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全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统

阅读：790发布：2020-06-04

IPRDB可以提供全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，包括聚光器、太阳能发电单元、换热器，太阳能发电单元包括安装于同一换热器上的若干只串联电池片和并网逆变电源，若干只电池片串联形成的直流高压输出端与并网逆变电源输入端相连，形成一个独立整体结构的太阳能发电单元；若干只串联电池片的上方设有由球形空腔透镜和聚光漏斗组成的聚光器，将全方向的太阳光聚焦于若干只串联的电池片上，取消了太阳光跟踪器，使光电转换效率大幅度提高，每瓦发电成本降低50-80%，达到火力和风力发电成本，便于太阳能发电的普及推广；换热器安装于水箱内上部，将换热器交换的热水循环再利用，节约能源，实现太阳能发电的水电一体化功能。，下面是全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，包括聚光器(1)、太阳能发电单元、换热器(7)，其特征是：太阳能发电单元包括安装于同一换热器(7)上的若干只串联电池片(5)和并网逆变电源(6)，若干只电池片串联形成的直流高压输出端与并网逆变电源输入端相连，若干只串联电池片的上方设有由球形空腔透镜(2)和聚光漏斗(4)组成的聚光器，所述换热器(7)安装于水箱(8)内上部。

2.根据权利要求1所述的全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，其特征是：所述换热器(7)由若干只“U”形或“S”形管串接成的散热管(13)以及若干只铜管(14)用铝浇铸成一体，若干只铜管设于换热器的一边或多边，每只铜管的一端与水箱(8)相通，另一端与散热管(13)连接不相通。

3.根据权利要求1所述全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，其特征是：由若干只太阳能水电一体化发电系统的太阳能发电单元的交流输出端与电网同相连接形成太阳能发电站；由若干只太阳能水电一体化发电系统的水箱或换热器的出水管相连形成太阳能热水库。

4.根据权利要求1所述全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，其特征是：所述球形空腔透镜(2)的球内面设有由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜(3)，所述环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面呈小于45°的夹角，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交。

说明书全文

全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能发电、制热系统，具体是一种全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统。

背景技术

[0002] 随着太阳能发电技术的不断普及推广，现有的大型太阳能发电系统一般是将若干只电池组件集排成一起，每只太阳能组件是采用几十片电池片串联输出直流低压，将若干只输出直流低压的电池组件串联后输出高压，通过并网逆变站或并网逆变房并网发电。这种集成式发电系统体积大，接线复杂，线损较大，采用独立或集中式并网系统，成本很大，安装维护不便，需要专人维护和管理，发电站建成后增容较困难。户型太阳能发电系统一般是将电池组件串联后安装于屋面上，但无法配套安装太阳光聚光装置和跟踪器，早中晚的太阳光得不到充分利用，发电效率低，每瓦发电成本很高；有的太阳能发电系统为了充分利用太阳光，是将若干只电池组件用支架成排连接后安装于平地上，并配套安装太阳光跟踪器，这种安装形式太阳光光照强度不够，发电效率仍然较低，而且采用太阳光跟踪器成本高，可靠性差，体积庞大，安装维护不便，不便于大规模推广，由于机械设备长期露天使用易出故障，一旦太阳光跟踪器失灵，整个太阳能发电系统基本处于瘫痪状态。为了提高太阳光光照强度，现有技术中也有采用聚光装置提高光强，但采用聚光器后太阳能电池组件随着光强的提高，温度也越来越高，一般采用铝散热板在自然状态下冷却，散热效果不明显，电池片的光衰随着温度的升高而加大，光电转换效率随温度升高而下降。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术中占地面积大、发电效率低，使用太阳光跟踪器可靠性差、每瓦发电成本高、安装维护不便的缺陷，而提供一种全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，采用整体结构的独立太阳能发电单元，通过聚光器将全方向的太阳光聚焦于若干只串联的电池片上，取消了太阳光跟踪器，大幅度提高光电转换效率，采用换热器交换的热水循环再利用，实现太阳能发电的水电一体化功能。

[0004] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种太阳能水电一体化发电系统包括聚光器、太阳能发电单元、换热器，技术特点是太阳能发电单元包括若干只串联电池片和并网逆变电源，若干只电池片串联后形成的直流高压输出端与并网逆变电源输入端相连，将若干只串联电池片和并网逆变电源安装于同一换热器上，形成一个独立整体结构的太阳能发电单元，发电单元可以在任意位置将输出端与电网相连，接线简单，线损很小，安装维护方便，无需大型并网逆变站或并网逆变房，降低成本；若干只电池片上方设有由球形空腔透镜和聚光漏斗组成的聚光器，取消现有技术中普遍采用的太阳光跟踪器，使得若干只串联电池片均由同一聚光器聚光，大幅度提高太阳能发电量；所述换热器安装于水箱内上部，水箱中设有与换热器地进水管或出水管连接的温控水泵，或换热器的进水管或出水管上直接安装温控水泵，将发电单元产生的热量通过换热器传递到水箱中，发电单元的散热效果好，使发电单元光衰小，发电效率高，并能充分利用循环热水。

[0005] 进一步地，由若干只“U”形或“S”形管串接成的散热管以及若干只铜管用铝浇铸成一体，制成平板式可安装并网逆变电源和若干只电池片的换热器，形成若干只铜管设于换热器的一边或多边，每只铜管的一端与水箱相通，另一端与散热管焊接不相通，保证了发电单元散热迅速。

[0006] 由若干只太阳能水电一体化发电系统的太阳能发电单元的交流输出端与电网同相连接形成发电容量不等的太阳能发电站，由若干只太阳能水电一体化发电系统的水箱或换热器的出水管相连形成太阳能热水库，组站方便，可任意位置并网，占地面积小，发电效率高，便于家庭、工矿企业以及大规模电站等推广使用。

[0007] 所述球形空腔透镜的球内面设有由若干只同一中心光线轴不同直径依次联接的环形棱角镜，所述环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面呈小于45°的夹角，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交。所述的球形空腔透镜是采用一级球形集光、二级折射散光、三级反射聚光的三级光折射原理，将不同方向入射的太阳光经球形空腔透镜的球面以聚集方式折射进入空腔透镜内，通过若干只环形棱角镜将聚集光线向球形空腔透镜内腔下方环周扩散，扩散光线通过聚光漏斗聚光，完成光线的集光、散光、聚光的多级折射过程，使全方向入射的太阳光经多级折射后始终聚集在若干只串联的电池片上，聚光面位置固定，不随太阳光的移动而移动，无需使用太阳光跟踪器，结构简单，安装维护方便，发电成本大幅度降低，光电转化效率大幅度提高。

[0008] 综上所述，本发明将若干只串联电池片和并网逆变电源安装于同一换热器上，形成一个独立整体结构的太阳能发电单元；通过环形空腔透镜和聚光漏斗组成的聚光器将全方向的太阳光聚焦于若干只串联的电池片上，取消了太阳光跟踪器，使光电转换效率大幅度提高，每瓦发电成本降低50-80％，达到火力和风力发电成本，便于太阳能发电的普及推广；将换热器交换的热水循环再利用，节约能源，充分利用资源，实现太阳能发电的水电一体化功能。

附图说明

[0009] 图1为本发明全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统结构图；图2为本发明换热器剖视图；
图3为本发明组成的太阳能发电站和太阳能热水库连接示意图；
图4为中午太阳光入射聚光器后的光线折射反射效果图；
图5为上午或下午太阳光入射聚光器后的光线折射反射效果图。

[0010] 附图中，聚光器1，球形空腔透镜2，环形棱角镜3，聚光漏斗4，若干只串联电池片5，并网逆变电源6，换热器7，水箱8，换热器进水管9，温控水泵10，换热器出水管11，水箱出水管12，散热管13，铜管14。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

[0012] 图1所示的一种全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统，包括聚光器1、太阳能发电单元、换热器7，太阳能发电单元包括若干只串联电池片5和并网逆变电源6，将若干只串联电池片和并网逆变电源安装于同一换热器7上，若干只尺寸较小的如100*100mm或50*50mm以下的电池片串联成直流高压与并网逆变电源相连，输出可以在任意地点并网
110V、220V、380V的交流电压。电池片至少由280只以上串接，在换热器的铝壳体上面铺一层EVA胶，上面放置若干只串接的电池片，再在若干只串接的电池片上面铺一层EVA胶即可，还可以在上面一层的EVA胶上铺一层布纹钢化玻璃，也可以不铺，最后用层压机加高温抽真空，做成了带换热器的由若干只电池片串联成的电池组件模块，在加工电池片时将银浆加粗，焊带加宽，降低线损和功耗。

[0013] 所述若干只串联的电池片5上方设有聚光器1，聚光器为半球形或小于半球形，聚光器由球形空腔透镜2和聚光漏斗4组成，使得若干只串联的电池片5均由同一聚光器1聚光。所述换热器7安装于水箱8内上部，换热器的进水管9或出水管11上安装温控水泵10置于水箱中，也可以换热器的进水管、出水管以及温控水泵不置于水箱中，换热器的进水管9或出水管11通过温控水泵与别处的水系统连接；换热器露出水箱的上表面设置发电单元，将发电单元产生的热量通过换热器传递到水中，循环热水充分利用。水箱有两种：一种是铝外壳，外面不加保温材料，里面装满水，水容量视太阳能发电单元的功率大小和每天发热量大小，以及控制的温升多少来确定，通过自循环换热降温；另一种采用带保温材料的水箱，方法原理同上，这种水箱可以组成大的热水系统。

[0014] 图2中，由于采用太阳能聚光器1，在若干只串联的电池片5上光强提高几十倍，温度也急剧上升，电池片的光电转换能力也快速下降，所以通过电池片底面的大于电池片面积的换热器和水系统，将若干只串联的电池片的热量快速交换至水系统中，低成本，高可靠，散热快，可定温，保证了太阳能发电单元的正常工作。具体方法是：用铜管做成“U”形或“S”形的散热管13，管子的两端为进水管9和出水管11，换热器的一边或多边设置多只铜管14，铜管一端与水箱8相通，另一端与散热管13相连但不相通，它的作用是增加散热面和提高热对流量，将散热管和铜管外面用铝浇铸成铝壳体制作成了换热器7。

[0015] 图3所示中，将若干只太阳能水电一体化发电系统的太阳能发电单元的交流输出端与电网同相连接形成发电容量不等的太阳能发电站，任意单元出现问题可以很方便离网检修维护，极大地提高了太阳能发电站的可靠性和工效，组站方便，降低建站的成本，可以从基本单元做到很大功率的发电站；将若干只太阳能水电一体化发电系统的水箱出水管12或换热器出水管11相连形成太阳能热水库，占地面积小，发电效率高，便于家庭、工矿企业以及大规模电站等使用。

[0016] 图4、5所示中，本发明采用了三级光折射原理，将早中晚全方向的入射太阳光经集光、散光、聚光多级折射于聚光漏斗下口的若干只串联的电池片上。即任意方向入射的光线经球形空腔透镜入光球面折射聚集后，通过若干只环形棱角镜将光线有规律扩散到球形空腔透镜内腔下方，最后经聚光漏斗的反光内壁反射至聚光漏斗下口若干只电池片上。

[0017] 一级球形集光是根据球聚焦原理，球能多方向聚焦，当光线在上半球面任意角度入射时，焦点都落在下半球的下方，且焦点随着光线的移动而移动。根据以上原理，本发明将实心球改为半球形空心透镜，将半球形空心透镜水平放置，当太阳光围绕半球面作二维运动时，太阳光由平行光线经半球入光面折射后沿垂直于球面的入射光轴为中心轴聚集于球下方，由于是半空心球，聚集光线最终形成的焦点焦距远远大于球的直径，焦点会随着光线的移动而移动，还未达到将光线固定落在一个平面上、不随太阳光移动而位移的目的。

[0018] 在此基础上，通过二级折射散光，在半球形空心透镜的内壁一次成型若干只依次联接的环形棱角镜，使入射半球入光面后的焦距形成很长的聚集光线，经若干只环形棱角镜折射后向半球形空心透镜内腔下方有规律地扩散。具体说，由于环形棱角镜的一棱角边垂直于入光面，另一棱角边与入光面的形成的夹角α≤45°，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交，将入射半球入光面后的聚集光线经若干只环形棱角镜的宽棱角边折射扩散于球形空腔透镜内腔下方靠近内壁的环周面上，因为经若干只宽棱角边折射扩散的光线与入光面形成的夹角α≤45°，且该棱角边的延长线与球形空腔透镜内腔底边相交，所以光线不会射到球形空腔透镜内腔以外。另一短棱角边由于垂直于入光面，只有很少的光线通过短棱角边折射，折射光线的方向也在球形空腔透镜内腔下方。

[0019] 最后通过三级反射聚光，扩散到球形空腔透镜内腔下方接近内壁环周面的光线少部分穿过聚光漏斗直射到聚光漏斗下口若干只电池片上，大部分扩散光经聚光漏斗的反光内壁一次或多次反射至聚光漏斗下口若干只电池片上。聚光漏斗两侧面形成30°-55°的夹角，保证了多级折射光线聚光到漏斗下口的若干只电池片上，实现高效全方向聚光太阳能发电。

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