光谱、光强协同优化的太阳能全光谱利用的装置及方法制造方法及图纸

一种光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，该装置包括：聚光组件，用于聚集太阳光；分频组件，位于所述聚光组件的聚光线路上，将入射光源分为供光伏电池高效利用的第一光束与视情况利用的第二光束；反应器，位于所述分频组件分离的第二光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第二光束，同时也作为制取反应产物的场所；光伏电池，位于所述分频组件分离的第一光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第一光束并将其发电利用。本发明专利技术将第一光束经光伏电池转换为电能，剩余的第二光束视反应类型经反应器转换为热能或其他形式的能量，以此实现太阳能的全光谱利用与梯级利用。

【技术实现步骤摘要】
光谱、光强协同优化的太阳能全光谱利用的装置及方法
本专利技术涉及能源利用
，尤其涉及一种光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补制备化学产品的装置及方法。
技术介绍
为了应对环境问题与能源危机，太阳能作为一种总量巨大的可再生绿色能源受到越来越多的关注。目前比较有应用前景的太阳能利用技术主要有光伏技术和光热技术。太阳能光伏利用技术是通过太阳能光伏电池的光生伏特效应产生电能，其优势是可将部分太阳光直接转换为高品质的电能。但是，由于半导体材料禁带宽度的限制，如图10所示，光伏电池可以利用的太阳光主要集中在可见光与近红外范围(如单晶硅光伏电池可利用300-1100nm范围太阳光)，这意味着有大部分的太阳能没有被利用，而是转变为余热。理论上，单结光伏电池的太阳能发电效率极限为31％；目前，实验室中单晶硅光伏电池的效率为26.1％。另外，光伏电池发电效率随运行温度的升高不断降低。以单晶硅光伏电池为例，其运行温度每升高1℃，发电效率约下降3％。实际运行中，受运行温度升高、电路电阻、灰尘等因素的影响，光伏电池的利用效率会进一步降低。太阳能光热利用技术是将太阳光转换为热能并加以利用，该技术最大的优势是太阳能热利用效率较高，技术成本低，太阳能热水、太阳能空气集热等技术已得到广泛应用。由于光热转换过程可以近似利用全光谱太阳光，因此太阳能光热技术并不面临无法利用太阳能全光谱的问题。但是，太阳能的品位较高，为0.93，而一般太阳能集热温度在400℃左右(点聚焦可在800℃)，该热能的品位仅为0.55，所以在太阳能光热转换过程中不可逆损失严重，大量可用能在此过程中被浪费掉。太阳能热发电技术近年来发展迅速，但后续热能到电能的转换过程同样存在多种能量损失，加之光热发电的系统成本高，可靠性差，复杂性高，依然难以大规模推广。针对独立的光伏发电技术与独立的光热利用技术具有的不可避免的缺点，太阳能光伏光热综合利用技术近几年快速发展。该技术通过将一部分太阳能经光伏电池转换为电能，剩余部分太阳能经光伏电池(或经光热利用装置)转换为热能，可以实现太阳能的对口、梯级利用。根据是否存在分频过程，该技术可以分为太阳能光伏余热利用技术与太阳能分频光伏光热利用技术。太阳能光伏余热利用技术中，太阳光首先经光伏电池转换为电能与热能，电能直接对外输出，热能经余热利用装置回收后用于后续过程。在该技术中，回收热能的温度无法高于光伏电池的运行温度，而光伏电池的温度受限于自身原理无法太高(对于硅基光伏，一般低于100℃，对于砷化镓光伏电池，一般低于200℃)且随着运行温度的升高光伏发电效率不断下降，因此回收的热能属于低品位热能，其利用价值较低，而且回收热能获得的收益会被光伏电池效率下降部分抵消掉。太阳能分频光伏光热利用技术中，分频组件将太阳光分为两部分，一部分适宜光伏电池利用被投射至光伏电池并被部分转换为电能，另一部分经光热利用装置转换为热能。在该技术中，适宜光伏利用的光谱被光伏电池转换为电能与余热，实现了该部分太阳光谱的梯级利用；剩余部分的太阳光谱经光热利用装置利用，其温度不再受到光伏电池限制，即避免了将高品位太阳能直接转换为低品位光伏余热。但是，现有太阳能分频光伏光热利用技术仅将光伏电池无法利用的长波分频至光热利用部分，其并未关注光伏同样无法高效利用的短波太阳光。以硅光伏电池为例，其虽然可利用波段在300-1100nm的太阳光，但是，受限于光伏效应原理，如图9所示，其对于波长较短的太阳光利用效率较低；而在现有的太阳能分频光伏光热利用技术中，仅有波长大于1100nm的太阳光被分频至光热利用部分，而并未将光伏电池同样无法高效利用的波长较短(如小于300nm)的太阳光分频至光热利用部分。此外，如果光伏电池离太阳直射角度过大，会存在明显余弦损失；并且，经过分频之后的用于光热利用的太阳光能量到达光热利用装置时已经降低，又由于集热装置同时会因自身的高温对外进行全光谱的辐射散热，这就导致了到达光热利用装置的太阳光能量又经过辐射散热损失大部分，进而使光热效率进一步降低，所以，在某些天气条件下，比如多云天气，经过聚光分频后的太阳光因为光照不强而导致光热效率降低。无论太阳能的单独利用还是综合利用，他们都面临着太阳能不连续、不稳定造成的供能不稳定的缺点。这使得太阳能利用系统产生的能量，如果直接供给用户则无法满足用户的需求；如果接入电网，则会对电网造成冲击，增加电网运行成本。储能则是解决这个问题的关键。如果将太阳能储存为燃料化学能(如氢能、甲醇燃料等)，就可以克服太阳能不稳定、不连续的缺陷，同时借助燃料性质稳定、便于运输的优点，可以进一步实现太阳能在时间、空间上的二次分配。太阳能向化学能的转换过程存在多种方式，一是直接制取化学燃料，如直接制取氢气；还有一种方式是多步进行，即先利用太阳能制取作为中间产物的化工产品，然后再将得到的化工产品送入化工厂进行后期加工，得到燃料。目前将太阳能转化为化学能的方法有很多，以用水为原料制氢气为例，其实现过程大致可分为以下几类：①太阳能光伏电解水制氢②太阳能光热热解水制氢(只是理论上的可能)③太阳能光热-热化学循环分解水制氢④光催化制氢⑤光电解制氢等。太阳能光伏电解水制氢，其优点是技术成熟、设备简单、无污染，所得氢气纯度高、杂质含量少，适用于各种场合，缺点是耗能大、某些电解池(如质子交换膜电解池)技术的制氢成本高、一般需要贵金属催化剂。不考虑电能的来源时，电解水技术的效率可以达到90％，但考虑到光伏电池发电效率，实际上太阳能光伏电解水制氢的能量利用效率不足30％。以太阳能光伏产生的电能作为电解水的能源来源，一定程度上解决了电厂烧煤用电的传统能源能耗大的问题，但是太阳能转化为电能会有一定的能量损失，加之此方法无法利用太阳能全光谱，大部分太阳能被转化为低温热能，这就造成了太阳能光伏电解水方法的太阳能利用效率低下。并且某些电解池进行低温电解需要贵金属催化剂，电解成本高的问题尚未得到解决。太阳能高温热解水制氢只是理论上的方法。其原理就是利用太阳能将水加热到一定的高温，将水分解成氢气和氧气，最后通过分离制得纯氢的过程。这是一个很强的吸热反应，当反应温度提高到4700K时，反应的吉布斯自由能才能降为零。常温下平衡转化率极小，在温度高于2500K时，分解率仅为4％，3000K以上才有实际应用的可能。考虑到高温热源难以匹配、对反应器适用材料要求苛刻以及氢氧混合存在爆炸隐患等问题，水的直接热解实用性不强。利用太阳能光热-热化学循环分解水制氢，光热转换过程可以近似利用全光谱太阳能，太阳能利用效率较高，但是制氢效率很低，加上此方法的反应温度一般高达1500℃，技术难度大，并且反应需频繁升降温，形成热冲击，不可逆损失大。除了将太阳能转化为电能或热能进行氢气的制取，还有几种方式，包括光催化技术、光电催化技术等。光催化制氢技术，即在颗粒光催化系统中，光催化剂粉末分散在水中，在太阳光的辐射下，使催化剂价带电子受辐射跃迁至导带。当催化剂的导带负于水的析氢还原电位时，受激发的光生电子就可在对应催化活性位点发生还原反应，进而产生氢气。太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，包括：/n聚光组件，用于聚集太阳光；/n分频组件，位于所述聚光组件的聚光线路上，将入射光源分为供光伏电池高效利用的第一光束与视情况利用的第二光束，其中，第二光束包括长波光部分与短波光中不能被光伏电池高效利用的部分，以此提高短波太阳光的利用效率，实现太阳能全光谱利用；/n反应器，位于所述分频组件分离的第二光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第二光束，同时也作为制取反应产物的场所；/n光伏电池，位于所述分频组件分离的第一光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第一光束并将其发电利用；/n经光伏电池转换而来的电能也输送至反应器中，与反应器中利用第二光束转换而来的高温热能或其他形式能量一同参与制备反应产物。/n

【技术特征摘要】
1.一种光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，包括：
聚光组件，用于聚集太阳光；
分频组件，位于所述聚光组件的聚光线路上，将入射光源分为供光伏电池高效利用的第一光束与视情况利用的第二光束，其中，第二光束包括长波光部分与短波光中不能被光伏电池高效利用的部分，以此提高短波太阳光的利用效率，实现太阳能全光谱利用；
反应器，位于所述分频组件分离的第二光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第二光束，同时也作为制取反应产物的场所；
光伏电池，位于所述分频组件分离的第一光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第一光束并将其发电利用；
经光伏电池转换而来的电能也输送至反应器中，与反应器中利用第二光束转换而来的高温热能或其他形式能量一同参与制备反应产物。


2.根据权利要求1所述的光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，所述聚光组件与分频组件的位置能够交换；选择是否由聚光组件聚焦太阳光，根据实际情况进行修改，保护光伏电池，使其不会因太阳光过强而损坏。


3.根据权利要求1所述的光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，在所述反应器附近增加一个聚光组件，将聚集的光全部用于反应器；
作为优选，改变所述光伏电池与反应器1∶1的关系，即让多个光伏电池与一个反应器互补利用。


4.一种可调节能量分配比的光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，包括：
聚光组件，用于聚集太阳光；
分频组件，位于所述聚光组件的聚光线路上，将入射光源分为供光伏电池高效利用的第一光束与视情况利用的第二光束，其中，第二光束包括长波光部分与短波光中不能被光伏电池高效利用的部分，以此提高短波太阳光的利用效率，实现太阳能全光谱利用；
反应器，位于所述分频组件分离的第二光束光路的焦点处或焦点附近，用于接收所述分频组件分离的第二光束，同时也作为制取反应产物的场所；
反光镜片，用于将供光伏利用的第一光束进行反射；
光伏电池，位于所述反光镜片的反射光路上，用于接收所述分频组件分离的可供光伏电池发电的第一光束；
经光伏电池转换而来的电能也输送至反应器中，与反应器中利用第二光束转换而来的高温热能或其他形式能量一同参与制备反应产物；
作为优选，所述装置通过调节分频光束与未经分频光束的配比关系，实现太阳能转换而来的各种能量比例的可调节效果，实现了太阳能自身分配的各种能量比例关系与制备化学产物过程所需的最佳能量比例关系的匹配，提高了太阳能的利用效率。


5.根据权利要求1～4任一项所述的光谱、光强协同优化的太阳能全光谱互补利用装置，其特征在于，所述聚光组件为透射式聚光组件或反射式聚光组件；
作为优选，所述聚光组件包括菲涅尔式太阳能聚光组件、槽式...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天寿，李文甲，朱强，刘建宏，唐英伦，王悦阳，陈镇南，王晨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12