專利名稱：太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用中的熱發(fā)電與光伏發(fā)電領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前光伏電池的制作加工，以硅材料為主。硅光伏電池表面接收到的太陽(yáng)輻射含有不 同的波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)光輻照的光子能量和在光伏電池中的穿透深度各不相同。硅光伏電池 對(duì)短波的吸收系數(shù)較大，對(duì)長(zhǎng)波的吸收系數(shù)則較小。而對(duì)于射入電池內(nèi)部的太陽(yáng)光來(lái)說(shuō)， 只有那些光子能量大于禁帶寬度的光子，才能激發(fā)出電子-空穴對(duì)，而那些能量小于禁帶 寬度的光子，則不能激發(fā)出電子-空穴對(duì)?，F(xiàn)有工藝條件下，硅光伏電池只能把很小部分 的輻照轉(zhuǎn)化為電能，其余的絕大部分輻照被轉(zhuǎn)化為熱能耗散。
針對(duì)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的上述問(wèn)題，Kern最早提出了太陽(yáng)能光電/光熱綜合利用(PV/T, Photovoltaic/Therraal)的思想，即在光伏組件的背面鋪設(shè)流道，通過(guò)流體帶走耗散熱能， 并對(duì)這部分熱能加以收集利用[11。 一方面，提高了單位接收面積上的太陽(yáng)能光電/光熱綜合 效率；另一方面，通過(guò)流體冷卻，降低光伏電池溫度，提高其光電效率。PV/T系統(tǒng)可以同 時(shí)向建筑提供電力和熱能，是太陽(yáng)能建筑一體化技術(shù)中的一個(gè)研究亮點(diǎn)。Bergene的理論 研究指出PV/T系統(tǒng)的光電/光熱總效率可以達(dá)到60-80%,比單獨(dú)的光電系統(tǒng)或者光熱系統(tǒng) 都有明顯提高2]。
目前光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的熱量主要應(yīng)用于供暖、熱水等領(lǐng)域，很少有關(guān)于將光電轉(zhuǎn)換中 產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電的研究及報(bào)道。太陽(yáng)能光伏和光熱聯(lián)合發(fā)電的一種原理是利用分光鏡 先把與光伏電池相匹配的光線分離到PV吸收體上，而剩余的光線將轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮苡靡?汽輪機(jī)發(fā)電，如澳大利亞的MTSA (multi-tower solar array)工程[3]?；谶@一原理的 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)存在控制繁瑣，需跟蹤裝置及聚光和吸熱不易匹配的問(wèn)題。David等在2004 年提出了另一種太陽(yáng)能光伏和熱聯(lián)合發(fā)電的原理。該原理不需要分光鏡，而直接讓光伏電 池吸收光能并維持15(TC左右的工作溫度，此時(shí)光伏電池的電效率約為常溫效率的 60%-70%,而內(nèi)部由光能轉(zhuǎn)換的熱能用于推動(dòng)斯特林熱機(jī)發(fā)電w。
總之，市場(chǎng)上非晶硅產(chǎn)品的實(shí)際發(fā)電效率大約只有7.0%,絕大部分太陽(yáng)能輻照轉(zhuǎn)換為 熱能，而這部分熱能的傳統(tǒng)利用方式基本局限于供暖、熱水等方面，太陽(yáng)能的綜合發(fā)電效 率不高。中國(guó)是世界上太陽(yáng)能最豐富的地區(qū)之一，特別是西部地區(qū)，年日照時(shí)間達(dá)3000h以上。 而全國(guó)108萬(wàn)平方公里的荒漠面積也主要分布在光照資源豐富的西北地區(qū)。如果以10%太 陽(yáng)能的利用效率計(jì)算，那么僅需要開(kāi)發(fā)利用1%左右的荒漠，就可以滿足我國(guó)目前的用電 要求。另外，在我國(guó)的北方、沿海等很多地區(qū)，每年的日照量都在2000小時(shí)以上，海南 更是達(dá)到了 2400小時(shí)以上，中國(guó)利用太陽(yáng)能具有廣闊的前景。加快發(fā)展太陽(yáng)能，提高可 再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重，將給我國(guó)帶來(lái)顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高太陽(yáng)能的發(fā)電效率，本發(fā)明提出了太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)。 系統(tǒng)獲得的太陽(yáng)輻照能量首先被光伏電池吸收，部分轉(zhuǎn)換為電能，而轉(zhuǎn)換為熱能的太陽(yáng)輻 照能量將通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle, ORC)轉(zhuǎn)換為電能。
具體的技術(shù)解決方案如下
太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)包括復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、有機(jī) 朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、光伏模塊和光伏電源系統(tǒng)；復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)為復(fù)合拋物面集熱 器陣列，每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器都包括本體、玻璃蓋板ll、兩個(gè)以上的拋物面反射 鏡12、工質(zhì)盤(pán)管13、金屬板凹槽14和吸熱體15，本體的側(cè)壁為夾層，本體側(cè)壁夾層內(nèi)填 充絕熱材料16;金屬板凹槽14上方為吸熱體15，金屬板凹槽14內(nèi)有工質(zhì)盤(pán)管13;所述 光伏模塊包括依次重疊的透明蓋板41、光伏電池43和背板44,且透明蓋板41和光伏電 池43之間、光伏電池43和背板44之間均通過(guò)耐高熱粘合劑42連接；
所述復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17和低溫端復(fù)合拋物 面集熱器陣列18;
所述有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、汽輪機(jī)33、發(fā)電機(jī)34、回?zé)崞?5、冷凝器 36、兩臺(tái)泵及六只閥門(mén)；其中汽輪機(jī)33的輸出端連接著發(fā)電機(jī)34，汽輪機(jī)33的排氣口連 通著回?zé)崞?5,回?zé)崞?5另一端口連通著連冷凝器36,冷凝器36工質(zhì)出口端經(jīng)過(guò)回?zé)?器35連通著回?zé)崞鞅?11,回?zé)崞鞅?11的另一端口通過(guò)閥門(mén)376連通著儲(chǔ)液罐21,并 通過(guò)閥門(mén)374連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322連通著兩相區(qū)蒸發(fā)器321,兩 相區(qū)蒸發(fā)器321通過(guò)閥門(mén)375連通著儲(chǔ)液罐21,儲(chǔ)液罐21通過(guò)閥門(mén)371連通著汽輪機(jī)33 的進(jìn)氣口，儲(chǔ)液罐21的另一端口連通著儲(chǔ)液罐泵312，儲(chǔ)液罐泵312通過(guò)閥門(mén)373連通著 兩相區(qū)蒸發(fā)器321,并通過(guò)閥門(mén)372和閥門(mén)374連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322，兩相區(qū)蒸發(fā)器 321連通著高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322連通著低溫端復(fù)合拋物面 集熱器陣列18;
所述復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17和低溫端復(fù)合拋物 面集熱器陣列18，每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器的吸熱體15上方設(shè)有光伏模塊；所述光 伏模塊的背板44與復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)陣列的吸熱體15相接；光伏模塊的輸出端與光 伏電源系統(tǒng)連接所述復(fù)合拋物面集熱器為低倍率太陽(yáng)聚焦集熱器；
4所述蓄熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)液罐21、盤(pán)管22和相變材料23;盤(pán)管22均布于儲(chǔ)液罐21內(nèi)， 盤(pán)管22內(nèi)填充有相變材料23。
所述復(fù)合拋物面集熱器為聚光比小于3的低倍率太陽(yáng)聚焦集熱器。 所述耐高熱粘合劑42為有機(jī)硅膠粘合劑。 本發(fā)明的具體可行性體現(xiàn)在以下三個(gè)方面
1、 太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電采用ORC循環(huán)，有機(jī)工質(zhì)由于其低沸點(diǎn)特性，在低溫條件下可以 獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)渦輪機(jī)做功，適合于低溫?zé)嵩醋龉Πl(fā)電。0RC循環(huán)是將低溫?zé)?源轉(zhuǎn)換為電能最為經(jīng)濟(jì)且可靠的方式[5]。即使熱源溫度不到100'C, ORC循環(huán)仍舊可以有效 地將低品位熱能轉(zhuǎn)換為電能。瑞典0pcon (奧普康)公司的Powerbox產(chǎn)品可以將溫度只有 55'C的熱源通過(guò)0RC循環(huán)進(jìn)行發(fā)電6]。
2、 非晶硅電池具有良好的溫度特性和高溫運(yùn)行的可靠性。非晶硅電池的功率溫度系 數(shù)大約為0.219i/'C，工作在IOO'C時(shí)仍舊能保持標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試功率的85%左右。美國(guó)聯(lián) 合太陽(yáng)能公司(United Solar Ovinic)的非晶硅電池組件在-40'C到90'C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 200多次熱循環(huán)試驗(yàn)(Thermal Cycle testing)以及在85'C和85%相對(duì)濕度環(huán)境下連續(xù)工 作1000小時(shí)(Damp-Heat testing),仍保持良好的性能[7]。
3、 有機(jī)硅膠粘合劑的主鏈中含有Si-0~Si鍵，具有高的耐熱性，耐候性、優(yōu)良的電 絕緣性和疏水性，是一種非常好的材料[8]。與目前常有的粘合劑EVA相比，有機(jī)硅膠的耐 老化性能明顯優(yōu)于EVA[9]。因此，采用有機(jī)硅膠作為光伏電池粘合劑可以把電池的正常工 作溫度上限(市場(chǎng)上非晶硅電池產(chǎn)品上限值大約為85'C)進(jìn)一步提高。
由于ORC循環(huán)要求的熱源溫度較低，不到IOO'C的熱源就可以維持ORC循環(huán)的正常運(yùn) 行。因此選用低倍率的太陽(yáng)聚焦集熱器就可以得到合適的熱源溫度。聚光比小于3的低聚 光比復(fù)合拋物面集熱器(Compound Parabolic Concentrator, CPC)無(wú)需自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)軌 跡，可以模塊化安裝，易于使用維護(hù)，在太陽(yáng)能中低溫聚焦領(lǐng)域具有極大的實(shí)用性和運(yùn)用 潛力[1°]。 Rabl在對(duì)幾種CPC集熱器評(píng)估中，指出帶有平板或圓柱吸收體的非真空固定CPC 集熱器經(jīng)濟(jì)性能良好；三年多的研究及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表明，在100-160'C的溫度范圍內(nèi)，非 真空CPC集熱器仍舊擁有很好的熱效率，而每年只需對(duì)集熱器傾斜角調(diào)整12—20次[11]。 T. S. Saitoch等通過(guò)實(shí)驗(yàn)把雙層玻璃蓋板的CPC與傳統(tǒng)平板集熱器，真空管集熱器進(jìn)行比 較，指出CPC集熱器的高溫(120'C以上)熱性能極佳，與真空管集熱器相比更適合太陽(yáng) 能熱發(fā)電工程[12]。 T. S. Saitoch還介紹了一種新型的無(wú)跟蹤三維的CPC太陽(yáng)能集熱器(3-D CPC)，在180—200'C的高運(yùn)行溫度范圍內(nèi)集熱效率大約為60%,運(yùn)用于小規(guī)模太陽(yáng)能熱 發(fā)電系統(tǒng)非?？尚衃13]。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻照低能流密度、易于轉(zhuǎn)換為低溫?zé)嵩吹奈锢硖匦耘cORC循環(huán)之間具 有潛在的聯(lián)系。把兩者有機(jī)結(jié)合，可以形成基于ORC循環(huán)的太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電 復(fù)合系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)低聚焦比復(fù)合拋物面集熱器把太陽(yáng)輻照能量聚焦于光伏模塊上，部 分太陽(yáng)輻照能量轉(zhuǎn)換電能，而轉(zhuǎn)換為熱能的太陽(yáng)輻照通過(guò)0RC循環(huán)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和電能。 系統(tǒng)溫度參數(shù)低，不需自動(dòng)跟蹤，易于小型化、模塊化，極大地提高了太陽(yáng)能的綜合發(fā)電 效率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有幾方面的優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明與單一的光伏發(fā)電系統(tǒng)或太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光 伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)總發(fā)電效率大為提高。
2、 本發(fā)明系統(tǒng)具有蓄熱功能，因此不需要額外蓄電池，不存在單獨(dú)光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄
電池充放電過(guò)程中電能損失的問(wèn)題，并降低了光伏電源系統(tǒng)的成本。
3、 本發(fā)明系統(tǒng)采用低倍聚焦的復(fù)合拋物面集熱器，不需要復(fù)雜跟蹤裝置，與非聚光 光伏發(fā)電系統(tǒng)相比減少了電池的使用量，降低了電池成本。
4、 本發(fā)明系統(tǒng)采用兩級(jí)蒸發(fā)器，減小了換熱流體和有機(jī)工質(zhì)傳熱的不可逆性，降低 集熱器和光伏電池的平均運(yùn)行溫度，有利于延長(zhǎng)光伏電池壽命。
5、 本發(fā)明儲(chǔ)液罐中設(shè)有盤(pán)管，盤(pán)管內(nèi)有相變材料(PCM),當(dāng)輻照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，集熱 器獲得的熱量大于系統(tǒng)發(fā)電所需的熱量，此時(shí)發(fā)電與蓄熱可以同時(shí)進(jìn)行；反之，當(dāng)輻照強(qiáng) 度較弱時(shí)，集熱器獲得的熱量小于系統(tǒng)發(fā)電所需的熱量，此時(shí)發(fā)電與釋放熱量可以同時(shí)進(jìn) 行。這不但保證了ORC系統(tǒng)在額定狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，而且，由于系統(tǒng)蓄熱與釋放熱量的過(guò) 程中不需要復(fù)雜的控制設(shè)備就可以與系統(tǒng)發(fā)電同時(shí)進(jìn)行，延長(zhǎng)了蓄熱或釋放熱量的時(shí)間， 因此蓄熱與釋放熱量的功率通常較小，從而減少了相變材料與有機(jī)工質(zhì)的平均換熱溫差。
6、 本發(fā)明工作中，當(dāng)有機(jī)工質(zhì)未能被蒸發(fā)器完全加熱到飽和蒸汽狀態(tài)時(shí)，出口處的 液滴可以匯集在儲(chǔ)液罐中，防止其進(jìn)入汽輪機(jī)而造成機(jī)械損傷。
7、 本發(fā)明工作時(shí)，由于集熱器中的換熱流體與蒸發(fā)器中的有機(jī)工質(zhì)不需要通過(guò)蓄熱 器就能進(jìn)行換熱，從而有效地減小了換熱流體和有機(jī)工質(zhì)的傳熱溫差，提高了集熱器的熱 效率。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2為復(fù)合拋物面集熱器結(jié)構(gòu)示意圖，
圖3為光伏模塊結(jié)構(gòu)示意圖，
圖4為有機(jī)朗肯循環(huán)ORC熱力循環(huán)示意圖，圖5為熱發(fā)電、光伏電池和總發(fā)電效率圖，
圖6為兩級(jí)與單級(jí)蒸發(fā)器條件下光伏電池效率隨有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度變化的曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
實(shí)施例
參見(jiàn)圖1，太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)包括復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)、蓄熱 系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、光伏模塊和光伏電源系統(tǒng)。
復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17和低溫端復(fù)合拋物面集
熱器陣列18,見(jiàn)圖l，每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器都包括本體、玻璃蓋板ll、兩個(gè)以上 的拋物面反射鏡12、工質(zhì)盤(pán)管13、金屬板凹槽14和吸熱體15，本體的側(cè)壁為夾層，本體 側(cè)壁夾層內(nèi)填充絕熱材料16;金屬板凹槽14上方為吸熱體15,金屬板凹槽14內(nèi)有工質(zhì) 盤(pán)管13;每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器的吸熱體15上部安裝有光伏模塊4，見(jiàn)圖2;光伏 模塊4的背板44與復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)陣列的吸熱體15相接；該復(fù)合拋物面集熱器為 聚光比小于3的低倍率太陽(yáng)聚焦集熱器。
光伏模塊包括依次重疊的透明蓋板41、光伏電池43和背板44,且透明蓋板41和光 伏電池43之間、光伏電池43和背板44之間均通過(guò)耐高熱粘合劑42連接，見(jiàn)圖3,耐高 熱粘合劑42為有機(jī)硅膠粘合劑。光伏模塊的背板44與復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)陣列的吸熱 體15相接；光伏模塊的輸出端與光伏電源系統(tǒng)連接；光伏電源系統(tǒng)5包括控制器51、直 流負(fù)載52、逆變器53、交流負(fù)載54，見(jiàn)圖l。
蓄熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)液罐21、盤(pán)管22和相變材料23;盤(pán)管22均布于儲(chǔ)液罐21內(nèi)，盤(pán)管 22內(nèi)填充有相變材料23,見(jiàn)圖l。
有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、汽輪機(jī)33、發(fā)電機(jī)34、回?zé)崞?5、冷凝器36、 兩臺(tái)泵及六只閥門(mén)，見(jiàn)圖l;其中汽輪機(jī)33的輸出端連接著發(fā)電機(jī)34,汽輪機(jī)33的排氣 口連通著回?zé)崞?5,回?zé)崞?5另一端口連通著冷凝器36，冷凝器36工質(zhì)出口端經(jīng)過(guò)回 熱器35連通著回?zé)崞鞅?11,回?zé)崞鞅?11的另一端口通過(guò)閥門(mén)376連通著儲(chǔ)液罐21， 并通過(guò)閥門(mén)374連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322連通著兩相區(qū)蒸發(fā)器321, 兩相區(qū)蒸發(fā)器321通過(guò)閥門(mén)375連通著儲(chǔ)液罐21,儲(chǔ)液罐21通過(guò)閥門(mén)371連通著汽輪機(jī) 33的進(jìn)氣口，儲(chǔ)液罐21的另一端口連通著儲(chǔ)液罐泵312,儲(chǔ)液罐泵312通過(guò)閥門(mén)373連 通著兩相區(qū)蒸發(fā)器321,并通過(guò)閥門(mén)372和閥門(mén)374連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322,兩相區(qū)蒸 發(fā)器321連通著高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322連通著低溫端復(fù)合拋 物面集熱器陣列18。
本發(fā)明的工作原理是這樣的
一、太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)整體工作原理1) 系統(tǒng)處于額定運(yùn)行工況
如圖l所示，復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)接受太陽(yáng)輻照能，太陽(yáng)輻照被光伏模塊4吸收， 部分轉(zhuǎn)換為電能，電能通過(guò)光伏模塊4輸出端接入光伏電源系統(tǒng)，并通過(guò)控制器51連接 直流負(fù)載52或經(jīng)過(guò)逆變器53連接交流負(fù)載54。光伏模塊4內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)吸熱體 15和金屬板凹槽14傳給工質(zhì)盤(pán)管13中的換熱流體。閥門(mén)371、閥門(mén)374、閥門(mén)375打開(kāi)， 其余閾門(mén)關(guān)閉。低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列18中換熱流體通過(guò)液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322中把 熱量傳給有機(jī)工質(zhì)，使液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322出口的有機(jī)工質(zhì)處于飽和液體狀態(tài)附近；高溫端 復(fù)合拋物面集熱器陣列17中換熱流體通過(guò)兩相區(qū)蒸發(fā)器321中把熱量傳給有機(jī)工質(zhì)，使 兩相區(qū)蒸發(fā)器321出口的有機(jī)工質(zhì)處于飽和蒸汽狀態(tài)附近。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中定壓吸熱; 高溫高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)33膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)34發(fā)電；汽輪機(jī)33尾部 排出的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞?5初步冷卻，然后進(jìn)入冷凝器36中定壓冷凝；冷凝器36出 口的有機(jī)工質(zhì)處于液態(tài)并進(jìn)入回?zé)崞?5進(jìn)行預(yù)熱；預(yù)熱后有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞鞅?11進(jìn) 入液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322完成一次發(fā)電循環(huán)。
2) 輻照強(qiáng)度很強(qiáng)，系統(tǒng)需要向外部全功率供電
閥門(mén)371、閥門(mén)373、閥門(mén)374、閥門(mén)375打開(kāi)，其余閥門(mén)關(guān)閉。回?zé)崞鞅?11、儲(chǔ)液 罐泵312都打開(kāi)。儲(chǔ)液罐泵312把儲(chǔ)液罐21內(nèi)的有機(jī)工質(zhì)注入兩相區(qū)蒸發(fā)器321中，加 大兩相區(qū)蒸發(fā)器321內(nèi)的傳熱功率，相變材料23進(jìn)行蓄熱。復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)接受 太陽(yáng)輻照能，太陽(yáng)輻照達(dá)到光伏模塊4，部分轉(zhuǎn)換為電能，電能通過(guò)光伏模塊4輸出端接 入光伏電源系統(tǒng)，并通過(guò)控制器51連接直流負(fù)載52或經(jīng)過(guò)逆變器53連接交流負(fù)載54。 光伏模塊4內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)吸熱體15和金屬板凹槽14把熱量傳給工質(zhì)盤(pán)管13中的 換熱流體。低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列18中換熱流體通過(guò)液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322中把熱量 傳給有機(jī)工質(zhì)；高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列17中換熱流體通過(guò)兩相區(qū)蒸發(fā)器321中把 熱量傳給有機(jī)工質(zhì)。有機(jī)工質(zhì)在液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322和兩相區(qū)蒸發(fā)器321中定壓吸熱；儲(chǔ)液 罐21中的高溫高壓氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)33膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)34發(fā)電；汽輪機(jī) 33尾部排出的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞?5初步冷卻，然后進(jìn)入冷凝器36中定壓冷凝；冷凝器 36出口的有機(jī)工質(zhì)處于液態(tài)并進(jìn)入回?zé)崞?5進(jìn)行預(yù)熱;預(yù)熱后有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞鞅?11 進(jìn)入液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322完成一次發(fā)電循環(huán)。
3) 輻照強(qiáng)度很強(qiáng)，系統(tǒng)需要向外部小功率供電
光伏模塊4輸出電能，有機(jī)朗肯循環(huán)(0RC)系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱。復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng) 接受太陽(yáng)輻照能，太陽(yáng)輻照達(dá)到光伏模塊4，部分轉(zhuǎn)換為電能，電能通過(guò)光伏模塊4輸出 端接入光伏電源系統(tǒng)，并通過(guò)控制器51連接直流負(fù)載52或經(jīng)過(guò)逆變器53連接交流負(fù)載54。光伏模塊4內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)吸熱體15和金屬板凹槽14傳給工質(zhì)盤(pán)管13中的換 熱流體。閥門(mén)372、閥門(mén)374、閥門(mén)375打開(kāi)，其余閥門(mén)關(guān)閉。儲(chǔ)液罐泵312打開(kāi)，回?zé)?器泵311關(guān)閉。儲(chǔ)液罐泵312把儲(chǔ)液罐21內(nèi)的有機(jī)工質(zhì)注入液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322和兩相區(qū) 蒸發(fā)器321中，有機(jī)工質(zhì)獲得來(lái)自換熱流體的熱量，并在儲(chǔ)液罐21中把熱量傳給相變材 料23。
4) 輻照強(qiáng)度在額定工況附近，系統(tǒng)需要向外部供電 運(yùn)行狀態(tài)同系統(tǒng)處于額定運(yùn)行工況。
5) 輻照強(qiáng)度較強(qiáng)，系統(tǒng)不需要向外部供電
復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)接受太陽(yáng)輻照能，太陽(yáng)輻照達(dá)到光伏模塊4，部分轉(zhuǎn)換為電能， 電能通過(guò)光伏模塊4輸出端接入光伏電源系統(tǒng)，并通過(guò)控制器51及逆變器53給儲(chǔ)液罐泵 312提供能量。光伏模塊4內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)吸熱體15和金屬板凹槽14傳給工質(zhì)盤(pán)管 13中的換熱流體。閥門(mén)372、閥門(mén)374、閥門(mén)375打開(kāi)，其余閥門(mén)關(guān)閉。儲(chǔ)液罐泵312打 開(kāi)，回?zé)崞鞅?11關(guān)閉。儲(chǔ)液罐泵312把儲(chǔ)液罐21內(nèi)的有機(jī)工質(zhì)注入液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器322 和兩相區(qū)蒸發(fā)器321中，有機(jī)工質(zhì)獲得來(lái)自換熱流體的熱量，并在儲(chǔ)液罐21中把熱量傳 給相變材料23。
6) 輻照強(qiáng)度很弱，或者處于夜間，系統(tǒng)需要發(fā)電
閥門(mén)371、閥門(mén)376打開(kāi)，其余閥門(mén)關(guān)閉。儲(chǔ)液罐21中的高溫高壓氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入 汽輪機(jī)33膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)34發(fā)電；汽輪機(jī)33尾部排出的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞?5 初步冷卻，然后進(jìn)入冷凝器36中定壓冷凝；冷凝器出口的有機(jī)工質(zhì)處于液態(tài)并進(jìn)入回?zé)?器35進(jìn)行預(yù)熱；預(yù)熱后有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞鞅?11和閥門(mén)376進(jìn)入儲(chǔ)液罐21完成一次發(fā) 電循環(huán)。
二、 復(fù)合拋物面集熱系統(tǒng)工作原理
如圖2所示，太陽(yáng)輻照透過(guò)玻璃蓋板11直接或經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡12被光伏模塊4吸 收，光伏模塊4內(nèi)產(chǎn)生的熱能通過(guò)吸熱體15和金屬板凹槽14傳給工質(zhì)盤(pán)管13內(nèi)的換熱 流體。絕熱材料16阻止熱能向環(huán)境散失。
三、 有機(jī)朗肯循環(huán)工作原理
有機(jī)工質(zhì)依據(jù)T-s圖上飽和蒸汽線斜率分為干工質(zhì)(斜率為正)、絕熱工質(zhì)(近似垂 直)及濕工質(zhì)(斜率為負(fù))。濕工質(zhì)經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)膨脹后焓大為降低而成為飽和兩相狀態(tài)， 部分冷凝的小液滴會(huì)損壞汽輪機(jī)，因而在ORC系統(tǒng)中較少使用。圖4為干工質(zhì)的熱力循環(huán) 圖(T-s圖)。點(diǎn)1為工質(zhì)在冷凝器36的出口狀態(tài)，點(diǎn)2為回?zé)崞鞅?11的出口狀態(tài)，點(diǎn) 3為兩相區(qū)蒸發(fā)器321的出口狀態(tài)，點(diǎn)4為汽輪機(jī)33出口狀態(tài)，點(diǎn)5為冷凝器36的進(jìn)口狀態(tài)o
四、光伏模塊工作原理
如圖3所示，光伏電池43通過(guò)有機(jī)硅膠粘合劑42在上方層壓著透明蓋板41,同時(shí)有 機(jī)硅膠粘合劑42層壓于背板44上。背板44與吸熱體15連接，進(jìn)行熱量傳遞。
下面根據(jù)太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)的熱發(fā)電效率、光伏發(fā)電效率及總發(fā) 電效率進(jìn)行分析。參數(shù)見(jiàn)表l，其中有機(jī)工質(zhì)以二氯四氟乙烷(HCFC114)為例，蒸發(fā)器以 同心逆流換熱器為例，光伏電池為非晶硅電池。。
表l太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)模擬M
參量值參量值
電池標(biāo)準(zhǔn)條件效率7.27%HCFC114質(zhì)量流率紐.:T10.3
電池功率溫度系數(shù)0.21%兩相區(qū)蒸發(fā)器換熱流體流率2.5
廠c紐.一
集熱器最大效率0.857換熱流體比熱fc/Ag-'.oC-12.12
集熱器第一熱損3.157液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器換熱流體流率《A0.158
系數(shù)fF.W-2.。C-1
集熱器第二熱損0.014換熱流體粘度 /WW2-,2.5
系數(shù)^附-2.。C—2
輻照強(qiáng)度lm-2畫(huà)換熱流體密度f(wàn)cgw-3848
換熱器內(nèi)徑附附25換熱流體導(dǎo)熱系數(shù)fF./w".V—10.128
換熱器外徑加加45發(fā)電機(jī)效率0.95
換熱器長(zhǎng)度m400汽輪機(jī)內(nèi)效率0.85
圖5為太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)整體電效率、光伏發(fā)電效率、熱發(fā)電效 率隨有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度的變化，其中冷凝溫度為7'C 。當(dāng)有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度為78'C時(shí)， 光伏發(fā)電效率為6.79%,熱發(fā)電效率為6.58%，太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)整 體電效率為13.37%。在相同的采光面積下太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)產(chǎn)生的 電能約為單獨(dú)光伏電池系統(tǒng)(標(biāo)況下7.27%)的2倍。
圖6為兩級(jí)與單級(jí)蒸發(fā)器條件下光伏電池效率隨有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度變化的曲線。由圖 6可見(jiàn)，當(dāng)蒸發(fā)溫度為79'C時(shí)，兩級(jí)蒸發(fā)器和單級(jí)蒸發(fā)器對(duì)應(yīng)的PV電池效率分別為6. 58% 和6.44%,前者效率高出后者2.17%。由于光伏電池功率溫度系數(shù)為0. 21%， 2.17%的功率 提高量相當(dāng)于電池平均工作溫度降低了 io'c左右。
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權(quán)利要求
1、太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)，包括復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、光伏模塊和光伏電源系統(tǒng)；復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)為復(fù)合拋物面集熱器陣列，每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器都包括本體、玻璃蓋板(11)、兩個(gè)以上的拋物面反射鏡(12)、工質(zhì)盤(pán)管(13)、金屬板凹槽(14)和吸熱體(15)，本體的側(cè)壁為夾層，本體側(cè)壁夾層內(nèi)填充絕熱材料(16)；金屬板凹槽(14)上方為吸熱體(15)，金屬板凹槽(14)內(nèi)有工質(zhì)盤(pán)管(13)；所述光伏模塊包括依次重疊的透明蓋板(41)、光伏電池(43)和背板(44)，且透明蓋板(41)和光伏電池(43)之間、光伏電池(43)和背板(44)之間均通過(guò)耐高熱粘合劑(42)連接；其特征在于所述復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(17)和低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(18)；所述有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、汽輪機(jī)(33)、發(fā)電機(jī)(34)、回?zé)崞?35)、冷凝器(36)、兩臺(tái)泵及六只閥門(mén)；其中汽輪機(jī)(33)的輸出端連接著發(fā)電機(jī)(34)，汽輪機(jī)(33)的排氣口連通著回?zé)崞?35)，回?zé)崞?35)另一端口連通著冷凝器(36)，冷凝器(36)工質(zhì)出口端經(jīng)過(guò)回?zé)崞?35)連通著回?zé)崞鞅?311)，回?zé)崞鞅?311)的另一端口通過(guò)閥門(mén)(376)連通著儲(chǔ)液罐(21)，并通過(guò)閥門(mén)(374)連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器(322)，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器(322)連通著兩相區(qū)蒸發(fā)器(321)，兩相區(qū)蒸發(fā)器(321)通過(guò)閥門(mén)(375)連通著儲(chǔ)液罐(21)，儲(chǔ)液罐(21)通過(guò)閥門(mén)(371)連通著汽輪機(jī)(33)的進(jìn)氣口，儲(chǔ)液罐(21)的另一端口連通著儲(chǔ)液罐泵(312)，儲(chǔ)液罐泵(312)通過(guò)閥門(mén)(373)連通著兩相區(qū)蒸發(fā)器(321)，并通過(guò)閥門(mén)(372)和閥門(mén)(374)連通著液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器(322)，兩相區(qū)蒸發(fā)器(321)連通著高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(17)，液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器(322)連通著低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(18)；所述復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(17)和低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列(18)，每個(gè)陣列的復(fù)合拋物面集熱器的吸熱體(15)上方設(shè)有光伏模塊；所述光伏模塊的背板(44)與復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)陣列的吸熱體(15)相接；光伏模塊的輸出端與光伏電源系統(tǒng)連接；所述復(fù)合拋物面集熱器為低倍率太陽(yáng)聚焦集熱器；所述蓄熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)液罐(21)、盤(pán)管(22)和相變材料(23)；盤(pán)管(22)均布于儲(chǔ)液罐(21)內(nèi)，盤(pán)管(22)內(nèi)填充有相變材料(23)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所述復(fù)合拋物面集熱器為聚光比小于3的低倍率太陽(yáng)聚焦集熱器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)，其特征在于所 述耐高熱粘合劑(42)為有機(jī)硅膠粘合劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與光伏發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)。本發(fā)明包括復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、光伏模塊和光伏電源系統(tǒng)；復(fù)合拋物面集熱器系統(tǒng)包括高溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列和低溫端復(fù)合拋物面集熱器陣列，復(fù)合拋物面集熱器的吸熱體上部安裝有光伏模塊；蓄熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)液罐，盤(pán)管均布于儲(chǔ)液罐內(nèi)，盤(pán)管內(nèi)填充有相變材料；有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、回?zé)崞鳌⒗淠?、兩臺(tái)泵及六只閥門(mén)。本發(fā)明總發(fā)電效率大為提高；采用了蓄熱系統(tǒng)不需要額外蓄電池，不需要復(fù)雜跟蹤裝置，降低了成本；采用兩級(jí)蒸發(fā)器，減小了換熱流體和有機(jī)工質(zhì)傳熱的不可逆性，降低平均運(yùn)行溫度，有利于延長(zhǎng)光伏電池壽命。
文檔編號(hào)F03G6/00GK101608606SQ20091014427
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者杰 季, 晶 李, 剛 裴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)