專利名稱：分頻吸收的太陽能熱光伏裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電直接轉(zhuǎn)化裝置，即是一種分頻吸收的太陽能全頻譜熱光伏裝置。背景技術(shù)：
太陽能熱光伏系統(tǒng)(STPV)源于普通熱光伏系統(tǒng)(TPV)及將太陽能直接轉(zhuǎn)化為 電能的光伏系統(tǒng)(PV)，其原理為通過集聚器會(huì)聚大量的太陽光來加熱輻射器，使得 輻射器達(dá)到較高的溫度，從而對(duì)外發(fā)出輻射能。在輻射器和光電池之間設(shè)置了一層濾 波器，盡量使得電池可轉(zhuǎn)化波段范圍內(nèi)的輻射能通過濾波器到達(dá)電池，并被光電池轉(zhuǎn) 化為電能對(duì)外輸出，而電池?zé)o法轉(zhuǎn)化的能量則被濾波器反射回輻射器以重新利用，保 持輻射器較高的溫度，以減少能量的損失。美國(guó)EDTEK公司制作的STPV系統(tǒng)，采用卡塞格倫型的集聚器，其太陽能集聚比為 1000:1,該系統(tǒng)為混合型的熱光伏系統(tǒng)，釆用太陽能及燃料燃燒共同加熱的方式，測(cè)得 在輻射器表面溫度為1400°C時(shí)，'系統(tǒng)效率為22. 3%，而理論轉(zhuǎn)化效率也只能達(dá)到25 %。此外，俄羅斯物理技術(shù)研究所采用菲涅爾透鏡及一二級(jí)透射鏡為集聚器，其制作 的STPV系統(tǒng)的效率在輻射器溫度為2000K時(shí)理論最高效率可達(dá)到33%。由此可見，太陽能熱光伏系統(tǒng)相對(duì)于普通的熱光伏系統(tǒng)及PV系統(tǒng)，效率己經(jīng)有了 一定的提高，但仍然存在以下問題1、通常的太陽能熱光伏系統(tǒng)只能吸收轉(zhuǎn)化一定光 譜段的光子，其它譜段的光子沒有得到充分利用；2、雖然輻射器溫度的增高可以提高 系統(tǒng)效率，但是由于輻射器入口處輻射能泄漏引起的能量損失，當(dāng)溫度升高到一定值 后，系統(tǒng)效率會(huì)因此降低，即存在一個(gè)最大效率對(duì)應(yīng)溫度值，當(dāng)?shù)竭_(dá)此溫度后，再提 高其吸收的太陽能量來增高輻射器溫度是沒有意義的了，而且溫度過高對(duì)于輻射器材 料的性能會(huì)有很大的影響，甚至引起材料的損壞；3、輻射器溫度升高必然引起電池?zé)?負(fù)荷的急劇增加，對(duì)散熱器的性能及功率提出了更高的要求，如果散熱器達(dá)不到理想
效果的話會(huì)使得電池溫度升高，而電池溫度的升高帶來的效率減小等影響也是顯而易 見的；4、聚光器在會(huì)聚過程中不可避免的存在著能量的損失，如果使得太陽能量在損 失前就可以得到一定的利用，則必然使得系統(tǒng)的效率得以提高；5、由以上的數(shù)據(jù)可以 看出，對(duì)于STPV系統(tǒng)，它的系統(tǒng)效率仍然受到很多因素的制約，在忽略了很多實(shí)際因 素后進(jìn)行計(jì)算，其理論的系統(tǒng)效率仍然很難超過30%。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種系統(tǒng)效率及輸出電功率高，輻射器表面溫度低，從而 能減小電池的熱負(fù)荷的分頻吸收的太陽能熱光伏裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是 一種分頻吸收的太陽能熱光伏裝置，其特征在于-它包括主反射鏡，及設(shè)置在主反射鏡及其焦點(diǎn)之間的二級(jí)反射鏡，在主反射鏡表面設(shè) 置一級(jí)光電池，在光電池表面貼有濾波器，主反射鏡下方設(shè)置熱光伏裝置，熱光伏裝 置主要包括吸收器、輻射器以及光電池，在光電池表面貼有濾波器，在電池的外表面 設(shè)置冷卻器。本發(fā)明的原理是著眼于太陽能的全頻譜高效利用，采用兩級(jí)反射型集聚器對(duì)太 陽能進(jìn)行會(huì)聚，在主反射鏡面上設(shè)置光電池，吸收直接照射的太陽能，在光電池表面 設(shè)置具有濾波作用的濾波器涂層，盡量使得光電池可轉(zhuǎn)化波段的太陽光透過濾波器到達(dá)光電池表面，直接轉(zhuǎn)化為電能；濾波器涂層既具有濾波作用，又具有主反射鏡的反 射特性，即可將可轉(zhuǎn)化波段范圍以外的太陽光按照原來主反射鏡的反射光路反射回二 級(jí)反射鏡，以繼續(xù)利用。經(jīng)二級(jí)反射鏡反射的太陽光通過熱光伏裝置的入射口進(jìn)入吸 收輻射器空腔，轉(zhuǎn)化為熱能，并加熱輻射器到一定溫度后，對(duì)外發(fā)出輻射能，輻射器 發(fā)出的光子輻射能一部分透過濾波器到達(dá)熱光伏系統(tǒng)中的光電池部分(GaSb光電池或 其它禁帶能值相對(duì)較低的光伏電池)，轉(zhuǎn)化為電能，另一部分則被濾波器反射回輻射器 以保持輻射器的高溫。兩級(jí)光電池產(chǎn)生的電功率的和即為系統(tǒng)輸出的總的電功率。這
樣，實(shí)現(xiàn)了太陽能的全頻譜利用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、采用兩級(jí)光電轉(zhuǎn)化裝置，可顯著提高 對(duì)太陽能的吸收轉(zhuǎn)化效率，增大了系統(tǒng)效率及總的輸出電功率，數(shù)值計(jì)算顯示比同樣 工況下的普通STPV裝置高出12 13%; 2、利用一級(jí)光電池吸收了部分太陽光，減少 了到達(dá)吸收器的太陽能量，使得輻射器表面的溫度有所降低，從而減小了電池的熱負(fù) 荷；3、利用硅電池先行吸收了部分的太陽能, 一定程度上也減小了太陽光兩次反射中 的能量損失。本發(fā)明可以應(yīng)用于航空、航天、生活等領(lǐng)域，為飛行器及日常生活等提 供充足的電能，應(yīng)用前景廣泛。 四


圖1是本發(fā)明的分頻段吸收太陽能熱光伏裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的主反射鏡上設(shè)置硅電池的結(jié)構(gòu)俯視圖。 圖3是圓柱壁面上設(shè)置銻化鎵電池的俯視圖。 五具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。結(jié)合圖l，本發(fā)明的分頻吸收的太陽能熱光伏裝置。包括主反射鏡l， 二級(jí)反射鏡 2,采用卡塞格倫型集聚器并通過支架支撐，即其主反射鏡為拋物柱面反射鏡，二級(jí)反 射鏡為雙曲面鏡，主反射鏡及二級(jí)雙曲面鏡的大小可根據(jù)需要任意選取。在主反射鏡 表面布置硅電池3，在硅電池表面貼有濾波器4，使得0.45 1.127ixm波段的太陽光可 以透過濾波器4到達(dá)硅電池，轉(zhuǎn)化為電能，此波段范圍以外的太陽能則和其余落在主 反射鏡面上的太陽能一起反射回二級(jí)反射鏡，經(jīng)過二次反射通過吸收器入口 13進(jìn)入吸 收器7內(nèi)的空腔11。位于主反射鏡下的熱光伏系統(tǒng)5采用雙圓柱套筒的形式，內(nèi)層圓 柱為吸收器6和輻射器7，插入一抽真空的外層圓柱體12內(nèi)，在外層圓柱體的內(nèi)壁面 沿輻射器一周布置銻化鎵電池9，在電池內(nèi)表面貼有濾波器8，以選擇性地吸收輻射 能量，并反射不能吸收的能量以保持輻射器的溫度。在電池的外表面裝有冷卻器IO， 以消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的廢熱。結(jié)合圖2，主反射鏡表面上從二級(jí)反射鏡所占投影面積以外開始逐層布置硅電池， 按照每層最多可能布置的數(shù)量進(jìn)行布置，以使得反射鏡表面盡量被硅電池布滿。硅電 池的數(shù)量由主反射鏡的大小決定。結(jié)合圖3，熱光伏系統(tǒng)中銻化鎵電池沿外圓柱周向布置8塊，將外圓柱沿周向8 等分，在電池以外的部分設(shè)置反射鏡，將落到該部分的輻射能量反射回輻射器，沿徑 向布置6塊，共48塊GaSb電池。電池表面布置有Si/Si02光子晶體濾波器。
權(quán)利要求
1、一種分頻吸收的太陽能熱光伏裝置，其特征在于它包括主反射鏡[1]，及設(shè)置在主反射鏡及其焦點(diǎn)之間的二級(jí)反射鏡[2]，在主反射鏡表面設(shè)置一級(jí)光電池[3]，在光電池表面貼有濾波器[4]，主反射鏡下方設(shè)置熱光伏裝置[5]，熱光伏裝置主要包括吸收器[6]、輻射器[7]以及光電池[9]，在光電池[9]表面貼有濾波器[8]，在電池的外表面設(shè)置冷卻器[10]。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分頻吸收的太陽能熱光伏裝置，其特征在于采用卡塞 格倫型集聚器并通過支架支撐，即其主反射鏡為拋物柱面反射鏡，二級(jí)反射鏡為雙曲 面鏡，熱光伏裝置[5]的入口[13]位于其主反射鏡下方、二級(jí)反射鏡的焦點(diǎn)處。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分頻吸收的太陽能熱光伏裝置，其特征在于 一級(jí) 光電池[3]采用硅電池，從主反射鏡表面上二級(jí)反射鏡所占投影面積以外開始逐層布置 硅電池，按照每層最多可能布置的數(shù)量進(jìn)行布置，反射鏡表面布滿硅電池。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分頻吸收的太陽能熱光伏裝置，其特征在于熱光伏裝 置[5]采用雙圓柱套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)層圓柱為吸收器和輻射器,均可采用碳化硅材料，插入 一抽真空的外層圓柱體內(nèi)，禁帶能值相對(duì)較低的熱光伏電池[9]沿外圓柱周向等分布置 8塊，沿徑向布置6塊，共48塊，電池表面設(shè)置有光子晶體濾波器[8]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分頻吸收的太陽能熱光伏裝置。它包括主反射鏡，及設(shè)置在主反射鏡及其焦點(diǎn)之間的二級(jí)反射鏡，在主反射鏡表面設(shè)置一級(jí)光電池，在光電池表面貼有濾波器，主反射鏡下方設(shè)置熱光伏裝置，熱光伏裝置主要包括吸收器、輻射器以及光電池，在光電池表面貼有濾波器，在電池的外表面設(shè)置冷卻器。本發(fā)明采用兩級(jí)光電轉(zhuǎn)化裝置，可顯著提高對(duì)太陽能的吸收轉(zhuǎn)化效率，增大了系統(tǒng)效率及總的輸出電功率，利用一級(jí)光電池吸收了部分太陽光，減少了到達(dá)吸收器的太陽能量，減小了電池的熱負(fù)荷，利用硅電池先行吸收了部分的太陽能，可減小太陽光兩次反射中的能量損失。本發(fā)明可應(yīng)用于航空、航天、生活等領(lǐng)域，為飛行器及日常生活等提供充足的電能。
文檔編號(hào)F24J2/00GK101127373SQ20071013277
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者宣益民, 強(qiáng) 李, 雪 陳, 韓玉閣 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)