基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统。

背景技术

太阳能总量巨大，清洁无污染，是解决能源危机的重要方法之一，常见的太阳能利用方式有光伏利用和热利用两种方式。在光伏利用领域，聚光光伏技术是发展重点，但是在生产过程中光伏电池热负荷较高，光伏冷却技术需要优化。将太阳能光伏利用和热利用结合，即光伏光热(PVT)技术，可以实现太阳能的综合利用。在已有的光伏光热系统中，光伏电池与热利用回路通过热耦合方式组合，在给电池降温的同时回收废热实现低温热利用，但是这样产生的热能品位较低，利用价值不高，所以光伏光热系统的发展前景是在于将太阳能光伏利用与高温热利用进行结合。将太阳能光伏利用与高温热利用进行结合的前提是实现光谱分频。

虽然目前存在各种各样的光谱分频的方法，但它们的共同点是采用一维多层结构光子晶体选择性反射或透过紫外光、可见光和近红外太阳光。但这种分频方法要实现高效分频，需要采用层数较多的光子晶体甚至是多个光子晶体的叠加。该方案光子晶体的加工工序较为复杂，成本高昂，难以实现规模化应用，另外现有技术方案并未发现存在完整的将太阳能光伏利用与高温热利用进行结合，并能有效提高太阳能全光谱利用效率的系统。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统，该系统光谱分频方法简单，其利用光伏发电模块中的光伏薄膜只吸收能量大于禁带宽度的光子，进行光伏发电，对能量小于禁带宽度的光子，会透过光伏薄膜然后通过高反射背板反射或汇聚至光热发电模块中的吸收器产生高温，从而实现光热发电，进而可有效提高太阳能全光谱的利用效率。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统，包括：

光伏发电模块，用于吸收太阳光中能量高于禁带宽度的光子，并将吸收的光子能量转化为电能，以及对能量低于禁带宽度的光子进行反射或者汇聚；

光热发电模块，用于吸收反射或者汇聚的光子，以便于产生高温实现光热发电，其中，能量高于禁带宽度的光子为短波太阳光，能量低于禁带宽度的光子为长波太阳光。

优选的，所述光伏发电模块包括光伏薄膜、玻璃板、金属背光镜和电能转换电路，所述玻璃板设置在所述光伏薄膜和金属背光镜之间，所述光伏薄膜用于吸收短波太阳光，并将吸收的短波太阳光通过所述电能转换电路转化为电能输出；所述金属背光镜用于将透过所述光伏薄膜和玻璃板的长波太阳光反射至所述光热发电模块中的吸收器，以提高储热材料温度，其中，所述金属背光镜为平板式结构。

优选的，所述光伏发电模块还包括反射镜，所述反射镜设置在太阳能跟踪支架上，所述反射镜用于反射太阳光至所述光伏薄膜上，其中，所述太阳能跟踪支架的倾斜角度能够随着太阳直射角度变化而变化。

优选的，所述光伏发电模块包括光伏薄膜、金属背光镜和电能转换电路，所述光伏薄膜设置在所述金属背光镜的上表面，所述光伏薄膜用于吸收短波太阳光，并将吸收的短波太阳光通过所述电能转换电路转化为电能输出；所述金属背光镜用于将透过所述光伏薄膜的长波太阳光汇聚至所述光热发电模块中的吸收器，以提高储热材料温度。

优选的，所述金属背光镜为槽式结构或者蝶式结构。

优选的，所述金属背光镜设置在太阳能跟踪支架上，所述太阳能跟踪支架的倾斜角度能够随着太阳直射角度变化而变化。

优选的，所述光伏发电模块包括光伏薄膜、若干块菲涅尔透镜和电能转换电路，若干块菲涅尔透镜设置在所述光伏薄膜的下表面，所述光伏薄膜用于吸收短波太阳光，并将吸收的短波太阳光通过所述电能转换电路转化为电能输出；若干块菲涅尔透镜用于将透过所述光伏薄膜的长波太阳光汇聚至所述光热发电模块中的吸收器，以提高储热材料温度。

优选的，所述光热发电模块包括吸收器、热交换装置、汽轮机和发电机，所述吸收器通过吸收的长波太阳光提高储热材料温度，以用于对所述热交换装置中的蒸汽进行加热，从而通过高温蒸汽推动所述汽轮机转动，以带动所述发电机产生电能。

优选的，所述光伏薄膜的制备材料为半导体材料。

优选的，所述光伏薄膜的制备材料为砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒、单晶硅和钙钛矿薄膜光伏材料中的任意一种。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明提出了一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统，该系统通过光伏薄膜与金属背光镜或者若干块菲涅尔透镜的结合实现了对太阳光的分频利用，相较于其他光谱分频技术结构更加简单、占地更小、投资更少，且运行可靠性更高；另外，本发明可将光伏发电和光热发电相结合，实现了对太阳能的全光谱利用，该系统最高发电效率可达36.8％，其中光热发电占12％，光伏发电占24.8％，相较于传统太阳能发电技术效率更高，对于节能、无污染及可持续发展的生态发展模式具有革新意义；以及本发明提出的背反射光谱分频技术将光伏发电材料无法吸收的长波太阳光反射出去，改善了传统光伏发电太阳能板过热问题，提高了发电效率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构框图。

图2为本发明第一实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

图3为本发明一实施例的光伏发电模块的结构示意图。

图4为本发明第二实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

图5为本发明第三实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

图6为本发明第四实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统。

图1为本发明实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构框图。如图1所示，该基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统100包括光伏发电模块10和光热发电模块20。

其中，光伏发电模块10用于吸收太阳光中能量高于禁带宽度的光子，并将吸收的光子能量转化为电能，以及对能量低于禁带宽度的光子进行反射或者汇聚；光热发电模块20用于吸收反射或者汇聚的光子，以便于产生高温实现光热发电，其中，能量高于禁带宽度的光子为短波太阳光，能量低于禁带宽度的光子为长波太阳光。

本实施例中的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统可以实现太阳光光谱分频，并通过光伏发电模块10和光热发电模块20可实现对太阳能的全光谱利用，进而可有效提高太阳能的利用效率。

下面通过多个实施例对本发明实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统进行详细阐述。

实施例一

图2为本发明第一实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。图3为本发明一实施例的光伏发电模块的结构示意图。

如图2和图3所示，光伏发电模块10包括光伏薄膜11、玻璃板12、金属背光镜13和电能转换电路，玻璃板12(未在图2中显示)设置在光伏薄膜11和金属背光镜13之间，光伏薄膜11用于吸收短波太阳光14，并将吸收的短波太阳光14通过电能转换电路转化为电能输出，然后金属背光镜13用于将透过光伏薄膜11和玻璃板12的长波太阳光15反射至光热发电模块20中的熔盐吸收器21，以提高熔盐温度，其中，金属背光镜13为平板式结构。

本实施例中，光伏发电模块10还包括反射镜16，反射镜16设置在太阳能跟踪支架17上，反射镜16用于反射太阳光至光伏薄膜11上，其中，太阳能跟踪支架17的倾斜角度能够随着太阳直射角度变化而变化。

需要说明的是，光伏薄膜11仅对反射镜16反射的太阳光中的短波太阳光14进行吸收。

具体的，光伏薄膜11位于玻璃板12的上表面，金属背光镜13位于玻璃板12的下表面。若干块反射镜16安装于位于地面的太阳能跟踪支架17上，所述太阳能跟踪支架17可随着太阳直射角度改变倾斜方向，从而使得反射镜16能够最大程度反射太阳光，其中，反射镜16可将太阳光反射至光伏薄膜11上。本实施例中，光伏薄膜11的制备材料为半导体材料，其具体可为砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒、单晶硅和钙钛矿等薄膜光伏材料中的任意一种。

本实施例中，太阳光中能量高于禁带宽度的光子即短波太阳光14，可被光伏薄膜11吸收，并通过电能转换电路转化为电能输出，对于能量低于禁带宽度的光子即长波太阳光15，将直接透过光伏薄膜11抵达金属背光镜13表面，所述金属背光镜13具有较高反射率，可将透过光伏薄膜11的长波太阳光15反射到光热发电模块20中的熔盐吸收器21。所述熔盐吸收器21包括储热部分212、集热部分211和发电部分213，其中，发电部分213用于光热发电。

需要说明的是，光热发电模块20包括熔盐吸收器21、热交换装置、汽轮机和发电机。本实施例中，熔盐吸收器21可吸收由金属背光镜13反射的长波太阳光15提高熔盐温度，然后高温熔盐一部分被储存起来，另一部分用于对热交换装置中的蒸汽进行加热，从而通过高温蒸汽推动汽轮机转动，以带动发电机产生电能。

实施例二

图4为本发明第二实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

如图4所示，光伏发电模块10包括光伏薄膜11、金属背光镜13和电能转换电路，光伏薄膜11设置在金属背光镜13的上表面，光伏薄膜11用于吸收短波太阳光14，并将吸收的短波太阳光14通过电能转换电路转化为电能输出；金属背光镜13用于将透过光伏薄膜11的长波太阳光15汇聚至光热发电模块20中的熔盐吸收器21，以提高熔盐温度。其中，金属背光镜13为槽式结构。金属背光镜13设置在太阳能跟踪支架17上，太阳能跟踪支架17的倾斜角度能够随着太阳直射角度变化而变化。

具体的，金属背光镜13安装在位于地面的太阳能跟踪支架17上，太阳能跟踪支架17可随着太阳直射角度改变倾斜方向，从而使金属背光镜13能够最大程度接收并汇聚长波太阳光15。本实施例中，光伏薄膜11的制备材料为半导体材料，其具体可为砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒、单晶硅和钙钛矿等薄膜光伏材料中的任意一种。

本实施例中，太阳光中能量高于禁带宽度的光子即短波太阳光14，可被光伏薄膜11吸收，并通过电能转换电路转化为电能输出，对于能量低于禁带宽度的光子即长波太阳光15，将直接透过光伏薄膜11抵达金属背光镜13表面，所述金属背光镜13成槽式分布，可将透过光伏薄膜11的长波太阳光15聚焦到熔盐吸收器21。所述熔盐吸收器21可吸收由金属背光镜13汇聚的长波太阳光15提高熔盐温度，其中，高温熔盐一部分被储存起来，另一部分用于加热蒸气，从而推动汽轮机做功，进而带动发电机产生电能。

实施例三

图5为本发明第三实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

如图5所示，所述金属背光镜13为蝶式结构，其更便于将长波太阳光15聚焦至熔盐吸收器21，从而可提高太阳光的利用效率。

需要说明的是，本实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的工作原理与实施例二中的系统的工作原理相同，为避免冗余，此处不再赘述。

实施例四

图6为本发明第四实施例的基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的结构示意图。

如图6所示，光伏发电模块10包括光伏薄膜11、若干块菲涅尔透镜18和电能转换电路，若干块菲涅尔透镜18设置在光伏薄膜11的下表面，光伏薄膜11用于吸收短波太阳光14，并将吸收的短波太阳光14通过电能转换电路转化为电能输出；若干块菲涅尔透镜18用于将透过光伏薄膜11的长波太阳光15汇聚至光热发电模块20中的熔盐吸收器21，以提高熔盐温度。

本实施例中的若干块菲涅尔透镜18处于悬空状态，其可将长波太阳光15汇聚到熔盐吸收器21。本实施例中，光伏薄膜11的制备材料为半导体材料，其具体可为砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒、单晶硅和钙钛矿等薄膜光伏材料中的任意一种。

具体的，太阳光中能量高于禁带宽度的光子即短波太阳光14，可被光伏薄膜11吸收，并通过电能转换电路转化为电能输出，对于能量低于禁带宽度的光子即长波太阳光15，将直接透过光伏薄膜11抵达菲涅尔透镜18的表面，并透过菲涅尔透镜18，通过菲涅尔透镜18聚焦到光热发电模块20中的熔盐吸收器21。所述熔盐吸收器21可吸收由菲涅尔透镜18聚焦的长波太阳光15提高熔盐温度，其中，高温熔盐一部分被储存起来，另一部分用于加热蒸气，从而推动汽轮机做功，进而带动发电机产生电能。

本发明提出了基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统的四个实施例，该多个实施例均可以实现光谱分频，并可提高太阳能全光谱的利用效率。

综上所述，本发明提出了一种基于背反射光谱分频的光伏光热耦合发电系统，该系统通过光伏薄膜与金属背光镜或者若干块菲涅尔透镜的结合实现了对太阳光的分频利用，相较于其他光谱分频技术结构更加简单、占地更小、投资更少，且运行可靠性更高；另外，本发明可将光伏发电和光热发电相结合，实现了对太阳能的全光谱利用，该系统最高发电效率可达36.8％，其中光热发电占12％，光伏发电占24.8％，相较于传统太阳能发电技术效率更高，对于节能、无污染及可持续发展的生态发展模式具有革新意义；以及本发明提出的背反射光谱分频技术将光伏发电材料无法吸收的长波太阳光反射出去，改善了传统光伏发电太阳能板过热问题，提高了发电效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。