聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组技术方案

技术编号:14491483 阅读:11 留言:0更新日期:2017-01-29 14:15
本发明专利技术涉及一种聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组,该聚光光热系统包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器、和用于容纳传热流体的黑体腔;其中,该黑体腔具有被密封的入射窗口;该次级聚光器安装在入射窗口处,接收由初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至黑体腔内。本发明专利技术的聚光光热系统不仅可以降低系统成本、有利于系统的小型化,而且还能够减少系统的热损耗、提高系统的光热转换效率。

聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光热转换装置;更具体地讲,本专利技术涉及一种聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组
技术介绍
聚光光热系统可以利用汇聚的太阳光直接和/或间接加热作为传热流体的液体或气体介质,然后由传热流体为各种生产过程或人类生活所需提供热能。图1是现有技术中的一种黑体太阳能光热光电转化器。如图1所示,该转化器包括具有至少一个开口部位2并构造为双层套管结构的黑体器件1,在黑体器件1的内部设置有包括太阳能光电转换涂层以及光热转换涂层的太阳能转换涂层3,开口部位2供聚焦后的阳光射入,光热转换涂层吸热后将热量传递到容纳于双层套管间的液体介质,加热液体介质以供使用。图2和3示出了现有技术中的一种含有汇聚功能黑体腔的两级抛物型槽式太阳能聚光系统。如图2和3所示,该系统主要由反射镜和空腔式真空集热管组两部分组成,其中:反射镜包括主反射镜1和副反射镜2,主反射镜1和副反射镜2通过支架3相连接;空腔式真空集热管组主要由人工黑体腔外壳4和设置于人工黑体腔外壳4中的管式吸热器组5组成,人工黑体腔外壳4顶部开有入射口6;人工黑体腔外壳4位于主反射镜1和副反射镜2之间;副反射镜2的反射面为一个椭圆面,其椭圆面上焦点与主反射镜1焦点重合,椭圆面下焦点位于人工黑体腔外壳4中心处,副反射镜2将经过主反射镜1汇聚后的入射太阳光束进行再次反射,使太阳光束通过入射口6进入黑体4,黑体4吸收热量后传递给内有液体介质的管式吸热器组5,加热管式吸热器组5中的液体介质以供使用。以上现有技术的主要缺点为:1、入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值过大,导致黑体光学损失和热损耗增加由黑体理论可知,射入黑体的光线大部分被吸收,少部分会被反射到入射窗口处而脱离黑体,这部分脱离黑体的光线就不能再加以利用,从而导致光线损失,损失的光线占总入射光线的比值称为黑体光学损失。黑体光学损失同入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值呈正相关,入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值越大,黑体的光学损失就越大。为减少入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值,可以采用扩大黑体内腔表面积和/或减小入射窗口面积的方法。由于成本、加工、安装、遮挡等问题的存在,黑体内腔表面积不可能无限扩大,因此入射窗口的面积大小就成为了影响黑体光学损失的重要因素。对于以上现有技术而言,考虑到安装、加工精度及系统运行精度,聚光焦点并不是固定的,而是将聚光焦点设计在一定的范围内。为保证在此范围内的光线都能够射入黑体内腔,必须将入射窗口设计得较大,由此导致黑体光学损失和热损耗增加。2、需要进行二次换热,导致热量应用范围缩减和光热转换效率降低上述现有技术中,黑体吸收光线、转化为热能后,需要将热能传递给流体,通过流体的不断流动,提供稳定的热量供使用。在热量传递中,黑体涂层需要通过固体(如图1中的套管内层、图2和3中构成管式吸热器组5的管道)或流体(如图2和3中人工黑体腔外壳4和管式吸热器组5间所填充的流体)等其他中间介质才能将热量传递到最终可以利用的流体中。热量的多次传递增大了传热温差和热损耗,而增大传热温差会减少对热量的应用范围,增大热损耗则会降低整体的系统效率。3、入射窗口处会产生对流换热,增大系统热损耗对于图1中的现有技术而言,为增加光线透过率及减小工艺难度,入射窗口(开口部位)处是不进行密封的。当黑体吸收光线升温时,势必会加热黑体内腔的空气,加热后的空气会在入射窗口处与外界空气产生对流换热,并将热量传递到外界空气中,从而增大系统热损耗。4、入射窗口位置必须在聚光焦点,对系统结构设计的限制较大为保证光线入射到黑体内部,黑体的入射窗口必须在焦点位置,这会对系统机械支撑结构的设计构成较大限制,也使得机械支撑结构容易对光线产生遮挡,进而影响系统效率。图4示出了现有技术中的另外一种光热转换系统。如图4所示,该光热转换系统包括聚光器1、接收器2、光缆或管道镜3、入射口4、散射器5、容器或管道6;其中,聚光器1是抛物线形的球形面或柱状面,接收器2与光缆或管道镜3相连,光缆或管道镜3与入射口4相连;接收器2位于聚光器1的焦点接受聚集的太阳光,并将聚焦后方向不一的太阳光线反射成方向基本一致的强太阳光束后传送给光缆或管道镜3;光缆或管道镜3将强光束多次反射,最终将强光束输送到入射口4;强光束经入射口4进入散射器5,散射器5将传播方向基本一致的强光束散射开来;容器或管道6接收经入射口4射入并经散射器5散射的太阳光束,在内部介质与内壁面吸收,将太阳光能转换成热能。然而,这种光热转换系统仍然存在着诸多不足:首先,光缆或管道镜3无法保证全部光线发生全反射,由此导致产生光线损失,且其距离越长,光线损失越大;其次,接收器2形成为空腔结构,而空腔结构的反射光学损失会很大;再次,该系统需要先将聚焦后的光线反射成方向基本一致的光束,再利用散射器5对该光束进行散射,由此使得该系统的结构复杂化,而且传热流体中的杂质很容易附着在散射器5的表面,长期使用极易导致其散射性能及系统效率的显著降低。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的第一方面提供了一种改进的聚光光热系统,其包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器和用于容纳传热流体的黑体腔;其中,该黑体腔具有被密封的入射窗口;该次级聚光器安装在入射窗口处,接收由初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至黑体腔内。上述技术方案中,采用全反射式次级聚光器来将初级聚焦元件所汇聚的太阳光传送至黑体腔内,一方面,由于光线在次级聚光器内部发生全反射,因而基本上没有或只有非常少的反射损失;另一方面,由于进入次级聚光器光线入射端面的光线是角度各异的,经过各反射面的全反射后再从次级聚光器的光线出射端面射出时仍然是角度各异的,因此本专利技术中可以无需在黑体腔内设置散射器;进一步地,全反射式次级聚光器还可以使出射的光线更加均匀,避免因某一点处光线过于集中而产生的过热。如前所述,入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值影响着黑体的光学损失。上述技术方案中,次级聚光器安装在入射窗口处,一方面,次级聚光器光线入射端面的面积可以设置得较大,以将各种条件下的初级聚焦元件的聚光焦点位置全部包括进去,而光线出射端面的面积只需要考虑满足次级聚光器内的全反射即可,因此光线入射端面的面积会大于光线出射端面的面积,相对于现有技术中使用入射窗口来收集光线而言,次级聚光器的光线入射端面做的较大可以增大入射光的入射范围,降低安装、加工及系统运行成本,并有利于系统的小型化;另一方面,黑体腔入射窗口的面积与次级聚光器光线出射端面的面积可以基本相同,因此较小的光线出射端面面积将会带来较小的入射窗口面积并增大黑体内腔的表面积,从而降低入射窗口面积与黑体内腔表面积的比值,进而降低黑体的光学损失。上述技术方案中,初级聚焦元件的聚光焦点不需要设置在黑体腔的入射窗口范围内,而只需要将该聚光焦点控制在具有较大面积的次级聚光器的光线入射端面范围内,且安装在入射窗口处的次级聚光器可以构造为具有不同的几何外形,其外形设计相对比较灵活,从而减少对黑体腔及系统机械支撑结构的设计限制,并可尽量避免因对光线的遮挡而影响系统效率。上述技术方案中,黑体腔吸收光线并将其转化为热能后,直接将热能传递给传热流体,或由传热流体直接吸收光线并将其转化为热能,由此可以通过传热流体的不断流动,提供稳定的本文档来自技高网
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聚光光热系统及包括其的光电光热联产模组

【技术保护点】
一种聚光光热系统,包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器和用于容纳传热流体的黑体腔;其中,所述黑体腔具有被密封的入射窗口;所述次级聚光器安装在所述入射窗口处,接收由所述初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至所述黑体腔内。

【技术特征摘要】
1.一种聚光光热系统,包括初级聚焦元件、全反射式次级聚光器和用于容纳传热流体的黑体腔;其中,所述黑体腔具有被密封的入射窗口;所述次级聚光器安装在所述入射窗口处,接收由所述初级聚焦元件所聚集的太阳光并将所接收到的太阳光传送至所述黑体腔内。2.如权利要求1所述的聚光光热系统,其中,所述次级聚光器伸入所述黑体腔的入射窗口内,并与所述黑体腔形成密封且固定连接。3.如权利要求1所述的聚光光热系统,其中,所述次级聚光器的光线入射端面和光线出射端面的面积比大于等于2。4.如权利要求1所述的聚光光热系统,其中,所述次级聚光器构造为使得进入其中的光线发生不超过两次全反射。5.如权利要求1所述的聚光光热系统,其中,所述黑体腔的内表面分布有光热转换材料...

【专利技术属性】
技术研发人员:李忠实周伟王晓凯
申请(专利权)人:青海聚光高新科技有限公司
类型:发明
国别省市:青海;63

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