一种耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统
一种耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统
本发明涉及太阳能，具体涉及一种耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统（光伏/热能系统）。
背景技术
- 随着清洁能源利用的推广，太阳能作为一种清洁可再生能源备受关注。目前太阳能利用方式主要有光伏发电和光热利用两种。然而这两种单独利用方式存在以下弊端：
- 对于光伏发电，太阳能电池材料仅能利用太阳光谱中可见光波段转化为电能，剩余波段无法利用造成近40%的能量浪费，变为废热导致电池温度升高，效率降低。
- 对于光热利用，其将太阳光全光谱均转化为低品位热能，造成高品位光能的不可逆能量损失。
因此，对太阳能进行分频利用是提高太阳能利用效率的重要方式，即将太阳能中高品位能量用于光伏发电，低品位能量用于光热利用，耦合两种利用方式，实现太阳能的梯级利用。然而，目前太阳能分频利用技术存在几方面问题，包括分频器材料的耐高温问题、分频器与光伏电池的光谱匹配性问题、分频器加工成本问题等。
- 线形集热器是线聚焦太阳能热发电技术的核心部件，它通常是一根金属高温集热管，一般采用真空集热器和腔式集热器两种。真空集热器是由一根具有选择性吸收涂层的金属吸热管、同心玻璃管外套、金属-玻璃密封连接组成。真空集热器由中间的金属吸热管吸收辐射加热内部流动的工质，玻璃管内的真空环境避免了对流传热导致的热量耗散。真空集热器用于线聚焦太阳能热发电时配置短焦距抛物面聚光器，重心低，运行稳定性好，但玻璃管与金属管之间的封接技术要求高，长期保持夹层内高真空度的难度大。
腔式集热器是将吸热涂层涂在内壁，当光经采光窗口二次反射汇集至集热器的圆柱体吸热腔体中，照射在底部被反射，并经内壁多次反射后，被内壁的吸热涂层吸收，转化为热能并传递给腔体外壁的工质层，加热流动的工质，最外层的保温隔热层可有效减少因辐射和对流传热导致的能量耗散。腔式集热器不需要保持真空的严格要求，结构上避开了玻璃管和金属管的封接难点，构造更加简单，但用于线聚焦太阳能热发电时配置长焦距抛物面聚光器，集热管重心高，运行稳定性相对较差，难以自动翻转，抗风性能较差。
技术实现思路
针对以上现有的太阳能利用问题，本发明设计一种耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统，利用新型腔式结构实现光热的高效捕获，并集成耦合分频元件，将太阳能中高品位能量用于光伏，低品位能量用于光热，耦合两种利用方式，以实现太阳能的梯级高效利用。
本发明采用的技术方案为：一种耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统，其包括线性菲涅尔透镜和腔式太阳能集热器；其中，腔式太阳能集热器由内至外包括圆柱形的吸热腔体、包裹在吸热腔体外层的工质层和包裹工质层的保温绝热层；所述腔式太阳能集热器沿轴线方向在侧壁上开设有采光窗口，且在正对所述采光窗口的吸热腔体的内壁面处设置有微纳米分频薄膜，微纳米分频薄膜下方设置有聚光光伏电池，微纳米分频薄膜和聚光光伏电池之间为真空腔，真空腔壁面上设置有反光材料；
腔式太阳能集热器布置在线性菲涅尔透镜的对称中心轴线正下方，采光窗口正对所述线性菲涅尔透镜，线性菲涅尔透镜将入射的太阳辐射聚光至采光窗口，通过采光窗口照射至吸热腔体中的微纳米分频薄膜上。
进一步的，所述线性菲涅尔透镜和腔式太阳能集热器采用固定连接以保持两者之间的相对位置；所述系统还包括支撑架系统，所述支撑架系统用于调节太阳能分频PV/T系统的旋转角度，以使太阳辐射垂直入射所述线性菲涅尔透镜。
根据本发明的实施例，微纳米薄膜为TiO2和SiO2两种材料交替沉积在透明基底上的光学干涉多层分频薄膜，利用光线交替经过折射率相差较大的薄膜层产生的干涉作用实现对太阳光谱的选择性透射效果，其中光伏电池可利用波段部分（波长为400nm～900nm）透射到下方光伏电池上进行发电，剩余波段反射至周围吸热腔体的内壁。
根据本发明的优选实施例，采光窗口由矩形通道和梯形外扩的二次反射面组成，布置于线性菲涅尔透镜正下方位置的集热器开口处，替代一小部分集热器管道壁面，其中矩形通道长度与集热器厚度一致。
根据本发明的优选实施例，采光窗口的二次反射面开口角度为10°～20°，矩形通道内壁和二次反射面表层均镀有抛光铝层，使其具备高反射率，反射率可达90%以上，降低在反射过程中造成的太阳辐射损失。采光窗口的开口宽度占腔式太阳能集热器外壁周长的比例在10%～15%之间。
根据本发明的优选实施例，线性菲涅尔透镜向光侧表面为光滑平面，背光侧由两边对称布置的三角形齿状结构排列而成，其材料采用具有高透明度的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。在系统工作过程中，底部支撑架可根据太阳高度角调节系统整体的旋转角度，使得太阳辐射垂直入射系统，保证辐射接收最大化与聚光的精准性。线性菲涅尔透镜的焦点与吸热腔体圆心重合（或者说，太阳能集热器中心轴线位于线性菲涅尔透镜下方焦点处，垂直距离为透镜的焦距）；太阳光垂直入射时，于吸热腔体中心聚焦后照射在底部微纳米分频薄膜上，透射的光将完全覆盖分频薄膜下方的光伏电池。
太阳辐射仅通过采光口进入保温腔，以此构造类似黑体的圆柱形吸热腔体；圆柱腔体层采用高保温性能材料，包裹内部吸热器不外露，减少热辐射耗散。
根据本发明的优选实施例，保温绝热层使用的高保温性能材料由硬质保温材料如陶瓷纤维板或纳米气凝胶隔热板，以及填充层如高温岩棉与硅酸铝耐火纤维棉组成。
根据本发明的优选实施例，吸热腔体外层工质层中流动的导热工质为水，并且在吸热腔体外层工质层内侧增加螺纹状的翅片，增加壳管之间的接触面积，加快导热过程，将工质加热至气体。腔式太阳能集热器整体的长径比为10:1，吸热腔体半径、工质层厚度和保温层厚度之比为4:3:3。加入翅片可以使传热效率提高60%，可以将水加热至373K左右的蒸汽。
根据本发明的优选实施例，光伏电池位于微纳薄膜的正下方，由两侧的保温层固定，光伏电池采用砷化镓GaAs聚光光伏电池，其太阳能发电效率约29.7%左右。另外，光伏电池背面装有水冷装置，保证光伏电池温度不会过高而影响发电效率，此外也可以对水起到预热作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明提出的耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统所使用的微纳米薄膜具有耐高温、分频效果优良、加工成本低特点，在光伏电池光谱波段的平均透射率超过90%，光谱匹配性高，以低成本实现高效的太阳能分频利用。
本发明提出的耦合微纳米薄膜与腔式集热器的太阳能分频PV/T系统使用的腔式集热器配置的是线形菲涅尔透镜，集热器布置在线形菲涅尔透镜下方，避免了传统布置方式重心高、抗风性差的问题。本发明使用的腔式集热器上部开口的采光窗口镀有抛光铝层减少反射损失，底部嵌入了微纳米分频薄膜、太阳能电池与水冷装置，外层布置多层保温层，并把微纳米薄膜与太阳能电池间空隙抽成真空，如此将聚集的太阳能在一个腔式集热器中完成了分频利用，并减少了能量向外的耗散，有效提高了太阳能的转化效率。本发明使用的腔式集热器将太阳能分频PV/T系统的核心部件被集成在一个圆柱体结构中，实现了太阳能分频、光伏发电、光热利用的一体化，实现了太阳能分频利用的小型化、轻便化、低成本化，实现了电与蒸汽的高效清洁联产，对于太阳能分频技术的推广和普及具有重大意义。
本发明通过新型结构设计和技术创新，在一个腔式集热器中集成微纳米分频薄膜与集热工质流道，将太阳光谱中光伏电池可利用波段部分（波长为400nm～900nm）透射到光伏电池上进行发电，剩余波段反射至周围吸热腔体的内壁进行光热吸收，实现PV/T系统紧凑高效运行。整个系统相比于其他分频系统体积更小、成本更低、效率更高。
本发明光热捕获部件采取腔式集热器的保温圆柱腔体结构，结合高吸收性能、耐高温的选择性吸收涂料和高保温性能材料，能够将集热过程中的热辐射与热对流损失有效减少到10%以下，提高光热转化效率，将导热工质加热至气态，以实现供热、供暖、供汽等利用。系统的底部支撑架可根据太阳高度角调节系统整体的旋转角度，使得太阳辐射垂直入射系统，保证辐射接收最大化与聚光的精准性，有效实现太阳能的高效利用。