本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能利用設(shè)備，特別涉及一種太陽(yáng)能光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域主要包括光伏發(fā)電技術(shù)和光熱發(fā)電技術(shù)。根據(jù)目前太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，聚光技術(shù)是提高這兩種技術(shù)發(fā)電效率所采用的最主要方法，不僅可以減少占地面積，而且也能降低發(fā)電成本，但目前兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。從發(fā)電效率方面看，光熱發(fā)電技術(shù)通過(guò)聚光顯著提高了發(fā)電效率，但與光伏發(fā)電相比，雖然其可以吸收轉(zhuǎn)換太陽(yáng)全光譜的能量，但其發(fā)電效率通常要低于直接實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的光伏發(fā)電技術(shù)效率。而從是否能承擔(dān)電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷方面看，光熱發(fā)電技術(shù)具有可以通過(guò)熱能存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)全天候發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電往往只能在白天發(fā)電，其電力存儲(chǔ)由于成本和技術(shù)原因也不適應(yīng)于大規(guī)模發(fā)電。另外，光伏發(fā)電技術(shù)僅僅利用了太陽(yáng)光譜中300nm-1100nm波長(zhǎng)的能量，其余能量都轉(zhuǎn)換為熱能消散到空氣中，造成能量浪費(fèi)。因此，如果能結(jié)合光伏和光熱發(fā)電兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，綜合利用兩種技術(shù)，將顯著提高系統(tǒng)綜合利用效率。

中國(guó)專(zhuān)利201210250372.0公開(kāi)了一種“背反射式太陽(yáng)能電池及其制作方法”，其包括保護(hù)底層、依次設(shè)置于保護(hù)底層表面的反射介質(zhì)膜、背電極和電池薄膜組成，通過(guò)設(shè)置反射膜可將透過(guò)太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光再次反射到電池處進(jìn)行再次利用，但該專(zhuān)利只能利用可見(jiàn)光部分太陽(yáng)光譜，其余紫外光及近紅外光也同樣被反射出去，不能利用。

中國(guó)專(zhuān)利201210058376.9公開(kāi)了一種“真空管光伏光熱復(fù)合拋物面聚光器”，其采用復(fù)合拋物面聚光鏡和光伏發(fā)電相結(jié)合，將太陽(yáng)光聚焦反射到光伏上產(chǎn)生電力，同時(shí)采用冷卻管將光伏冷卻進(jìn)而產(chǎn)生熱水，系統(tǒng)不需要跟蹤，實(shí)現(xiàn)了光伏光熱綜合利用，但該系統(tǒng)由于聚光比較低，無(wú)跟蹤系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)高溫應(yīng)用。另一中國(guó)專(zhuān)利201510272091.9公開(kāi)了“一種全光譜的光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)”，其采用在聚光分頻裝置，將太陽(yáng)光中紫外光和近紅外光與可見(jiàn)光分離開(kāi)，將可見(jiàn)光部分照射到光伏電池產(chǎn)生電能，將其余部分反射聚焦到集熱裝置中產(chǎn)生熱能，但該系統(tǒng)沒(méi)有采用的聚光光伏裝置，為普通光伏，其效率難以提高，另外該聚光分頻裝置一般具有很多層才能實(shí)現(xiàn)分光譜供能，其成本和光學(xué)效率需要進(jìn)一步分析。

因此，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全光譜高效利用，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的綜合效率是當(dāng)前太陽(yáng)能利用技術(shù)的迫切需求和發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過(guò)太陽(yáng)能全光譜的高效利用，進(jìn)一步提升太陽(yáng)能光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)的綜合效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種聚光型全光譜的太陽(yáng)能光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括主聚光器、集熱管、二次聚光器、光伏裝置、冷卻裝置和支架。所述集熱管和所述二次聚光器位于所述主聚光器的聚焦處，所述二次聚光器通過(guò)所述的支架固定在所述主聚光器的上方，所述主聚光器將太陽(yáng)輻射反射聚焦到所述集熱管和所述二次聚光器上，所述二次聚光器將太陽(yáng)輻射再次反射聚焦到所述集熱管上。

所述光伏裝置位于二次聚光器的內(nèi)壁面上，所述光伏裝置包括光伏電池層、背面反射層和保護(hù)底層，所述的背面反射層位于光伏電池層和所述的保護(hù)底層之間，所述背面反射層將入射太陽(yáng)光中光伏電池層所不能吸收利用的紫外光和近紅外光反射到所述集熱管上，所述冷卻裝置位于光伏裝置的保護(hù)底層背面，對(duì)所述光伏裝置進(jìn)行冷卻。

所述的光伏裝置的光伏電池層為砷化鎵光伏電池，其效率高，且適宜應(yīng)用于聚光光伏系統(tǒng)中，砷化鎵光伏電池的耐溫性較普通光伏電池要高很多，在200℃時(shí)，砷化鎵光伏電池的發(fā)電效率仍可達(dá)到10％左右。特別是多結(jié)砷化鎵的異質(zhì)結(jié)光伏電池，其光電效率最高達(dá)到28％以上。

所述背面反射層為具有反射率不低于85％反射率的反射材料層，所述光伏裝置和所述冷卻裝置固定在所述二次聚光器內(nèi)壁面上，且所述光伏裝置所處的方位能保證其背面反射層可將入射光反射到所述集熱管上。

所述的集熱管包括同軸的玻璃外管和金屬內(nèi)管玻璃外管與金屬內(nèi)管之間為真空。

優(yōu)選的，所述的二次聚光器可以位于所述的集熱管的外部上方，并通過(guò)支架固定在集熱管上。

另一優(yōu)選的，所述的二次聚光器也可以位于所述的玻璃外管的內(nèi)部且位于金屬內(nèi)管上方，所述的光伏裝置、所述的冷卻裝置及所述的支架也同樣都位于所述的玻璃外管的里面。

所述的主聚光器的形狀為拋物面槽式聚光器或菲涅爾式聚光器，所述主聚光器具有實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)功能，通過(guò)跟蹤太陽(yáng)將太陽(yáng)光反射聚焦到所述集熱管和二次聚光器上。

所述的二次聚光器為復(fù)合拋物面型聚光器，又稱(chēng)為CPC(Compound parabolic concentrator)型聚光器，其內(nèi)壁面為反射率不低于85％的反光鋁或反射膜層。

所述冷卻裝置具有至少1個(gè)、當(dāng)量直徑不超過(guò)5mm的微型通道，冷卻裝置采用鋁或銅材料制作，一般為長(zhǎng)條矩形多通道換熱器，優(yōu)選的材料為鋁或銅材料。

所述的二次聚光器外壁面上放置有非聚光的光伏電池裝置，非聚光的光伏電池裝置可直接利用太陽(yáng)光產(chǎn)生電能，所述的支架還用于固定非聚光的光伏電池裝置。所述的聚光型全光譜的太陽(yáng)能光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。所述冷卻裝置為所述系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)，通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式使所述集熱管加熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)達(dá)到更高溫度，進(jìn)而該傳熱工質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)熱系統(tǒng)、經(jīng)過(guò)換熱器換熱或直接產(chǎn)生高溫蒸汽來(lái)發(fā)電。

本發(fā)明通過(guò)具有跟蹤功能的聚光器將太陽(yáng)光反射聚焦到二次聚光器和集熱管上，該二次聚光器內(nèi)部上放置有光伏裝置，該光伏裝置吸收利用太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光進(jìn)行發(fā)電，由于聚光作用，其可達(dá)到比普通光伏裝置更高的發(fā)電效率。并且該光伏裝置具有背面反射層，其可將入射太陽(yáng)光中光伏裝置所不能吸收利用的紫外光和近紅外光再次反射到集熱管上，該部分太陽(yáng)光也得到了充分利用。所述集熱管吸收聚光太陽(yáng)輻射加熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)，進(jìn)而通過(guò)換熱器換熱或直接產(chǎn)生高溫蒸汽進(jìn)行發(fā)電。另外，由于光伏裝置可以利用環(huán)境中的散射光進(jìn)行發(fā)電，即使在陰天也可以發(fā)電，進(jìn)一步提升了該系統(tǒng)的電力產(chǎn)出。因此本發(fā)明通過(guò)兩次聚光，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)全光譜的綜合高效利用，相比單獨(dú)的光伏系統(tǒng)或光熱發(fā)電系統(tǒng)，本發(fā)明顯著提高了系統(tǒng)的利用效率和電力產(chǎn)出。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明處于聚光位置的全光譜光伏光熱聯(lián)合裝置結(jié)構(gòu)縱向示意圖；

圖2為本發(fā)明處于聚光位置的全光譜光伏光伏聯(lián)合裝置結(jié)構(gòu)軸向示意圖；

圖3為本發(fā)明二次聚光器位于集熱管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)縱向示意圖；

圖4為本發(fā)明所涉及的光伏裝置和冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明采用拋物面槽式聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明采用菲涅爾式聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明采用拋物面槽式聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1主聚光器、2集熱管、3二次聚光器、4光伏裝置、5冷卻裝置、6支架、7光伏電池層、8背面反射層、9保護(hù)底層、10玻璃外管、11金屬內(nèi)管、12微通道、13非聚光的光伏電池裝置，14波紋管。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明全光譜光伏光熱聯(lián)合裝置包括集熱管2、二次聚光器3、光伏裝置4、冷卻裝置5和支架6。所述集熱管2和所述二次聚光器3位于所述主聚光器1的聚焦處，所述二次聚光器3為復(fù)合拋物面聚光器，通過(guò)支架6固定在集熱管2的上方。所述主聚光器1將太陽(yáng)輻射反射聚焦到所述集熱管2和所述二次聚光器3上，所述二次聚光器3將太陽(yáng)輻射再次反射聚焦到所述集熱管2上。

所述光伏裝置4位于二次聚光器3的內(nèi)壁面上。所述光伏裝置4包括光伏電池層7、背面反射層8和保護(hù)底層9。光伏裝置4吸收利用入射太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分進(jìn)行發(fā)電，其背面反射層8將入射太陽(yáng)光中光伏電池層所不能吸收利用的紫外光和近紅外光反射到所述集熱管2上，所述冷卻裝置5位于光伏裝置4的保護(hù)底層的9背面，對(duì)所述光伏裝置4進(jìn)行冷卻。

所述集熱管2包括同軸的玻璃外管10和金屬內(nèi)管11，玻璃外管10與金屬內(nèi)管11之間為真空，為了緩解玻璃外管10和金屬內(nèi)管11之間由于溫度不同導(dǎo)致的膨脹量不同，在玻璃外管10的端部還連接有波紋管14，波紋管14的另一端與金屬內(nèi)管11的端部連接。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)綜合利用率，可以在支架6上安裝固定非聚光的光伏電池裝置13，非聚光的光伏電池裝置13可以直接發(fā)電。

圖3為二次聚光器3放置于集熱管2內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖，與圖1不同的是，二次聚光器3位于玻璃外管10內(nèi)并位于金屬內(nèi)管11的上方，光伏裝置4、冷卻裝置5及支架6也位于玻璃外管10內(nèi)。

圖4以剖面圖示出光伏裝置4和冷卻裝置5的結(jié)構(gòu)。光伏裝置4包括光伏電池層7、背面反射層8和保護(hù)底層9，所述背面反射層8位于光伏電池層7和保護(hù)底層9之間，所述保護(hù)底層9與冷卻裝置5相連。所述冷卻裝置5為具有多個(gè)微通道12的冷卻系統(tǒng)。

以下為采用本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖5所示，本實(shí)施例為采用拋物面槽式聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)，主要包括主聚光器1，集熱管2、二次聚光器3、光伏裝置4、冷卻裝置5和支架6。主聚光器1采用大型拋物面槽式聚光器，如開(kāi)口寬度在5米～9米的聚光器，增大開(kāi)口寬度可顯著降低太陽(yáng)能鏡場(chǎng)成本；主聚光器1通過(guò)跟蹤太陽(yáng)可最大限度采集太陽(yáng)輻射，并將其反射聚焦到集熱管2和二次聚光器3上。集熱管2包括同軸的玻璃外管10和金屬內(nèi)管11，玻璃外管10與金屬內(nèi)管11之間為真空以減少熱損失，在玻璃外管10的兩個(gè)端部各連接一個(gè)波紋管14，波紋管14的另一端與金屬內(nèi)管11的端部連接，形成封閉空間。金屬內(nèi)管11上具有高吸收比、低發(fā)射比的選擇性吸收膜層，玻璃外管10上也帶有增透膜層，透光率達(dá)到95％以上。二次聚光器2為復(fù)合拋物面聚光器(CPC)，可將太陽(yáng)光再次反射聚焦到集熱管2上。二次聚光器3采用高反射比的反光鋁材料制作，并通過(guò)支架6固定在集熱管2的上方，使二次聚光器3不發(fā)生變形，支架6為輕質(zhì)鋁材料制作，并在集熱管2兩端進(jìn)行支撐。本實(shí)施例采用了4組光伏裝置4放置于二次聚光器3的內(nèi)壁面上。光伏裝置4包括光伏電池層7、背面反射層8和保護(hù)底層9，光伏電池層7采用InGaP/GaAs結(jié)構(gòu)的砷化鎵異質(zhì)結(jié)光伏電池材料，其效率高，且適合應(yīng)用于高倍聚光光伏系統(tǒng)中，砷化鎵光伏電池材料的耐溫性較普通光伏電池要高很多，其發(fā)電效率仍可達(dá)到24％以上。光伏電池層7的背面為背面反射層8，背面反射層8采用具有高反射率的鍍銀層，由于背面反射層8緊貼在二次聚光器3的內(nèi)壁上，該背面反射層8面型及方位符合復(fù)合拋物面面型，因此背面反射層8可將光伏電池層7所不能吸收利用的紫外光和近紅外光反射到集熱管2上；背面反射層8的背面有保護(hù)底層9，保護(hù)底層9一方面保護(hù)背面反射層8和光伏電池層7，另一方面為與冷卻裝置5連接。冷卻裝置5為具有多個(gè)當(dāng)量直徑為2mm的微通道12的冷卻系統(tǒng)，采用鋁材料制作，其傳熱特性好，可對(duì)聚光的光伏裝置4進(jìn)行冷卻降溫。另外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)綜合利用率，在支架6上安裝固定了非聚光的光伏電池裝置13，光伏電池裝置13采用普通晶硅電池或薄膜電池，可以直接發(fā)電。本實(shí)施例中可以將多個(gè)這種聚光型全光譜的光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)，集熱管2相互聯(lián)通實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱達(dá)到400-650℃高溫，進(jìn)而通過(guò)換熱器換熱或直接產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電，而冷卻裝置5中的傳熱工質(zhì)為水，其經(jīng)過(guò)冷卻裝置4預(yù)熱后可進(jìn)入水——蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，充分利用了系統(tǒng)的熱能。

實(shí)施例2

如圖6所示，本實(shí)施例為采用菲涅爾聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)，主要包括主聚光器1，集熱管2、二次聚光器3、光伏裝置4、冷卻裝置5和支架6。主聚光器1采用大型菲涅爾聚光器，其由多排平面或曲面反射鏡構(gòu)成，降低了太陽(yáng)能鏡場(chǎng)成本。主聚光器1通過(guò)跟蹤太陽(yáng)可最大限度采集太陽(yáng)輻射，并將其反射聚焦到集熱管2和二次聚光器3上。集熱管2包括同軸的玻璃外管10和金屬內(nèi)管11，玻璃外管10與金屬內(nèi)管11之間為真空以減少熱損失。金屬內(nèi)管11上有高吸收比、低發(fā)射比的選擇性吸收膜層，玻璃外管10上也帶有增透膜層，透光率達(dá)到95％以上。二次聚光器3為復(fù)合拋物面聚光器(CPC)，可將太陽(yáng)光再次反射聚焦到集熱管2上。二次聚光器3采用具有防磨擦保護(hù)層的高反射比鍍銀膜層材料制作，并通過(guò)支架6固定在集熱管2的上方，保證二次聚光器2不發(fā)生變形。支架6為輕質(zhì)鋁材料制作，并在集熱管2兩端進(jìn)行支撐。本實(shí)施例中采用了4組光伏裝置4放置于二次聚光器3的內(nèi)壁面上。光伏裝置4包括光伏電池層7、背面反射層8和保護(hù)底層9，光伏電池層7采用三結(jié)砷化鎵光伏電池材料，效率更高，且適合應(yīng)用于高倍聚光光伏系統(tǒng)中，耐溫性較普通光伏電池要高很多，光電效率一般在28％以上；在光伏電池層7背面為背面反射層8，背面反射層8采用具有高反射率的鍍鋁層，由于背面反射層8緊貼在二次聚光器3內(nèi)壁上，該背面反射層8面型及方位符合復(fù)合拋物面面型，因此背面反射層8可將光伏電池層7所不能吸收利用的紫外光和近紅外光反射到集熱管2上；背面反射層8的背面具有保護(hù)底層9，其一方面保護(hù)背面反射層8和光伏電池層7，另一方面與冷卻裝置5進(jìn)行連接。冷卻裝置5為具有多個(gè)當(dāng)量直徑為1mm的微通道12的冷卻系統(tǒng)，冷卻裝置5采用銅材料制作，傳熱特性更好，可對(duì)聚光的光伏裝置4進(jìn)行冷卻降溫。另外，由于集熱管2及二次聚光器3都固定不隨系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)綜合利用率，在支架6的上部和兩側(cè)都安裝固定了非聚光的光伏電池裝置13，非聚光的光伏電池裝置13采用普通晶硅電池或薄膜電池，可以直接發(fā)電。中可以將多個(gè)本實(shí)施例這種聚光型全光譜的光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)串聯(lián)，集熱管2相互聯(lián)通實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱達(dá)到400-600℃高溫，進(jìn)而進(jìn)入儲(chǔ)熱系統(tǒng)或通過(guò)換熱器換熱產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電，而冷卻裝置5中的傳熱工質(zhì)為水，其經(jīng)過(guò)冷卻裝置4預(yù)熱后可進(jìn)入水——蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，充分利用了系統(tǒng)的熱能。

如圖7所示，本實(shí)施例為采用拋物面槽式聚光器的全光譜光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)，具體主要包括主聚光器1，集熱管2、二次聚光器3、光伏裝置4、冷卻裝置5和支架6。主聚光器1采用拋物面槽式聚光器，如開(kāi)口寬度在2米～8米的聚光器；主聚光器1通過(guò)跟蹤太陽(yáng)可最大限度采集太陽(yáng)輻射，并將其反射聚焦到集熱管2和二次聚光器3上。集熱管2包括同軸的玻璃外管10和金屬內(nèi)管11，玻璃外管10與金屬內(nèi)管11之間為真空以減少熱損失。金屬內(nèi)管11上具有高吸收比、低發(fā)射比的選擇性吸收膜層，玻璃外管10上也帶有增透膜層，透光率達(dá)到95％以上。二次聚光器3為復(fù)合拋物面聚光器(CPC)，可將太陽(yáng)光再次反射聚焦到集熱管2上。二次聚光器3采用高反射比的反光鋁材料制作，并通過(guò)支架6固定在玻璃內(nèi)管10里面，并位于金屬內(nèi)管11的上方，支架6為不銹鋼材料制作。本實(shí)施例采用了4組光伏裝置4放置于二次聚光器3的內(nèi)壁面上。光伏裝置4包括光伏電池層7、背面反射層8和保護(hù)底層9，光伏電池層7采用單結(jié)砷化鎵光伏電池材料。光伏電池層7的背面為背面反射層8，背面反射層8采用具有高反射率的鍍銀層，由于背面反射層8緊貼在二次聚光器3的內(nèi)壁上，該背面反射層8面型及方位符合復(fù)合拋物面面型，因此背面反射層8可將光伏電池層7所不能吸收利用的紫外光和近紅外光反射到集熱管2上；背面反射層8的背面有保護(hù)底層9，保護(hù)底層9一方面保護(hù)背面反射層8和光伏電池層7，另一方面為與冷卻裝置5連接。冷卻裝置5為具有多個(gè)當(dāng)量直徑為2mm的微通道12的冷卻系統(tǒng)，采用鋁材料制作，其傳熱特性好，可對(duì)聚光的光伏裝置4進(jìn)行冷卻降溫，冷卻裝置5的兩端從集熱管2的兩端伸出。本實(shí)施例中可以將多個(gè)這種聚光型全光譜的光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)，集熱管2相互聯(lián)通實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱達(dá)到100-650℃，而冷卻裝置5中的傳熱工質(zhì)為水，其經(jīng)過(guò)冷卻裝置4預(yù)熱后可進(jìn)入水——蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，充分利用了系統(tǒng)的熱能。