高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块、系统、方法技术方案

高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，包括交叉复合抛物面玻璃结构构成的聚光器、真空集热管、分光膜层、光伏电池，其特征为：所述聚光器、分光膜层和光伏电池构成整体的光伏‑分光‑聚光一体化部件；所述分光膜层以及光伏电池附着在聚光器上；所述真空集热管安装于交叉复合抛物面的面型方程。本发明专利技术可以进一步通过光伏光热综合利用提高太阳能利用效率；所述分光膜层吸收了太阳光中对光伏电池板造成损伤的紫外部分能量，并通过吸收紫外、反射红外部分的太阳辐照；减小了光伏电池表面的热耗散，降低电池运行温度，从而延长了光伏电池板的使用寿命；所采用的交叉式复合抛物面玻璃型聚光器，使得太阳光接收角度大，对入射太阳光的截取效率提高。

Integrated photovoltaic thermal module, system and method of long life spectral light splitting and concentrating

【技术实现步骤摘要】
高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块、系统、方法
本专利技术涉及太阳能应用
，具体的说，本专利技术涉及一种高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块、系统、方法。
技术介绍
太阳能资源的开发和应用对国家可持续发展战略具有重要的意义。太阳能光伏发电有着建设周期短，安装模块化，易于根据负荷大小进行建设等优势，具有非常重要的研究价值和广阔的应用前景。预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5％-20％。在20世纪70年代，Kern在Kern,E.C.andRussell,M.C.(1978)Combinedphotovoltaicandthermalhybridcollectorsystems.Proceedingsofthe13thIEEEPhotovoltaicSpecialists,WashingtonDC,June1978,1153-1157.中首次提出使用水或空气作为载热介质的PV/T系统的主要概念。PV/T是太阳能利用领域里的一个大趋势，该技术将光伏技术和光热技术结合起来，显著地提高了整个系统的太阳能利用率。日常生活中除了对电力和生活热水或空气的需求外，还包括建筑供暖、制冷、除湿，这些都需要更高质量的热源，PV/T技术在一定程度上可以解决这些问题。因此，太阳能PV/T技术具有良好的开发与应用前景。目前光伏发电厂大多采用多晶硅光伏发电。一方面，多晶硅光伏电池易受到太阳辐照的紫外部分、以及光伏电池温度影响，使电池使用寿命降低，甚至造成损害。另一方面，太阳能的近红外部分能量(1000-4000nm范围)并不能够被硅基太阳能电池利用，在常规光伏系统中，这部分能量投射于光伏电池表面，造成光伏电池温度升高，同样影响太阳能板的效率和寿命。若能将这部分能量聚集，以光热利用的形式转化为热能，则可以大幅提高系统的效率和经济性。因此，需要有更加优良的设计思路，延长光伏电板的寿命周期，提高太阳能的利用率。现有其他技术包含数个有关光伏光热的实例如：国外文献Tiong-KeatYew,Kok-KeongChong,Boon-HanLim，Performancestudyofcrossedcompoundparabolicconcentratorassecondaryopticsinnon-imagingdishconcentratorfortheapplicationofdense-arrayconcentratorphotovoltaicsystem.SolarEnergy120(2015)296–309.中分析了一种通过冷却液冷却光伏电池至最佳工作温度的光伏光热一体化系统，表明在CPVT系统中，电池的温度对于发电效率影响显著。若能将废热利用，进行光热和光伏的同时利用，则将使系统效率显著提升。专利号CN201983472U公开了一种只应用于单一的光热系统中的复合抛物面聚光器。在该技术中，只利用了太阳能的近红外部分进行光热转化，故其太阳能利用率将远低于我们的系统，可以预见存在较大的损失。在现有的密集阵列式CPV系统中，没有被广泛应用或被充分开发来改进CPV聚光器的整体性能的系统。最常见的次级光学部件应用仅限于联结到菲涅尔透镜并作为初级聚光器的单个电池CPV模块，但在聚集日光均匀度上没有本专利技术的效果好。专利号CN102589159公开了一种光伏光热一体化系统。其采取了复合抛物面的面型，在聚光器中间铺设电池板，且电池板在真空集热管内部，又在电池板底部铺设冷却管。这种设计实现了光伏光热的同时利用，但是其无法分离紫外线，也就不会像我们系统中的电池板的寿命周期得到延长。而且在该设计中，将冷却管布置在真空集热管中的设计，在聚热温度较高时，将不能保证冷却管两侧电池板得到有效冷却。而我们的系统中，在太阳光从上方打下时，干涉膜将直接吸收紫外线，反射红外线至真空集热管中，同时透过可见光打到下方的光伏电池板上用于发电，从而节省了很多结构和成本，还延长了电池板的寿命周期。专利号CN101937934公开了一种基于二次反射聚光的太阳能电池。其采取了二次抛物面反射器，反射器底部开孔，以使光能打到下方的分光器件和光敏电池组上。又有抛物面太阳能聚光器与二次抛物面反射器的反射面相对，两者共轴共焦。当太阳光从反射器上方射下时，光经二次抛物面反射至抛物面太阳能聚光器，并从孔处穿过射到分光器件实现分光，分光后光又被分光棱镜按波长折射到对应波段的窄波段光敏电池组上。在该技术中，对于下方各部件尤其是光敏电池组的耐热要求提高，且温度升高将使电池组的发电效率大幅下降，从而使系统对太阳能的整体利用率下降。紫外部分也将损耗电池板的寿命；由于该设计中各波段光必须准确照射到各对应的光敏电池板上，使该系统的照射精度必须提高，即必须设有跟踪系统以使入射角度符合要求，成本较高而可靠性较低。而在我们的设计中，分光膜将吸收紫外线部分，反射近红外部分用于集热，增加了电池板寿命的同时也使热量得到有效利用，而不会照射到电池板上影响发电效率。同时，我们的设计在0°-40°内都有非常优秀的发电和聚热效率，而可不必采用跟踪系统，有助于降低成本增加可靠性。专利号CN106208950A公开了一种有利于农作物生长的碟式反射聚光光伏发电系统。其专利技术中大面积碟式抛物面聚光器为透明材质，其反射面上设置有光学分光薄膜，利用光学分光薄膜将投射到大面积碟式抛物面聚光器的太阳光按波长范围分成两束，一部分透射过去通过大面积碟式抛物面聚光器照向植物，一部分反射汇聚形成光斑，由太阳能发电装置接收。与我们的专利技术相比该专利技术只分离了可见光部分波段的光，而太阳能发电所使用的晶硅电池在太阳的可见光部分部分利用率最高，与我们的分光模式相比，该专利技术不仅减少了太阳能的发电效率而且并没有很好的利用不可见光部分。相比之下我们的专利技术很好地利用了用于发电的可见光部分同时也有效利用了不可见光部分用于发热，除此之外我们的分光涂层吸收了紫外线减少了紫外线对晶硅电池的损害。专利号CN109899759公开了一种太阳能室内照明系统。其包括太阳能聚光模块和电子照明模块，太阳能聚光模块包括聚光器、分束器、导光板、光耦合模板和光纤，聚光器为双抛物面聚光器阵列。其中太阳光经由太阳能聚光器聚光后通过分束器分离可见光与非可见光，非可见光用于太阳能发电，可见光经由控制用于室内照明，但这种设计的非可见光发电太阳能光伏效率过低，热效应大且未采取冷却措施，与我们的系统相比此系统太的阳能电板的寿命与效率较低。且由于该设计未分离紫外线，也就不会像我们系统中的电池板的寿命周期得到延长，而且该设计适用于室内照明，而我们系统的光伏与热能应用较为灵活。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中的不足，提出一种高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块、系统方法，本专利技术利用光伏电池仅利用部分波段太阳能的特征和太阳能光谱分离原理，将对光伏电池有害的紫外光分离或吸收，将可见光部分和近红外部分分别用于光伏电池和光热器件转化。不仅能延长光伏电池板的寿命，而且能保证较高的发电效率和产热效率，总太阳能利用率达到了90％以上。具体的技术方案如下：...

【技术保护点】
1.高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，包括交叉复合抛物面玻璃结构构成的聚光器、真空集热管、分光膜层、光伏电池，其特征为：所述聚光器、分光膜层和光伏电池构成整体的光伏-分光-聚光一体化部件；所述分光膜层聚光器下表面；所述光伏电池由EVA胶层夹于分光膜层下；所述真空集热管安装于交叉复合抛物面的焦点位置处，由聚光器上的支架支起，不与聚光器发生直接接触。/n

【技术特征摘要】
1.高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，包括交叉复合抛物面玻璃结构构成的聚光器、真空集热管、分光膜层、光伏电池，其特征为：所述聚光器、分光膜层和光伏电池构成整体的光伏-分光-聚光一体化部件；所述分光膜层聚光器下表面；所述光伏电池由EVA胶层夹于分光膜层下；所述真空集热管安装于交叉复合抛物面的焦点位置处，由聚光器上的支架支起，不与聚光器发生直接接触。


2.根据权利要求1所述的高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，其特征为：所述交叉复合抛物面玻璃结构由镜像对称的曲面玻璃组成，其曲面形态为两段渐开面在接口处平滑连接；真空集热管在运行过程中与交叉复合抛物面玻璃结构的相对位置不发生变化。


3.根据权利要求1所述的高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，其特征为：所述交叉复合抛物面玻璃结构下表面覆以分光膜层，分光膜层下表面覆以被EVA胶层相夹的光伏电池板。


4.根据权利要求1所述的高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，其特征为：所述的光伏电池为硅晶电池或薄膜电池，由EVA胶层相夹安装在分光膜层的下表面。


5.根据权利要求1所述的高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，其特征为：所述的分光膜层为多层介质干涉-吸收膜，反射红外光谱的太阳辐照，吸收紫外光谱的太阳辐照，透过可见光谱。


6.根据权利要求1所述的高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块，其特征为：所述真空集热管包括内外两层，其外层为玻璃管，内层为玻璃管或金属管，内层外表面镀有吸收近红外辐照的选择性涂层，将辐照转化为热能，内外层之间抽真空，内管中有传热液体工质流动吸收热量。


7.一种高寿命光谱分光、聚光一体式光伏热模块的控制方法，包括权利要求1所述的基于交叉复合抛物面聚光器的光谱分光式光伏热模块，其特征为：交叉复合抛物面玻璃结构的聚光器由镜像对称的曲面玻璃组成，其曲面横截面曲线形态为两种渐开线的组合，这两种渐开线方程设计如下：沿吸收器外圆切线方向，从吸收器到曲线的距离ρ(θ)可分...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄橙，李东懋，戴吾然江·萨迪尔，张永庆，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11