一种太阳能光热光电分频利用系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种太阳能光热光电分频利用系统，包括聚光单元、光热单元，光电单元以及热量回收单元。其中聚光单元、光热单元和光电单元从上到下依次设置。光热单元和光电单元的内部均具有通道，并通过该通道连通；通道内含有半导体纳米流体，流动方向为从光电单元流向光热单元，以冷却光电单元并在光热单元中对经过的太阳光进行光电和光热的分频。光电单元和光热单元还通过各自内部的通道与热量回收单元连接，以形成回路。本发明能够有效降低光伏电池的工作温度，提高太阳光的光热转换效率、光电转换效率和能源品位，降低成本。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能热电联用【技术领域】，涉及一种太阳能光热光电分频利用系统。 一种太阳能光热光电分频利用系统
【背景技术】
[0002] 当今能源紧缺、环境污染成为了困扰了世界各国的重大问题，而太阳能作为一 种新型可再生清洁能源受到了越来越多的关注。据计算，太阳辐射到地球的能量高达 4X 1015MW，是地球能耗的2000倍。因此，开发太阳能资源对解决世界能源环境问题具有重 大的现实意义。
[0003] 目前对太阳能的利用主要集中在光热、光电、光化学、光生物转换等。在太阳辐射 中，仅有一部分光能能够被光伏电池吸收，转化为电能，其余的光能部分，被电池吸收后仅 能转化为热。目前，光伏电池的光电转换效率较低，一般仅为5%?20%，其余的能量被转 化为热能，提高了电池板的温度，降低了光电效率。如果能将光伏电池不能利用的热能收集 起来，不仅有利于提高光电转化效率，也得到了可以利用的热能。传统的光电光热一体化 (PH0T0V0LTAIC/THERMAL，简称PV/T)复合系统正是基于这一原理，在电池背面布置冷却流 体，吸收电池热量。然而，受限于电池的允许温度，采用这种方法仅能获得品位不高的热能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种太阳能光热光电分频利用系统，以有效提高太阳能总 转化效率，获取高品位热能。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
[0006] -种太阳能光热光电分频利用系统，包括聚焦太阳光的聚光单元、吸取所述太阳 光热能的光热单元，对所述太阳光进行光电转化的光电单元以及热量回收单元，所述聚光 单元、光热单元和光电单元从上到下依次设置；所述光热单元和所述光电单元的内部均具 有通道，并通过所述通道连通；所述通道内含有半导体纳米流体，流动方向为从所述光电单 元流向所述光热单元，以冷却所述光电单元并在所述光热单元中对经过的太阳光进行光电 和光热的分频；所述光电单元和所述光热单元还通过各自内部的所述通道与所述热量回收 单元连接，以形成回路。
[0007] 所述半导体纳米流体为非化学计量比Cu2_xs半导体纳米流体，其中所述X大于0且 小于2。
[0008] 所述系统还包括太阳能跟踪单元，以检测太阳光方向，并根据所述检测结果控制 所述聚光单元、所述光热单元和所述光电单元垂直于所述太阳光方向。
[0009] 所述聚光单元为板状的菲涅尔透镜。
[0010] 所述光热单元包括圆形管状的石英套管，所述石英套管内部的通道即为所述光热 单元内部的通道。
[0011] 所述聚光单元的焦点处于所述石英套管的圆心位置。
[0012] 所述石英套管在300nm?2500nm波段具有90%以上的透射率。
[0013] 所述光电单元包括方形管状的铝管、通过粘结层粘贴在所述铝管上表面的光伏电 池以及包围所述铝管下表面的保温层；所述方形管状的铝管内部的通道即为所述光电单元 内部的通道。
[0014] 所述光伏电池为晶硅电池板；所述粘结层的导热率为4?5WAm · K)。
[0015] 所述热量回收单元包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵； 所述循环管道一端连接所述光热单元内部的通道，另一端连接所述光电单元内部的通道。
[0016] 由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
[0017] 1)有效提高了光热转换效率。纳米流体流经光电单元不仅对电池片进行了冷却， 同时也是进入光热单元前的预热，这有效提高了光热转换效率。
[0018] 2)有效提高光电转换效率。采用纳米流体选择性地过滤、吸收与光伏电池不匹配 的电磁波，避免了这部分电磁波带来的温升，从而提高光伏电池的光电效率。
[0019] 3)有效控制电池片温度。通过纳米流体吸收光伏电池的热量，对其进行冷却。
[0020] 4)有效提高能源品位。相比较传统PV/T系统，本发明的光热单元温度独立于光电 单元温度，光热产物不仅仅是40?50°C的废热，而是可远高于光伏电池的许用温度，这种 中温流体不再是废热，可通过斯特林循环、有机朗肯循环等技术再次转化为电能。
[0021] 5)有效降低了成本。采用聚光技术能够大幅度减少光伏电池的面积，降低系统成 本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例中太阳能光热光电分频利用系统的结构示意图。
[0023] 附图中：1、冷却水；2、换热器；3、流量调节阀；4、循环泵；5、纳米流体；6、保温层； 7、粘结层；8、铝管；9、光伏电池；10、石英套管；11、聚光板。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
[0025] 本发明提出了一种太阳能光热光电分频利用系统，图1为该系统的结构示意图。 该系统包括聚光板11、石英套管10、光伏电池9、铝管8、保温层6、Cu 2_xS半导体纳米流体5、 换热器2、冷却水1、流量调节阀3、循环泵4及太阳光跟踪仪等。其中，Cu 2_xS半导体纳米流 体5为非化学计量比半导体纳米流体，其中X大于0且小于2。
[0026] 太阳光跟踪仪检测太阳光的方向，并将检测的结果用于辅助调整聚光板11的方 向，保证聚光板11的板面始终与太阳光垂直，从而尽可能多地接收到太阳光的辐射能量。 本实施例中，聚光板11、光伏电池9和太阳光跟踪仪接受太阳光辐射的表面三者之间两两 平行。聚光板11为菲涅尔透镜，用于将太阳光聚焦到该系统中。
[0027] 石英套管10按照其圆心与聚光板11的焦点重合的方式放置。石英套管10在可 见光近红外波段即300nm?2500nm波段具有高通透率（90 %以上的透射率），能够对太阳 光起到增透减反的作用，该石英套管10为具有内部通道的圆形管道，其内部通道内含有 Cu2_xS半导体纳米流体5,该石英管道10及其中的Cu2_ xS半导体纳米流体5构成光热单元， 吸收部分波段经过其中的太阳光的热量并使得其他波段的太阳光透过。
[0028] 铝管8为具有内部通道的方形管道，其内部通道与石英套管10的内部通道连通， 因此两者内部通道中的Cu2_xS半导体纳米流体5也相通，流动方向为从铝管8到石英套管 10。光伏电池9为晶硅电池板，通过由高导热率（导热率为4?5WAm ·Κ))的粘结剂构成 的粘结层7粘贴在铝管8上表面上，其中高导热率的粘结层7能够保证光伏电池9的冷却 效果均匀良好。此外，铝管8的底面上还设置有保温层6,以进一步防止热量流失，保证光伏 电池9的热量尽可能多地用于预热铝管8中的Cu 2_xS半导体纳米流体5。光伏电池9和铝 管8形成光电单元。
[0029] Cu2_xS半导体纳米流体5具有可调制光谱辐射特性，符合光热光电转换匹配要求。 石英套管10中的Cu 2_xS半导体纳米流体5可以将太阳光中不符合光电转换要求的波段吸 收并用于产热，而允许剩余的波段辐射到光伏电池9上进行光电转换；而铝管8内的Cu 2_xS 半导体纳米流体5可以对光伏电池9进行冷却。
[0030] 该系统中，聚光板11、石英套管10、光伏电池9、粘结层7、铝管8由上往下（垂直 于太阳光方向）依次设置。
[0031] 该系统还包括热量回收单元，该热量回收单元包括换热器2,换热器2的一侧循环 管道中的换热介质为冷却水1，另一侧循环管道的两端分别连通石英套管10的内部通道和 铝管8的内部通道，因此该侧循环管道中的换热介质为Cu 2_xS半导体纳米流体5。其流动 方向为从石英套管8的内部通道流入换热器2中，经过换热器2后流入铝管8的内部通道。 如图1所示，在换热器2与铝管8之间通过循环管道还连接有流量调节阀3和循环泵4,流 量调节阀3控制Cu 2_xS半导体纳米流体5的流量，循环泵4为Cu2_xS半导体纳米流体5提供 动力，保证其沿着上述流动方向流动。从石英套管8中流出的Cu 2_xS半导体纳米流体5温 度较高，其在换热器2中与冷却水1进行热交换，被冷却水1冷却，冷却后的Cu 2_xS半导体 纳米流体5被送入到铝管8中。
[0032] 该系统运行时，太阳光经聚光板11聚集到该系统上，首先经过通有Cu2_ xS半导体 纳米流体5的石英套管10。由于波长处于300nm到1050nm之间的太阳光可以被光伏电池 有效地转化为电能，而波长大于1200nm的电磁波无法在晶硅中产生光伏作用，同时本发明 中Cu 2_xS半导体纳米流体5对300nm至1050nm波段的太阳光具有高透射特性，而对小于 300nm或大于1050nm的其他波段的太阳光具有强烈的吸收作用，对提高太阳能利用率和所 获得的能源品位具有突出的贡献。因此，石英套管10中的Cu 2_xS半导体纳米流体5可将太 阳光中不符合光电转换要求的波段吸收掉用于产热，剩余的波段辐射到光伏电池9上进行 光电转换。
[0033] 由于从换热器2送入到铝管8中的Cu2_xS半导体纳米流体5温度较低，能够对光伏 电池9进行冷却；同时，由于光伏电池9与铝管8之间的粘结层7具有高导热率，因此Cu 2_xS 半导体纳米流体5对光伏电池9的冷却效果均匀且明显。在对光伏电池9冷却的同时，铝 管8中的Cu 2_xS半导体纳米流体5由于吸收光伏电池9的热量而被加热，随后流入石英套 管10中。因此，光电单元的冷却成为了光热单元的预热。Cu 2_xS半导体纳米流体5在石英 套管10中被进一步加热得到高温热，之后进入换热器2中，在换热器2中与冷却水1换热 后再次流入循环管路中。
[0034] 本发明在已有研究的基础上，采用了一种具有可调制光谱特性的非化学计量比半 导体纳米流体作为传热载体和太阳辐射的过滤分频流体。太阳光辐射经过该流体过滤后， 不能转化为电能的光谱部分被首先吸收，转变为热能，而能够有效转变为电能的辐射透过 该流体到达光伏电池，转化为电能。由于可以实现太阳能从光谱分布上的分离，使光电与光 热在光谱上能够进行调节匹配；同时实现了将光电单元的冷却转化成光热单元的预热，因 此该系统不仅降低了光伏电池温度，提高光电转换效率，同时也可以获得温度较高的高品 位的可用热能，提高了太阳能的总转化率。该系统产生的电能可以直接向外界输送；同时， 该系统能够产生较高品位的热能，因此也可以通过斯特林循环或有机朗肯循环等技术进行 发电。
[0035] 上述的对实施例的描述是为便于该【技术领域】的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在 本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种太阳能光热光电分频利用系统，包括聚焦太阳光的聚光单元、吸取所述太阳光 热能的光热单元，对所述太阳光进行光电转化的光电单元以及热量回收单元，其特征在于： 所述聚光单元、光热单元和光电单元从上到下依次设置； 所述光热单元和所述光电单元的内部均具有通道，并通过所述通道连通；所述通道内 含有半导体纳米流体，流动方向为从所述光电单元流向所述光热单元，以冷却所述光电单 元并在所述光热单元中对经过的太阳光进行光电和光热的分频； 所述光电单元和所述光热单元还通过各自内部的所述通道与所述热量回收单元连接， 以形成回路。
2. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述半导体纳 米流体为非化学计量比Cu2-xS半导体纳米流体，其中所述X大于0且小于2。
3. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述系统还包 括太阳能跟踪单元，以检测太阳光方向，并根据所述检测结果控制所述聚光单元、所述光热 单元和所述光电单元垂直于所述太阳光方向。
4. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述聚光单元 为板状的菲涅尔透镜。
5. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述光热单元 包括圆形管状的石英套管，所述石英套管内部的通道即为所述光热单元内部的通道。
6. 根据权利要求5所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述聚光单元 的焦点处于所述石英套管的圆心位置。
7. 根据权利要求5所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述石英套管 在300nm?2500nm波段具有90%以上的透射率。
8. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述光电单元 包括方形管状的铝管、通过粘结层粘贴在所述铝管上表面的光伏电池以及包围所述铝管下 表面的保温层；所述方形管状的铝管内部的通道即为所述光电单元内部的通道。
9. 根据权利要求8所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述光伏电池 为晶硅电池板；所述粘结层的导热率为4?5WAm · K)。
10. 根据权利要求1所述的太阳能光热光电分频利用系统，其特征在于：所述热量回收 单元包括通过循环管道依次连接的换热器、流量调节阀和循环泵；所述循环管道一端连接 所述光热单元内部的通道，另一端连接所述光电单元内部的通道。
【文档编号】F24J2/08GK104101113SQ201410298252
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】安巍, 张洁 申请人:同济大学