专利名称：全方向高效聚光太阳能水电一体化发电系统的制作方法
技术领域：
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：
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 将若千只电池组件集排成一起，每只太阳能组件是釆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 釆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，但釆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， 一般釆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
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，釆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。
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的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。
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。
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。
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4"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。
综上所述，本发明将若干只串联电池片和并网逆变电濾安装于同一换热器
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。
图i为本发明全方向髙效聚光太阳能水电一体化发电系统结构图2为本发明换热器剖视图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。
附图中，聚光器l，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ll,水箱出水管12,散热管13,铜管14。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细描述。
图l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l、 太阳能发电单元、换热器7,太阳能发电单元包括若千只串联电池片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"00mm或50W0mm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IIOV、 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，上面放置若千只 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胶上铺一层布紋钢化玻璃，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。
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。
图2中，由于采用太阳能聚光器l,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。
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。
图4、 5所示中，本发明釆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。
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。
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
cc《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a《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。 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。
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l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l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l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。
全文摘要
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。
文档编号G02B5/04GK101350578SQ200810196130
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月16日 优先权日2008年9月16日
发明者刘志勇 申请人:刘志勇