專利名稱：高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能光電光熱綜合利用的技術領域，尤其是一種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用大面積的光伏電池進行發(fā)電，此類系統(tǒng)發(fā)電成本很高，而且效率低下。為了節(jié)約成本，人們開始采用跟蹤聚光的方式來增大電池表面的太陽輻照強度，提高系統(tǒng)的性價比。太陽能聚光形式可分為反射和折射兩種。國內外采用的折射方式一般都為菲涅爾透鏡聚光(如專利ZL97204018. 8)，缺點是系統(tǒng)透光率難以提高，光強分布均勻性較差。另 ー種反射形式大多為槽式和碟式聚光。槽式聚光(如專利ZL200520076826. 2) 一般只能獲得低于100倍的聚光倍數，而且大多采用晶硅類太陽能電池，發(fā)電效率較低，經濟效益不明顯。而碟式聚光大多采用大型拋物面反射形式，這種拋物面制造難度大，容易碎裂，整體防風性能及穩(wěn)定性差。也有人提出ー些留有間隙的陣列結構，有一定的實用價值，但結構的變動容易導致光伏電池表面光強分布不均勻，出現系統(tǒng)局部過熱現象，不能保證系統(tǒng)的長期可靠運行；同時此類系統(tǒng)一般聚光比固定，不易調節(jié)，靈活性、適應性較差。而且在聚光太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有一部分太陽能以熱能的形式散布到周圍環(huán)境中，光伏電池會因此溫度過高而效率下降甚至損壞，若能妥善收集利用這部分熱能，可以很大程度上提高系統(tǒng)的整體綜合效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有技術中存在的不足，提出一種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用結構簡単，聚光倍數可調節(jié)的聚光跟蹤裝置及高熱流密度散熱裝置，發(fā)電的同時獲得熱媒，根本上解決系統(tǒng)聚光不均勻及聚光后系統(tǒng)光伏組件溫度過高等問題，提高系統(tǒng)的光電光熱綜合效率，降低系統(tǒng)成本。為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括底座、高熱流密度散熱器、太陽能光伏電池組件、高倍可調聚光裝置、雙軸自動跟蹤裝置、蓄電池和水箱；所述的雙軸自動跟蹤裝置包括俯仰傳動構件、水平傳動構件、控制箱、光敏元件；所述的高倍可調聚光裝置包括主框架、鋁條支架、豎桿、平面反射鏡陣列和托臺；所述的水平傳動構件安裝在底座上，由電機和轉盤組成；俯仰傳動構件安裝在主框架上，由電機和推桿組成；光敏元件固定在主框架上，與平面反射鏡陣列的整個水平面相垂直；控制箱則通過螺絲固定在底座上，控制箱內通過傳輸控制信號給俯仰傳動構件、水平傳動構件和光敏元件，隨時根據太陽光強的變化來調整系統(tǒng)的方位角和高度角，保證系統(tǒng)準確實時的跟蹤太陽方向；所述的高倍可調聚光裝置安裝在所述的主框架上，通過實時跟蹤太陽將太陽光反射聚焦在所述的太陽能光伏電池組件上；所述的太陽能光伏電池組件位于所述高倍可調聚光裝置的焦點位置，并與所述的高熱流密度散熱器直接層壓相連；所述的高熱流密度散熱器固定在所述的托臺上，通過循環(huán)管道與系統(tǒng)外邊緣豎桿頂端的進出水口相連。所述的高倍可調聚光裝置是由平面反射鏡陣列組成，安裝在所述雙軸自動跟蹤裝置的主框架上。所述的平面反射鏡陣列通過萬向節(jié)與鋁條支架相連，各平面鏡間留有一定的防風空隙。
高倍可調聚光裝置的聚光倍數可以通過鋁條支架結構和平面鏡的數量進行調節(jié)，一般可達500-1000倍聚光。所述的鋁條支架固定在所述雙軸自動跟蹤裝置的主框架上，形成類似拋物面的形狀，鋁條間間隔大于ー個平面鏡的寬度。所述的萬向節(jié)上表面與平面鏡相連，底部用螺絲固定在鋁條支架上，可以通過調節(jié)中間的耦合球栓在三維空間內改變平面鏡的位置。所述的太陽能光伏電池組件的光伏電池板背面與所述的高熱流密度散熱器直接層壓相連，避免了用硅膠類材料而形成的導熱熱阻。所述的太陽能光伏電池組件的光伏電池板是由神化鎵(GaAs)電池通過串并聯(lián)與ニ級管直接焊接在ー塊電池基板上。所述的高熱流密度散熱器是ー種中空鋁盒結構，內部排列一定比例的肋片，上表面開有進出水ロ與系統(tǒng)的循環(huán)管道相連，下表面直接與所述的太陽能光伏電池組件層壓固定。本發(fā)明的設計思想以及原理主要在于本發(fā)明所述的ー種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，包括太陽能光伏電池組件、高熱流密度散熱器、高倍可調聚光裝置、雙軸自動跟蹤裝置、蓄電池和水箱。所述的光伏電池組件的光伏電池板背面與所述的高熱流密度散熱器直接層壓相連，四邊采用低溫焊接，邊緣處可用導熱硅膠密封，輸出端可通過電線與蓄電池相連；這樣避免了光伏電池板與散熱器之間的傳熱熱阻，大大提高了系統(tǒng)的換熱效率。所述的光伏電池組件中的光伏電池板由神化鎵電池、ニ極管和基板組成；砷化鎵電池通過串并聯(lián)與ニ極管直接層壓在基板上，表面涂有高透光的膠保護層，保證整塊光伏電池板的透光、導熱以及絕緣性能；神化鎵電池的串并聯(lián)方式、神化鎵電池數目及神化鎵排版形式需根據系統(tǒng)聚光情況進行計算確定。所述的高倍可調聚光裝置是將反射平面鏡陣列安裝在所述的雙軸自動跟蹤裝置的主框架上，在主框架上相應的螺孔位置安裝鋁條支架，螺孔間距大于ー個平面鏡的寬度，保證平面鏡之間互不遮擋，同時螺孔間距過大會導致系統(tǒng)總面積過大，加大系統(tǒng)耗材，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鋁條支架在主框架上形成類似拋物面的結構，表面用萬向節(jié)與反射平面鏡相連，通過萬向節(jié)的調節(jié)可以使每塊平面鏡的反射光準確落在光伏電池板上，從而既可以獲得較為均勻的光強分布，又可以控制聚光倍數的大小，使得聚光倍數可以調節(jié)。所述的萬向節(jié)上端為ー圓臺，可以與平面反射鏡背面粘連；下端為ー套筒，底部打孔并通過螺絲固定在鋁條支架上；中間是可以用螺母鎖緊的耦合球栓，球栓通過彈簧壓入套筒內。所述的萬向節(jié)可以在三維空間內任意角度轉動，以便調整平面反射鏡的位置，最后可用螺母鎖緊固定。所述的高倍可調聚光裝置通過主框架的循環(huán)管道與所述的高熱流密度換熱裝置的進出口管道相連。 所述的雙軸自動跟蹤裝置是由水平傳動構件、俯仰傳動構件、控制箱、光敏元件組成的雙軸跟S示系統(tǒng)。所述的水平傳動構件是通過電動轉盤來跟蹤太陽在方位角上的變化。所述的俯仰傳動構件是通過電動推桿來跟蹤太陽在高度角上的變化。所述的光敏元件安裝在主框架上與系統(tǒng)的整個反射鏡平面相垂直。 所述的控制箱與水平傳動構件、俯仰傳動構件、光敏元件相連接，通過光敏控制程序和逐時機械控制程序等主程序輸出控制信號，自動、實時、準確地跟蹤太陽的位置。所述的高熱流密度散熱器是一種帶有一定肋片分布的中空鋁盒，上表面開有4個進出水口，分別與所述高倍可調聚光裝置支架上的進出ロ相連，下表面與所述太陽能光伏電池組件直接層壓相連。所述的高熱流密度散熱器安裝在所述高倍可調聚光裝置的托臺上，托臺位于外邊緣豎桿頂端的中間位置，即系統(tǒng)的焦點位置。由平面反射鏡反射的太陽光到達位于焦點的光伏電池組件上，光能被轉化成電能和熱能，電能通過連接在電池板上的導線輸出到蓄電池中，而高熱流密度散熱器能充分帶走剩余的大部分熱能，通過輸出管道輸送到水箱中，最后通過循環(huán)回路，系統(tǒng)可持續(xù)循環(huán)工作。與現有技術相比，本發(fā)明的有益技術效果體現在以下方面I.本發(fā)明采用平面鏡反射聚光，使得光強分布均勻，解決了傳統(tǒng)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)聚光光強分布不均勻問題；2.本發(fā)明中的高熱流密度散熱器直接與光伏電池組件層壓相連，避免了傳統(tǒng)エ藝中用硅膠類材料粘合所帯來的傳熱熱阻，能有效降低光伏電池組件的表面溫度，提高光伏的光電轉化效率，同時獲得一定的熱能，具有較高的光電光熱綜合效率； 3.本發(fā)明中的光伏電池組件根據高倍聚光系統(tǒng)嚴格設計電池片串并聯(lián)、排版及封裝形式，大幅提高了光伏組件的光電性能及穩(wěn)定性；4.本發(fā)明中可以控制并調節(jié)系統(tǒng)的聚光倍數，一般可達到500-1000倍以上；5.本發(fā)明采用普通平板玻璃代替拋物曲面鏡，大大降低了系統(tǒng)成本；6.本發(fā)明結構緊湊，安裝方便，大幅度提高了聚光系統(tǒng)的防風性和穩(wěn)定性。


圖I為本發(fā)明實施方案高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)的基本結構示意圖；圖2為圖I所示系統(tǒng)的側視圖；圖3為圖I所示高熱流密度散熱器部件的一種結構示意圖；圖4為圖I所示太陽能光伏電池組件的一種結構示意圖；圖5為圖I所示系統(tǒng)的光路分布示意圖；圖6為圖I所示系統(tǒng)中萬向節(jié)的ー種結構示意圖；圖7為本發(fā)明能量循環(huán)轉換系統(tǒng)示意圖。附圖標記說明1為底座；2為主框架；3為高熱流密度散熱器；4為太陽能光伏電池組件；5為俯仰傳動構件；6為水平傳動構件；7為控制箱；8為光敏元件；9為鋁條支架；10為豎桿；11為平面鏡反射陣列；12為托臺；13為進水口 ；14為出水口 ；15為肋片；16為連接ロ ；17為散熱器外壁；18為ニ極管；19為正負電極；20為GaAs電池片；21為圓臺；22為螺母；23為耦合球栓；24為彈簧；25為套筒。
具體實施例方式下面結合附圖和典型實施例對本發(fā)明作進ー步說明。但為了突出本發(fā)明，眾所周知的特征可能被省略或簡化。如圖I、圖2和圖3所示，本發(fā)明高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)包括底座I、雙軸自動跟蹤裝置、高倍可調聚光裝置、太陽能光伏電池組件4和高熱流密度散熱器3等。雙軸自動跟蹤裝置包括俯仰傳動構件5、水平傳動構件6、控制箱7、光敏元件8 ;其中高倍可調聚光裝 置包括主框架2、鋁條支架9、豎桿10、平面反射鏡陣列11和托臺12。系統(tǒng)的底座I過低容易導致系統(tǒng)鏡面撞擊地面或地面上的障礙物；過高容易影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般底座I比系統(tǒng)整個鏡面寬度的一半高出40cm即可。所述雙軸自動跟蹤裝置的水平傳動構件6安裝在底座I上，由電機和轉盤組成；俯仰傳動構件5安裝在主框架2上，由電機和推桿組成；光敏元件8固定在主框架2上，與平面反射鏡陣列11的整個水平面相垂直；控制箱7則通過螺絲固定在底座I上，控制箱內通過可編程序傳輸控制信號給俯仰傳動構件5、水平傳動構件6和光敏兀件8,隨時根據太陽光強的變化來調整系統(tǒng)的方位角和高度角，保證系統(tǒng)準確實時的跟蹤太陽方向。所述主框架2為不銹鋼材質，要滿足系統(tǒng)的強度要求。鋁條支架9通過螺絲固定在主框架2上；四根豎桿10的一端也固定在主框架2上，另一端固定在托臺12上；而平面反射鏡陣列11則通過萬向節(jié)固定在鋁條支架9上；平面反射鏡陣列11由普通平面玻璃鏡組成，兩塊玻璃鏡之間留有空隙，由于玻璃間空隙過小會產生遮擋情況，過大則影響系統(tǒng)面積，擴大成本，因此需根據具體聚光系統(tǒng)的光路結構進行計算，在本實施例中經計算空隙大小為3cm即可；而每塊平面鏡都可以通過萬向節(jié)的ニ維調節(jié)，使其所反射的太陽光都落在托臺12上，即托臺12位于整個系統(tǒng)的焦點位置。每塊平面鏡的表面積與太陽能光伏電池組件4的光伏電池表面積相等，保證所有的平面鏡都等份的反射在光伏電池表面上，達到光強分布均勻的效果。高熱流密度散熱器3固定在托臺12上，其下表面直接與太陽能光伏組件4層壓相連，保證系統(tǒng)工作時能及時帶走太陽能光伏電池組件4上的熱能，降低光伏電池表面溫度，提高系統(tǒng)的光電轉化效率。圖3是本發(fā)明高熱流密度散熱器部件的一種結構示意圖。如圖所示，該散熱器包括散熱器外壁17、連接ロ 16、肋片15、兩個進水口 13和兩個出水ロ 14.其中太陽能光伏電池組件4的背面直接層壓在散熱器開ロ位置，四周通過膠密封以及螺釘與散熱器腔壁連接，形成密閉的腔體。通過腔體內部壓カ以及進出口之間的肋片來控制エ質液體的流向，實現光伏電池的均勻散熱，同時內部肋片可進ー步強化傳熱，降低光伏組件發(fā)電過程中的電池表面溫度，提高光伏電池的光電轉化效率，獲得更多電能。本實施例通過直接冷卻光伏電池的同時不僅能大大降低電池溫度，通過對熱量的收集，還能獲得較高的光電光熱綜合效率。圖4是本發(fā)明太陽能光伏電池組件的一種結構示意圖。如圖所示，太陽能光伏電池組件4是由四塊光伏電池板串并聯(lián)而成，具體串并聯(lián)形式可根據系統(tǒng)電壓或電流限制的需要而定，從而構成ー套電功率更大、性價比更高的光伏電池組件。每塊光伏電池板由GaAs電池片20、ニ極管18、正負電極19等直接層壓在一塊帶有金屬層、陶瓷絕緣層等多層結構的基板上，同時光伏電池板表面鍍有ー層高透光率的娃膠粘合層；保證光伏電池組件的透光性、導熱性及絕緣性。在本實施例中是ー塊光伏電池板式由30塊GaAs電池片串聯(lián)而成，而姆塊GaAs電池片長寬均為Icm,姆ー橫排5塊電池片均并聯(lián)ー個ニ極管,最后在光伏電池板正負電極之間再并聯(lián)ー個ニ極管，從而保證不會因為單片電池而影響整個光伏組件的性倉^:。圖5是本發(fā)明高倍可調聚光裝置中萬向節(jié)的ー種結構示意圖。如圖所示，萬向節(jié)是由圓臺21、螺母22、耦合球栓23、彈簧24和套筒25組成。圓臺21上表面與平面反射鏡 粘連；套筒24底部打孔，用螺絲固定在鋁條支架9上；通過耦合球栓23將彈簧24壓入套筒25中，并用螺母22稍微固定，然后可以在三維空間中調節(jié)萬向節(jié)的方向，使得入射到平面鏡上的光全部反射到光伏電池表面，最后再鎖緊螺母22。通過這樣的簡單調節(jié)，能使得每塊平面鏡的光都等份得反射到光伏電池表面，達到高倍聚光并且光強分布均勻的效果。如圖6所示，光路示意圖中沒有畫出所有的光線，僅通過幾條典型的光線進行描述。本實施例采用的反射鏡為平面玻璃反射鏡，聚光比為500倍(上述實施例的聚光比可以通過調節(jié)平面鏡的數量進行改變)。平面反射鏡陣列11通過萬向節(jié)固定在鋁條支架上；各鋁條支架之間的距離大于平面玻璃鏡的寬度，保證平面鏡之間互不遮擋。如圖中平面鏡A、B、C、D、E、F、G、H的鏡面方向逐次改變，形成類似拋物線的結構，使得太陽光束S照射在鏡面的光強能夠一一等份的反射在太陽能光伏電池組件4的表面，保證光伏電池表面接收的光強較為均勻，同時防止熱斑效應的發(fā)生，損壞電池。圖7是本發(fā)明系統(tǒng)能量循環(huán)轉換示意圖。系統(tǒng)中并不僅限一套高倍聚光光伏系統(tǒng)，可以將多個這樣的聚光系統(tǒng)都連人工質循環(huán)回路，通過泵機和流量計的控制，實驗整套系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。通過上述對本發(fā)明實施例的詳細描述，可以看出本發(fā)明切實解決了光伏發(fā)電在高倍太陽聚光下光強分布不均勻及溫度過高導致電池損壞等問題，同時大幅度提高了系統(tǒng)的光電轉化效率及光電光熱綜合效率，且系統(tǒng)成本低下、安裝便利、聚光比可調，具有突出的性能效果。當然，上述實施例僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，所以凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括底座(I)、高熱流密度散熱器(3)、太陽能光伏電池組件(4)、高倍可調聚光裝置、雙軸自動跟蹤裝置、蓄電池和水箱；所述的雙軸自動跟蹤裝置包括俯仰傳動構件(5)、水平傳動構件(6)、控制箱(7)、光敏元件(8);所述的高倍可調聚光裝置包括主框架(2)、鋁條支架(9)、豎桿(10)、平面反射鏡陣列(11)和托臺(12);所述的水平傳動構件(6)安裝在底座(I)上，由電機和轉盤組成；俯仰傳動構件(5)安裝在主框架(2)上，由電機和推桿組成；光敏兀件(8)固定在主框架(2)上，與平面反射鏡陣列(11)的整個水平面相垂直；控制箱(7)則通過螺絲固定在底座(I)上，控制箱(7 )內通過傳輸控制信號給俯仰傳動構件(5 )、水平傳動構件(6 )和光敏元件(8)，隨時根據太陽光強的變化來調整系統(tǒng)的方位角和高度角，保證系統(tǒng)準確實時的跟蹤太陽方向；所述的高倍可調聚光裝置安裝在所述的主框架(2)上，通過實時跟蹤太陽將太陽光反射聚焦在所述的太陽能光伏電池組件上；所述的太陽能光伏電池組件(4)位于所述高倍可調聚光裝置的焦點位置，并與所述的高熱流密度散熱器(3)直接層壓相連；所述的高熱流密度散熱器(3)固定在所述的托臺(12)上，通過循環(huán)管道與系統(tǒng)外邊緣豎桿頂端的進出水口相連。
2.根據權利要求I所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的高倍可調聚光裝置是由平面反射鏡陣列組成，安裝在所述雙軸自動跟蹤裝置的主框架上。
3.根據權利要求2所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的平面反射鏡陣列通過萬向節(jié)與鋁條支架相連，各平面鏡間留有一定的防風空隙。
4.根據權利要求3所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于高倍可調聚光裝置的聚光倍數可以通過鋁條支架結構和平面鏡的數量進行調節(jié)，一般可達500-1000倍聚光。
5.根據權利要求3所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的鋁條支架固定在所述雙軸自動跟蹤裝置的主框架上，形成類似拋物面的形狀，鋁條間間隔大于一個平面鏡的寬度。
6.根據權利要求3所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的萬向節(jié)上表面與平面鏡相連，底部用螺絲固定在鋁條支架上，可以通過調節(jié)中間的耦合球栓在三維空間內改變平面鏡的位置。
7.根據權利要求I所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能光伏電池組件的光伏電池板背面與所述的高熱流密度散熱器直接層壓相連，避免了用硅膠類材料而形成的導熱熱阻。
8.根據權利要求7所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能光伏電池組件(4)的光伏電池板是由砷化鎵(GaAs)電池通過串并聯(lián)與二級管直接焊接在一塊電池基板上。
9.根據權利要求I所述的高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，其特征在于所述的高熱流密度散熱器(3)是一種中空鋁盒結構，內部排列一定比例的肋片，上表面開有進出水口與系統(tǒng)的循環(huán)管道相連，下表面直接與所述的太陽能光伏電池組件層壓固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高倍聚光光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，包括太陽能光伏電池組件、高熱流密度散熱器、高倍可調聚光裝置和雙軸自動跟蹤裝置等，高倍可調聚光裝置安裝在雙軸自動跟蹤裝置主框架上，通過實時跟蹤太陽將太陽光反射聚焦在太陽能光伏電池組件上；太陽能光伏電池組件位于高倍可調聚光裝置的焦點位置，并與高熱流密度散熱器直接層壓相連，將太陽能轉化成電能的同時，通過散熱器將剩余的熱能帶走，實現太陽能光電光熱綜合利用。本發(fā)明解決了高倍聚光中太陽光強分布不均勻、聚光比不可調節(jié)以及光伏電池溫度過高導致的效率低下甚至電池損壞等問題；結構簡單且聚光倍數可調節(jié)，防風性能和穩(wěn)定性好；發(fā)電的同時提供熱水，大幅度提高了聚光系統(tǒng)的綜合效率。
文檔編號H02N6/00GK102957345SQ20121045077
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權日2012年11月12日
發(fā)明者季杰, 陳海飛, 裴剛, 王云峰 申請人:中國科學技術大學