太阳能发电集热系统及其太阳能发电集热装置的制作方法

本发明涉及太阳能发电供热设备领域，特别涉及太阳能发电集热系统及其太阳能发电集热装置。

背景技术：

光热发电技术是将太阳能转化成热能，然后利用热能发电，热能发电时通过换热器等生成水蒸汽，然后利用水蒸汽进行发电，这种发电技术产生的热能容易存储，但是需要太阳光直接照射，效率受地域和季节影响较大。

光热供热技术是将光能直接转换成热能，产生热能供居民使用、工业供热。光热供热技术中通常需要使用太阳能集热装置，目前常用的太阳能集热装置为槽式太阳能集热装置、太阳追踪机构，槽式太阳能集热装置包括槽式反光板和设置在槽式反光板上的集热管，槽式反光板将太阳光线反射至集热管对集热管进行加热，集热液吸收的热量用于供热。但是，在实际应用中，根据使用条件或者由于季节的限制，供热量需求会发生变化，非固定值，有些情况下不需要供热或供热量较小，则装置利用率低，光能不能得到充分的利用，供热成本高，这也阻碍了光热供热技术的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太阳能发电集热装置，以解决目前的太阳能集热装置的光能利用率低的问题；另外，本发明的目的还在于提供一种使用上述太阳能发电集热装置的太阳能发电集热系统。

为实现上述目的，本发明的太阳能发电集热装置的第一种技术方案为：太阳能发电集热装置包括支架和设置在支架上的集热管，支架上还设有用于将光线反射到集热管上的反光板，所述支架上设有双面光伏组件，双面光伏组件姿态可调，且通过调整姿态调节分配反光板上反射至集热管和双面光伏组件上的光照量。

本发明的太阳能发电集热装置的第二种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热装置的第一种技术方案的基础上，所述双面光伏组件始终处于集热管与反光板之间的反射光线路径上，所述双面光伏组件一端摆动装配在支架上。

本发明的太阳能发电集热装置的第三种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热装置的第二种技术方案的基础上，所述双面光伏组件的摆动轴线平行于集热管的轴线，所述的双面光伏组件设有至少一对，同一对的两个双面光伏组件的摆动轴线相互靠近设置。

本发明的太阳能发电集热装置的第四种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热装置的第三种技术方案的基础上，所述支架上设有用于调节双面光伏组件摆动角度的角度调节装置，所述角度调节装置包括步进电机和由步进电机驱动的蜗轮蜗杆机构，所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、与蜗轮啮合的等径齿轮、与步进电机传动连接并带动蜗轮旋转的蜗杆，所述蜗轮和等径齿轮分别与一对双面光伏组件中的两个双面光伏组件连接带动对应的双面光伏组件摆动。

本发明的太阳能发电集热装置的第五种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热装置的第一种至第四种技术方案的基础上，所述双面光伏组件处于集热管与反光板之间的反射光线路径上，太阳能发电集热装置还包括用于根据入射光线的变化调整支架位置的自动追踪系统，双面光伏组件具有平行于反射光线的避让位，反光板设有至少两块，处于避让位的双面光伏组件沿入射光线方向的投影处于相邻反光板之间的间隔处。

本发明的太阳能发电集热系统的第一种技术方案为：太阳能发电集热系统包括太阳能发电集热装置和供热管路，太阳能发电集热装置包括支架和设置在支架上的集热管，支架上还设有用于将光线反射到集热管上的反光板，所述支架上设有双面光伏组件，双面光伏组件姿态可调，且通过调整姿态调节分配反光板上反射至集热管和双面光伏组件上的光照量。

本发明的太阳能发电集热系统的第二种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热系统的第一种技术方案的基础上，所述双面光伏组件始终处于集热管与反光板之间的反射光线路径上，所述双面光伏组件一端摆动装配在支架上。

本发明的太阳能发电集热系统的第三种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热系统的第二种技术方案的基础上，所述双面光伏组件的摆动轴线平行于集热管的轴线，所述的双面光伏组件设有至少一对，同一对的两个双面光伏组件的摆动轴线相互靠近设置。

本发明的太阳能发电集热系统的第四种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热系统的第三种技术方案的基础上，所述支架上设有用于调节双面光伏组件摆动角度的角度调节装置，所述角度调节装置包括步进电机和由步进电机驱动的蜗轮蜗杆机构，所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、与蜗轮啮合的等径齿轮、与步进电机传动连接并带动蜗轮旋转的蜗杆，所述蜗轮和等径齿轮分别与一对双面光伏组件中的两个双面光伏组件连接带动对应的双面光伏组件摆动。

本发明的太阳能发电集热系统的第五种技术方案为：在本发明的太阳能发电集热系统的第一种至第四种技术方案的基础上，所述双面光伏组件处于集热管与反光板之间的反射光线路径上，太阳能发电集热装置还包括用于根据入射光线的变化调整支架位置的自动追踪系统，双面光伏组件具有平行于反射光线的避让位，反光板设有至少两块，处于避让位的双面光伏组件沿入射光线方向的投影处于相邻反光板之间的间隔处。

本发明的有益效果为：本发明的太阳能发电集热装置的反光板与集热管之间的反射光线路径上设有姿态可调的双面光伏组件，与目前的太阳能集热装置相比，本发明的太阳能发电集热装置通过调整双面光伏组件可以调整反光板反射至集热管上的光照量，在双面光伏组件通过调整姿态调节反光板上反射至集热管上的光照量时，双面光伏组件遮挡一部分反射光线反射至集热管，并且遮挡一部分入射光线入射至反光板，被双面光伏组件遮挡的入射光线和反射光线均能够被双面光伏板利用，双面光伏组件利用该部分光线能够进行发电，通过调整光伏板组件的姿态，可以自由调整分配反光板上反射至集热管和双面光伏组件上的光照量。在不需要进行供热时，或者供热量减小时，可以尽可能地利用双面光伏组件进行发电，解决了目前的太阳能集热装置光能利用率低的问题。双面光伏组件在常规布置方式下，其背面只能利用自然光，没有太阳直接照射光线，组件的利用率低，而本发明中的双面光伏组件可以充分利用反光板的反射光线，有效提高双面光伏组件的背面的发电能力，提高组件的利用率。

进一步的，所述双面光伏组件处于集热管与反光板之间的反射光线路径上，太阳能发电集热装置还包括用于根据入射光线的变化调整支架位置的自动追踪系统，双面光伏组件具有平行于反射光线的避让位，反光板设有至少两块，处于避让位的双面光伏组件沿入射光线方向的投影处于相邻反光板之间的间隔处，一方面能够节省反光板材料，降低整个装置的重量，另一方面间隔形成的雨雪水流道，避免反光板上积水，另外，间隔也能形成通风流道，降低风阻，同时降低双面光伏组件表面的温度。

附图说明

图1是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1中反光板与集热管的结构示意图；

图2是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1中双面光伏组件处于遮挡位时的状态示意图；

图3是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1中双面光伏组件处于避让位时的示意图；

图4是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1中双面光伏组件摆动至避让位和遮挡位之间的位置的状态示意图；

图5是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1的自动追踪系统的结构示意图；

图6是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1的角度调节装置的结构示意图；

图7是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1的双面光伏组件的结构示意图；

图8是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1的供热系统的原理图；

图9是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例1的组件角度调节机构自动追踪控制原理图；

图10是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例2的供热系统的原理图；

图11是本发明的太阳能发电集热装置的具体实施例3的供热系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的太阳能发电集热系统的具体实施例1，太阳能发电集热系统包括太阳能发电集热装置和与之配套的供热系统。如图1和图5所示，太阳能发电集热装置包括安装台1和转动装配在安装台1上的支架2，支架2上设有集热管3。支架2上还设有用于将光线反射至集热管3上的反光板4，安装台上设有用于根据入射光线的变化调整支架2位置的自动追踪系统，自动追踪系统通过调节支架2的位置调节反光板4的位置，自动追踪系统使反光板4与入射光线的夹角始终保持一致。本实施例中反光板4为抛物线型槽式，反光板4设有两个，两个反光板之间具有反光板对称平面，集热管3的轴线处于反光板对称平面上，反光板4反射的反射光线聚焦在集热管3上对集热管3内的工质加热，集热管3内的工质被加热后用于做功或供热。本发明所述太阳能发电指的是光伏组件发电。

本实施例中，集热管3沿南北方向布置，自动追踪系统使反光板4和集热管3转动，使反光板4反射的光线始终能够反射至集热管3上。如图5所示，支架2具有支架转向轴21，自动追踪系统包括与支架转向轴21连接的支架角度调节机构，支架角度调节机构包括第一步进电机22、与支架转向轴21固定连接的第一蜗轮23和与第一蜗轮23传动连接第一蜗杆24，第一蜗杆24与第一步进电机22的电机轴连接，第一步进电机22固定在安装台1上。自动追踪系统根据太阳方位角位置，控制第一步进电机22的转动，通过蜗轮蜗杆机构的减速作用，带动支架2转动。涡轮蜗杆传动机构只是具体说明自动追踪系统的一种形式，其它的能够进行有效的自动追踪的系统一样适用。

如图2至图4、图7所示，支架2上摆动装配有双面光伏组件5，双面光伏组件的两面均能够利用太阳能发电，本实施例中，双面光伏组件为平板状结构，其他实施例中，根据需要双面光伏组件还可以是弧形等其他形状。双面光伏组件5始终处于集热管与反光板之间的反射光线路径上。双面光伏组件5的摆动轴线平行于集热管3的轴线。双面光伏组件5具有摆动端51和摆动装配在支架2上的铰接端52，双面光伏组件5的一端铰接在支架2上。

本实施例中，双面光伏组件5处于集热管3与反光板4之间的反射光线路径上，双面光伏组件5具有平行于经过光伏组件摆动轴的反射光线的避让位和遮挡全部反射光线射至集热管3上的遮挡位。调节双面光伏组件5时，双面光伏组件5在遮挡位与避让位之间摆动。双面光伏组件5处于遮挡位和避让位之间的位置时，双面光伏组件5遮挡一部分反射光线，被遮挡的反射光线无法反射至集热管3上。通过使双面光伏组件5摆动可以调整双面光伏组件5的姿态，调整双面光伏组件5的姿态可以调节反光板4上反射至集热管3上的光照量。双面光伏组件5处于遮挡位和避让位之间的位置时，双面光伏组件5遮挡一部分反射光线反射至集热管，也遮挡一部分入射光线入射至反光板4，入射光线和出射光线被双面光伏组件5遮挡后均能够被双面光伏板利用，双面光伏组件5利用该部分光线能够进行发电，在不需要进行供热时，可以利用双面光伏组件5进行发电，提高了光能利用率。

本实施例中，反光板4设有两个，两个反光板4间隔设置，两个反光板4之间的间隔42与双面光伏组件5沿入射光线方向布置并被处于避让位的双面光伏组件5遮挡，处于避让位的双面光伏组件5沿入射光线方向的投影处于相邻反光板之间的间隔42处，入射光线无法照射到两个反光板4之间的间隔42。设置的间隔42一方面能够节省反光板4材料，降低整个装置的重量，另一方面间隔42内形成雨雪流道，同时也能够形成通风流道，降低风阻的同时降低双面光伏组件5表面的温度。

本实施例中，双面光伏组件5设有一对，两个双面光伏组件5处于集热管3之下、槽式反光板4之上并关于反光板对称平面对称设置。两个双面光伏组件5的铰接端52靠近反光板4的反光板对称平面设置。

如图6和图7所示，支架2上还设有用于调节双面光伏组件5摆动角度的角度调节装置，角度调节装置包括第二步进电机6和与第二步进电机6连接的第二蜗轮蜗杆机构，第二蜗轮蜗杆机构包括与第二步进电机6的电机轴连接的第二蜗杆61和与一个双面光伏组件5的铰接轴同轴固定连接以带动双面光伏组件5摆动的第二蜗轮62。角度调节装置还包括与第二蜗轮啮合并与第二蜗轮等径的第二齿轮63，第二齿轮63与另一个双面光伏组件5的铰接轴固定连接。通过第二步进电机6和第二蜗轮蜗杆机构可以调节两个双面光伏组件5的位置，进而调节在集热管3与双面光伏组件5上的光照量。选择涡轮蜗杆减速机构，一方面可以实现大的减速传动比，另一方面，机构具有自锁功能。其他实施例中，当不需要精细自动调节的情况下，为降低成本，可以选择手动调节一对等径齿轮的方式实现双面光伏组件5位置的调节，调节完成后，齿轮应具有锁死机构。双面光伏组件5固定在铰接轴上，第二蜗轮62固定在铰接轴上。支架2包括集热管支撑柱25，铰接轴通过轴承连接在集热管支撑柱25上。图6中的涡轮与等径齿轮并不代表实际大小，仅是为了说明其原理的结构示意图。

图2为双面光伏组件5处于遮挡位时的状态示意图，此时双面光伏组件5和反光板对称平面之间的夹角为90°，入射光线a照射到槽式反光板4的最左边，反射后投射到双面光伏组件5的最左边；入射光线b照射到双面光伏组件5的最左边之外，入射光线b反射后恰好投射到双面光伏组件5的最右边。ab之间的入射光线经槽式反光板4反射后，全部投射到双面光伏组件5的背光面，且覆盖双面光伏组件5的整个背光面，双面光伏组件5背光面光照均匀。入射光线c照射到双面光伏组件5的最右边处。bc之间的入射光线全部直接照射到双面光伏组件5的迎光面内，ac之间的入射光线全部用于双面光伏组件5发电，没有反射光线投射到集热管3上。

双面光伏组件5处于遮挡位时，双面光伏组件5和反光板对称平面之间的夹角为90°，在自动追踪系统的作用下，双面光伏组件5表面法线和直接照射光线之间的夹角最小，可以有效提高双面光伏组件5迎光面的光照量。

如图3所示，双面光伏组件5逆时针摆动至避让位时，反射光线与双面光伏组件5平行，双面光伏组件5的背光面上不能接收反射光线。入射光线a照射到反光板4的最左边，反射后投射到集热管3上；入射光线b对应的反射光线和双面光伏组件5背光面平行，投射到集热管3上。入射光线c照射到双面光伏组件5的最左边之外，反射后投射到集热管3上。入射光线d照射到双面光伏组件5的最右边处。ac之间的入射光线不考虑双面光伏组件5的厚度的情况下，经反光板4反射后，全部投射到集热管3上。cd之间的入射光线全部直接照射到双面光伏组件5的迎光面内。

双面光伏组件5处于避让位时，双面光伏组件5的背光面上不能接收到反射光线，迎光面的光照量最小，反光板4上的反射光线全部射至集热管3上，集热管3上获得最大的反射光照。由于双面光伏组件5的遮挡，在入射光线方向上处于双面光伏组件5后的反光板4上布置间隔42，一方面节省反光板4材料，降低装备重量，另一方面，能够形成雨雪水流道，同时形成通风流道，能够降低风阻，降低双面光伏组件表面温度。

如图4所示，双面光伏组件5摆动至避让位和遮挡位之间的位置，入射光线a照射到反光板4的最左边，反射后投射到集热管3上；入射光线b对应的反射光线投射到双面光伏组件5的最左边，入射光线c对应的反射光线照射到双面光伏组件5的最右边，入射光线d照射到双面光伏组件5的最左边之外，反射后投射到集热管3上。入射光线e照射到双面光伏组件5的最右边处。ab、cd之间的入射光线不考虑双面光伏组件5的厚度的情况下，经反光板4反射后，全部投射到集热管3上。bc之间的入射光线全部反射到双面光伏组件5的背光面内，双面光伏组件5的整个背光面内的反射光照是比较均匀的。de之间的入射光线全部直接照射到双面光伏组件5的迎光面。投射到双面光伏组件5迎光面、背光面上的总光照量大于双面光伏组件5处于避让位时双面光伏组件5获得的总光照量，小于双面光伏组件5处于遮挡位时双面光伏组件5获得的总光照量。通过角度调节装置，可以有效地调节在光伏发电、光热供热之间的光照量分配，从而根据需要，最大限度地利用好光能。

本实施例中的双面光伏组件的一端铰接在支架上，并且两个双面光伏组件的铰接端间隔设置，以适应间隔设置的两块反光板，双面光伏组件在姿态调整的过程中始终处于反射光线的路径上。使用时无论光伏组件处于何种姿态，均能够保证双面光伏组件的背光面和迎光面受到光照的均匀性，避免光伏板上一部分能够接收光照而另一部分不能接收光照形成光斑效应，损坏光伏组件，同时充分利用两块光伏板的间隔，提高双面光伏组件的利用率。

在供电和供热的过程中，通过角度调节装置非常灵活地在集热管3与双面光伏组件5之间分配光照量，因此，可以根据天气预报、高温储热元件内的储热量等参数，灵活控制双面光伏组件5与反光板对称平面之间的夹角、导热液流量等控制量，满足供热需求的情况下，最大限度地多发电。如图9所示，假定导热液流量是定值，在有光照情况下，给出了双面光伏组件5位置的自动控制原理图。根据天气预报、高温储热元件内的储热量等参数，动态计算目标储热量，进一步得出需要的集热管3出口导热液温度目标值，根据实测的集热管3出口导热液温度值反馈，根据集热管3出口导热液温度和双面光伏组件夹角之间的函数关系，修正调整双面光伏组件5与反光板对称平面之间的夹角值。双面光伏组件5与反光板对称平面之间的夹角值受最大值、最小值限制。

另外，还可以根据光伏电价等收益和低谷用电价格的差异，合理利用储热元件的容量，在光伏发电、光热供热、用低谷廉价电力供热之间进行平衡，从而调整光伏发电、光热供热之间的光照量分配关系，以期获得最大收益。

当太阳能发电集热装置仅用于热能发电时，即产生的高温导热液用于换热加热蒸汽、并驱动汽轮发电机组发电的情况下，太阳能发电集热装置可以灵活控制集热管3与双面光伏组件5之间的光照量分配，利用光伏发电调节惯性小、调节速度快的特点，满足系统对于电功率快速调整的需要；同时，双面光伏组件5发电加上热能发电的总容量大于单纯的利用集热管3产生的热能进行热能发电的容量，可以在白天的一定时间段内增大系统的对外供电能力。

为提高太阳能发电集热装置的供热可靠性，需要配套布置储热元件、辅助加热元件，满足连续可靠供热需求。如图8所示，太阳能发电集热系统包括储热元件、辅助加热元件、换热元件。简化起见，没有画出导热液驱动泵、控制阀等元件。

集热管3中的导热液选用导热油，导热油具有比热容大，加热温度至比较高而无相变、导热液压力低等优点，有利于在储热元件中储热。储热元件中的高温导热液在间壁式换热元件中，和水进行热交换，水可以被加热为热水，还可以被加热为一定压力的蒸汽，通过管路提供到热用户。换热元件的水侧生成蒸汽的情况下，或者其它做功工质的情况下，可以用于驱动供冷装置，通过供冷装置向用户提供冷源。通过布置辅助加热元件，在光热供热装置提供的热量不足时，用于补充加热。本实施例中，辅助加热元件采用空气源热泵、电锅炉，也可以采用燃气锅炉，有外部热源时，还可以是外部热源等。空气源热泵是主要辅助加热元件，因其加热效率较高；可采用电锅炉作为应急加热装置，其加热效率相对较低，造价低，可以补充空气源热泵的容量不足。这样做的目的在于，一方面，可以利用低谷或平段电价进行辅助加热，同时在储热装置中储热，降低用电成本；同时，低谷用电时，可以有效避开高峰期用电负荷，避免或减少输配电装置增容发生的费用

本发明的太阳能发电集热系统的具体实施例2，本实施例与上述实施例1的区别仅在于：如图10所示，太阳能发电集热装置直接加热水，并用热水罐作为储热元件，热水直接供应热用户。

本发明的太阳能发电集热系统的具体实施例3，本实施例与上述实施例2的区别仅在于：如图11所示，不设置热水罐储热元件，在光照不足时，依靠辅助加热元件提供补充热源。

本发明的太阳能发电集热系统的具体实施例4，本实施例与上述实施例1的区别仅在于：本实施例中，反光板上设有通孔，通孔与双面光伏组件沿入射光线方向布置并被处于避让位的双面光伏组件遮挡，入射光线无法照射到通孔。本实施例中的通孔构成反光板上沿入射光线方向被处于避让位的双面光伏组件遮挡的被遮挡部分。设置的通孔一方面能够节省反光板材料，降低整个装置的重量，另一方面通孔内形成雨雪流道，同时也能够形成通风流道，降低风阻的同时降低双面光伏组件表面的温度。

本发明的太阳能发电集热系统及其太阳能发电集热装置的其他实施例中，双面光伏组件可以转动装配在支架上，双面光伏组件的转动轴线还可以处于中部；上述反光板上的被遮挡部分上可以设有至少两个间隔设置的通孔；上述双面光伏组件的摆动轴线可以与集热管的轴线垂直；上述双面光伏组件可以设置至少两对，同一对双面光伏板组件用一套角度调节装置。

其他实施例中，双面光伏组件可以设置两个以上或者设置一个，设置一个时，双面光伏组件的摆动轴线可以处于集热管的下方，光伏板组件具有水平位和竖直位，水平位时，双面光伏组件遮挡部分反射光线，遮挡反射光照量最大；竖直位时，双面光伏组件不遮挡反射光线；处于水平位和竖直位之间位置时，遮挡反射光照量小于水平位时。

其他实施例中，双面光伏组件可以滑动装配在支架上，需要遮挡反射光线时，通过推拉双面光伏组件至遮挡位实现。

其他实施例中，反光板可以设置两个以上，各反光板呈抛物线型布置以使各反光板的反射光线均能够反射至集热管上。