三透明壳体布置于所述第一透明壳体和第二透明壳体环缝空间内；

进一步地，当所述分频器不包含第三透明壳体时，所述分频器至少满足所述第一透明壳体为分频透明壳体、所述第二透明壳体为分频透明壳体、所述分频换热介质为双波段吸收换热介质三个条件之一。

进一步地，当所述分频器包括第三透明壳体时，所述第三透明壳体为分频透明壳体。

进一步地，所述光伏装置布置于分频器结构内部，分频后到达所述光伏装置的太阳光进行发电。

进一步地，所述分频器布置于所述聚光系统的焦线位置附近，用于将汇聚的太阳光进行分频，然后高效转化为热能或电能。

优选地，所述聚光系统置还包括二次反射镜，所述二次反射镜高于所述透射聚光镜或反射聚光镜的焦线位置布置，将没有入射到分频器内的太阳光再次进行反射至分频器内，增加所述聚光系统的容差角度。

优选地，所述二次反射镜为复合抛物聚光反射镜，能够使入射至所述二次反射镜开口范围内的太阳光全部被利用。

进一步地，所述光伏装置包括光伏电池和位于所述光伏电池背部的换热通道，所述换热通道中充满换热介质，用于吸收光伏电池吸收太阳光产生的热量，维持所述光伏电池的最佳工作温度。

优选地，所述光伏电池呈多边形或圆形布置，以便于更大角度范围接收太阳光。

优选地，所述光伏电池布置在所述换热通道外壁面，结构简化，成本低。

优选地，所述光伏电池为薄膜光伏电池，可以很好地布置在所述换热通道外壁面，工艺简单。

进一步地，所述环缝空间与所述换热通道相连通，即所述环缝空间中的分频换热介质与所述换热通道中的换热介质相连通，以获取更多的热量。

优选的，所述环缝空间与所述换热通道之间布置有换热器，用于所述环缝空间与所述换热通道中的工质不同时，两种工质进行换热时使用。

优选地，所述分频透明壳体为紫外吸收分频玻璃壳体，用于将太阳光中的紫外光转换为热量。

优选地，所述紫外吸收分频玻璃壳体采用硫化镉/硒化镉类着色玻璃或彩色高硼硅玻璃，可以根据光伏电池的材质进行选择和优化。

进一步地，所述紫外吸收分频玻璃壳体吸收的太阳光起始波长为280nm，截止波长范围为450nm～650nm，将其他波段的太阳光高效率透过。

优选地，所述换热介质为导热油或高压水，所述分频换热介质为导热油或高压水或着色水，导热油在加热升温过程中不会发生相变，系统无需承压，高压水价格低廉，环保，所述换热介质用于吸收分频后一定波段的太阳光，着色水性能稳定，能够吸收双波段的太阳光光谱。

优选地，所述导热油为硅油，透过率较高。

进一步地，所述导热油、高压水吸收的波长范围为1100nm～2500nm。

优选的，所述着色水为铬黄类着色水，吸收的波长范围分为两部分，第一部分起始波长为280nm，截止波长范围为450nm～650nm，第二部分波长范围为1100nm～2500nm。

进一步地，第一透明壳体外套设有第四透明壳体，所述第一透明壳体和所述第四透明壳体的环缝空间内为真空状态，起到保温作用，减小散热量。

优选地，所述分频器和所述光伏装置之间为真空状态，减少所述分频器与所述光伏装置的热传递，维持所述光伏装置的高效工作温度。

本实用新型提供的太阳能全波谱分频光伏光热装置较传统的光伏光热一体化装置相比，整体效能得到了优化，将太阳光分为3个波段进行利用，采用分频透明壳体和分频换热介质将太阳光进行了分频处理，仅将对光伏电池发电效能利用率较高波段的太阳光照射到光伏电池上，其余波段的太阳光进被分频换热介质吸收转换为热能，同时，光伏电池背部布置有换热装置，维持光伏电池高效发电的工作温度实现发电效率提升的同时，输出高温的换热介质。本实用新型采用高压水或导热油作为分频换热介质，来源广泛且成本低。本实用新型提供的太阳能全波谱分频光伏光热装置结构简单，材料来源广泛，容易获取，能够高效输出光伏电能和可储存的高温热源，实现连续发电，适合大规模推广应用。

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。

图1示出了不同材料光伏电池的太阳光光电转换效率曲线；

图2示出了3种硫化镉紫外吸收分频玻璃壳体的透过率曲线；

图3示出了4种彩色高硼硅紫外吸收分频玻璃壳体的透过率曲线；

图4示出了1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率曲线；

图5示出了一种分频光伏光热装置的优选结构及光路示意图；

图6示出了另一种分频光伏光热装置的优选结构及光路示意图；

图7示出了一种分频器的优选结构示意图。

图中，1为反射聚光镜，2为二次反射镜，31为第一透明壳体，32为第二透明壳体，33为第三透明壳体，34为第四透明壳体，5为光伏电池，6为分频换热介质，7为换热介质，8为换热通道。

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发明一部分实施例，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。

如图1所示出的是不同材料光伏电池的太阳光光电转换效率响应曲线，曲线a、b和c分别代表c-si，cigs和a-si电池对太阳光的光电转换效率响应曲线，由图1可知，不同材质的光伏电池对太阳光的响应情况不同，以cigs为例，在波长400nm-1100nm范围内，光电转换效率的均值约为75％，在其他波段范围内，光电转换效率低，甚至不响应。

如图2所示出的3种硫化镉紫外吸收分频玻璃壳体的透过率曲线，图中q曲线a、b和c分别代表3种不同的硫化镉紫外吸收分频玻璃对太阳光的透过率，从图2中，可以看出，三种硫化镉紫外吸收分频玻璃具有陡直的紫外吸收特性曲线，并且截止波长可以根据需要进行调整，特别适合进行短波段吸收。以曲线a为例，波长在450nm以下的太阳光均被吸收转换为热量，在波长450nm以上的光纤透过率高达90％，即存在一种玻璃可以吸收紫外光，对非紫外光高透过。从图2可知，紫外吸收分频玻璃壳体的起始透过率拐点是可以根据需求调整硫化镉玻璃的生产工艺获取的。

图3出了4种彩色高硼硅紫外吸收分频玻璃壳体的透过率曲线，曲线ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ代表四种不同程度黄色的高硼硅紫外吸收分频玻璃，从曲线的走势我们可以看出，浅黄色至深黄琥珀色高硼硅玻璃均具有较好的紫外吸收曲线，并且截止波长也能够通过调整高硼玻璃颜色的深浅进行调节，工艺成熟稳定价格低廉，适合大规模产业应用。

图4示出了1毫米厚水层对不同波段光线的吸收率曲线，在波长1100nm以上的波段，水层对光线的吸收率较高，而对于1100nm以下的波段光线吸收较少。使用水作为一种液体分频介质对大于1100nm的波段进行吸收利用，其他波段光谱透过后进行光伏发电，是最佳的选择。

基于上述光伏电池的太阳光效率响应曲线、分频玻璃壳体的透过率曲线以及水的吸收率曲线，本申请提出了一种具有分频高效利用效能的太阳能全波谱分频光伏光热发电装置，可以将太阳光分为3部分，短波段、中波段以及长波段分别进行高效利用,最终输出的光伏发电量与光热发电量的比值符合我国电力市场的实际需求，能够大规模推广应用。

实施例一

太阳能全波谱分频光伏光热发电装置，包括分频光伏光热装置、储热装置及热机，所述分频光伏光热装置将太阳光进行分频利用，输出光伏电能和光热热能，所述光热热能可直接推动所述热机发电，也可以将热量储存在所述储热装置中进行储存，在需要时将热量取出进行发电，所述热机优选为汽轮发电机组或orc发电装置。优选地，所述储热装置为固体储热装置或熔融盐储热装置，用于储存所述分频光伏光热装置产生的热能，所述储热装置的设置，可以实现全天24小时光热发电，解决光伏发电夜间不能出力的问题。

图5示出了一种分频光伏光热装置的优选结构及光路示意图，所述分频光伏光热装置包括聚光系统、光伏装置和分频器；所述分频器包括第一透明壳体31、第二透明壳体32和/或第三透明壳体33及第一透明壳体31和第二透明壳体32环缝空间布置的分频换热介质6，需要说明的是，本实用新型中的透明壳体仅体现圆管状的形式，其他形式的透明壳体也在本实用新型的保护范围内。优选地，所述第一透明壳体31、第二透明壳体32及第三透明壳体33为玻璃材质，透过率高，成本低廉。所述分频器至少满足所述第一透明壳体为分频透明壳体、所述第二透明壳体为分频透明壳体、所述第三透明壳体为分频透明壳体、所述分频换热介质为双波段吸收换热介质四个条件之一，所述分频透明壳体或所述分频换热介质用于吸收一定波段的太阳光，将太阳光转化为热能，所述分频换热介质将热量吸收带走。当所述分频器不包含第三透明壳体时，所述分频器至少满足所述第一透明壳体为分频透明壳体、所述第二透明壳体为分频透明壳体、所述分频换热介质为双波段吸收换热介质三个条件之一。当所述分频器包括第三透明壳体时，所述第三透明壳体为分频透明壳体。所述第一透明壳体31套设布置在第二透明壳体32外，所述第三透明壳体33布置于所述第一透明壳31体和第二透明壳体32环缝空间内。如所述分频器不包括所述第三透明壳体，所述第二透明壳体32为分频透明壳体，由于所述分频透明壳体起到所述分频换热介质6的通道支撑作用，因此分频透明壳体需要有一定的强度，对分频透明壳体的壁厚有一定的要求，但是具有一定壁厚的所述分频透明壳体成本会比较高，优选地，所述第一透明壳体31和第二透明壳体32为普通材质，增加壁厚较薄的所述第三透明壳体33作为分频透明壳体，仅具有分频功能，不起支撑作用和承压作用。所述光伏装置布置于分频器结构内部，分频后到达所述光伏装置的太阳光被所述光伏装置转换为电能。优选地，所述分频器和所述光伏装置之间为真空状态，减少所述分频器与所述光伏装置的热传递，以维持所述光伏装置的高效工作温度。

所述聚光系统优选为透射聚光镜或反射聚光镜，需要说明的时，在本实用新型中所述聚光系统仅体现了反射聚光镜的形式，但是所有能够起到聚光作用的透射反射镜也落入本实用新型的保护范围内。所述分频器布置于所述聚光系统的焦线位置附近，用于将汇聚的太阳光进行分频，然后高效转化为热能或电能。优选地，所述聚光系统还包括二次反射镜2，所述二次反射镜2高于所述反射聚光镜1的焦线位置布置，将没有入射到分频器内的太阳光再次反射至分频器内，增加所述聚光系统的容差角度，降低装置的加工精度要求，降低成本。优选地，所述二次反射镜2为复合抛物聚光反射镜，能够使入射至所述二次反射镜开口范围内的太阳光全部被利用，并使所述分频器表面的受光尽可能均匀。所述光伏装置包括光伏电池5和位于所述光伏电池背部的换热通道8，所述换热通道中充满换热介质，用于吸收光伏电池5吸收太阳光产生的热量，维持所述光伏电池5的最佳工作温度。优选地，所述光伏电池5呈多边形或圆形布置，本实施例中的光伏电池5呈圆形布置，以便于更大角度范围接收太阳光。所述换热通道8为圆形管道，优选为玻璃管，所述光伏电池5布置在所述换热通道外壁面，优选地，所述光伏电池为薄膜光伏电池，优选为铜铟镓硒薄膜光伏电池，可以很好地布置在所述换热通道外壁面，工艺简单，结构简化，成本低，效率高。当所述环缝空间与所述换热通道8相连通时，即所述环缝空间中的分频换热介质6与所述换热通道中的换热介质7相连通，即所述分频换热介质6和换热介质7相同，优选为导热油或高压水，导热油在加热升温过程中不会发生相变，系统无需承压；高压水价格低廉，环保，所述换热介质用于吸收分频后一定波段的太阳光以获取更高温度的换热介质。优选地，所述导热油为硅油，透过率较高，所述导热油、高压水吸收的波长范围为1100nm～2500nm。优选地，所述环缝空间与所述换热通道之间布置有换热器，用于所述环缝空间与所述换热通道中的工质不同时，两种工质进行换热时使用，例如所述环缝空间中的分频换热介质为着色水，所述换热通道中为导热油时，所述导热油吸收所述光伏电池5的热量后温度升高，进入所述换热器中与着色水进行换热，着色水温度升高，然后进入所述环缝空间内吸收双波段的太阳光光谱，温度进一步升高。优选地，所述着色水为铬黄类着色水，吸收的波长范围分为两部分，第一部分起始波长为280nm，截止波长范围为450nm～650nm，第二部分波长范围为1100nm～2500nm。所述铬黄类着色水吸收的第一部分太阳光的截止波长可以根据使用需求调整铬黄类着色水中铬黄类着色剂的用量和种类获得。例如使用用户对于光热发电量要求较多时，应尽可能多地将太阳光转换为热能，减少所述光伏装置的发电量；或者光伏装置光电转换效率曲线中高于75％时对应的波长大于450nm时，例如550nm，所述铬黄类着色水吸收的太阳光的截止波长优选为550nm，即所述第一部分波长范围为280nm～550nm。

所述分频透明壳体优选为紫外吸收分频玻璃壳体33，用于将太阳光中的紫外光转换为热量，优选地，所述紫外吸收分频玻璃壳体采用硫化镉/硒化镉类着色玻璃或彩色高硼硅玻璃，可以根据光伏电池5的材质进行选择和优化。人所述紫外吸收分频玻璃壳体吸收的太阳光起始波长为280nm，截止波长范围为450nm～650nm，将其他波段的太阳光高效率透过。所述紫外吸收分频玻璃壳体吸收的太阳光的截止波长可以根据使用需求调整制作工艺获得，例如，用于对于光热发电量要求较多时，应尽可能多地将太阳光转换为热能，减少所述光伏装置的发电量；或者光伏装置光电转换效率曲线中高于75％时对应的波长大于450nm时，例如550nm，所述紫外吸收分频玻璃壳体吸收的太阳光的截止波长优选为550nm，即所述紫外吸收分频玻璃壳体吸收的太阳光波长范围为280nm～550nm。

实施例一种所述的分频光伏光热装置的工作原理如下：

太阳光照射在所述反射聚光镜1上，一部分被反射至所述分频器上，另一部分反射至所述二次反射镜2上，经所述二次反射镜2再次反射至所述分频器上，太阳光透过所述第一透明壳体31，经所述分频换热介质6，例如高压水，将1100nm-2500nm范围的太阳光进行吸收，其他波段的太阳光进行高效透过，透过的太阳光经过所述第三透明壳体33，即分频透明壳体33，所述分频透明壳体33吸收280nm～(450-650)nm范围内的太阳光，其余波段的太阳光高效透过所述第三透明壳体33和所述第二透明壳体32，照射到所述光伏装置上进行光伏发电。所述分频换热介质6和所述分频透明壳体33吸收的太阳光转换为热量，被所述分频换热介质6带走。所述光伏装置中的换热通道8内的换热介质7吸收所述光伏电池5吸收的热量并将其带走。优选地，所述换热介质7和所述分频换热介质6相同，优选地，所述换热介质7先流经所述换热通道8吸收热量升温，所述换热通道8与所述环缝空间串联，所述换热介质7进入所述环缝空间进一步升温后输出。如图所示，优选地，所述环缝空间被所述分频透明壳体33分为两个通道，两个通道采取串联方式，流经所述两个通道的换热介质流向相反(以﹢﹣予以识别)，以增强换热能力。

实施例二

图6示出了另一种分频光伏光热装置的优选结构及光路示意图，所述分频光伏光热装置包括聚光系统、光伏装置和分频器，其他结构与实施例一类似，区别在于，所述分频器包括第一透明壳体31、第二透明壳体32，例如所述第一透明壳体31为分频透明壳体；所述光伏电池5呈四边形布置，所述光伏电池5背部的换热通道8由多个阵列布置的半圆形或圆形换热通道组成，优选地，所述多个半圆形或圆形换热通道8并联布置，然后再与所述第一透明壳体31和第二透明壳体32形成的环缝空间串联。

本实施例的一种实施方式的工作原理如下：

太阳光照射在所述反射聚光镜1上，一部分被反射至所述分频器上，另一部分反射至所述二次反射镜2上，经所述二次反射镜2再次反射至所述分频器上，照射到所述分频器上的太阳光透过所述第一透明壳体31，所述第一透明壳体31为分频透明壳体，吸收280nm～(450-650)nm范围内的太阳光，其余波段的太阳光透过所述分频换热介质6，将1100nm～2500nm范围的太阳光进行吸收，其他波段的太阳光进行高效透过，透过的太阳光再次高效透过所述第二透明壳体32，照射到所述光伏装置上进行光伏发电。所述分频换热介质6和所述第一透明壳体31吸收的太阳光转换为热量，被所述分频换热介质6带走。所述光伏装置中的换热通道8内的换热介质7吸收所述光伏电池5吸收的热量并将其带走。优选地，所述换热介质7和所述分频换热介质6相同，优选地，所述换热介质7先流经所述换热通道8吸收热量升温，所述换热通道8与所述环缝空间串联，所述换热介质7进入所述环缝空间进一步升温后输出利用。

本实施例中另外一种实施方式的分频光伏光热装置工作原理如下，所述分频换热介质6为双波段吸收换热介质，所述第一透明壳体31、第二透明壳体32为普通透明玻璃管。优选地，所述分频换热介质6为着色水，优选地，所述着色水为铬黄类着色水，汇聚的太阳光透过所述第一透明壳体1，经所述分频换热介质6-着色水，将280nm～(450-650)nm和1100nm～2500nm波段范围的太阳光吸收，其他波段的太阳光高效透过，透过的太阳光经过所述第三透明壳体33，照射到所述光伏装置上进行光伏发电。所述光伏装置中的换热通道8内的换热介质7吸收所述光伏电池5吸收的热量并将其带走。优选地，所述换热介质7为导热油，升温后的导热油进入所述换热器中，与着色水进行换热，换热后的着色水进入所述环缝空间进一步换热升温，最终输出高温的着色水。该实施方式中其他部分工作原理与前一种实施方式相同，此处不再赘述。

实施例三

图7示出了一种分频器的优选结构示意图，所述分频器其余结构和布置方式与实施例一中的分频器相似，不同点在于，所述第一透明壳体31外部套设布置有第四透明壳体34，所述第四透明壳体34与所述第一透明壳体31组成的环形空间为真空状态，可以起到保温作用，减小散热量。本实施例的工作原理与实施例一相似。

需要说明的是，本实用新型中具体描述的是所述分频器满足所述第一透明壳体为分频透明壳体、所述第二透明壳体为分频透明壳体、所述第三透明壳体为分频透明壳体、所述分频换热介质为双波段吸收换热介质四个条件之一的具体实施情况，在实际使用时，如果上述四个条件之一就可以满足高效分频的效果，很容易理解的是，如果满足上述四个条件之二或更多，会实现更加精确、更加高效的分频，本实用新型中不再详细赘述，但是均落入本实用新型的保护范围内。

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。