专利名称：：直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及太阳能利用中的热发电与光伏发电领域。
背景技术：
：太阳光包含电磁波中的一个很宽的光谱范围，大体紫外光占7%、可见光占45%和红外光占47%左右。对于目前占光伏产业主导地位的硅太阳能电池，为了产生电子-空穴对形成电流，只有波长小于l.lym的光才具有足够的能量。太阳光谱中波长大于l.lym的长波部分不能够产生电子_空穴对而转变为热量，这部分能量大约占太阳辐照中的25%。另一方面，当光线的能量足以产生电子-空穴对时，光能的大小就不起作用了，在光能临界值之上一个光量子只能产生一个电子_空穴对，剩余的能量又被转换为热量。除了以上两方面不可避免的光电转换能量损失外，还存在着其它制作过程带来的能量损失。如当电子-空穴对不是在界面层附近产生时，很有可能由于相互迅速复合而导致能量损失；晶体中的杂质和晶体结构中的缺陷使得不是所有的电子_空穴对很快地在界面分离，以致一定百分比的电子-空穴对可以复合，造成了电流损失等等。总之，考虑到转换效率和价格之间的平衡关系，实际应用中的太阳能电池只能把很小部分的辐照转化为电能，其余的绝大部分辐照被转化为热能耗散。针对光电转换过程中的上述问题，Kern最早提出了太阳能光电/光热综合利用(PV/T,Photovoltaic/Thermal)的思想，即在光伏组件的背面铺设流道，通过流体带走耗散热能，并对这部分热能加以收集利用[1]。一方面，提高了单位接收面积上的太阳能光电/光热综合效率；另一方面，通过流体冷却，降低光伏电池温度，提高其光电效率。PV/T系统可以同时向建筑提供电力和热能，是太阳能建筑一体化技术中的一个研究亮点。Bergene的理论研究指出PV/T系统的光电/光热总效率可以达到60-80%，比单独的光电系统或者光热系统都有明显提高[2]。尽管太阳能光热光电综合利用已引起广泛的重视，但目前光电转换中产生的热量品味较低，主要应用于供暖、热水等领域。在现有的太阳能光热光电综合利用的基本思想上，若PV/T系统转换热量的温度足够高，则电能不仅仅可以由光伏电池产生，也能通过热电转换实现，从而极大地提高了太阳能的整体发电效率。为了获得较高温度的热量，可采用选择性吸收材料及聚光器。R.Contini等研究了高温光伏电池的材料的选择及制造过程[3]。David等在2004年提出了一种太阳能光伏和热联合发电的原理。该原理不需要分光镜，而直接让光伏电池吸收光能并维持150°C左右的工作温度，此时光伏电池的电效率约为常温效率的60%-70%，而内部由光能转换的热能用于推动斯特林热机发电，系统整体发电效率达35%-40%[4]。斯特林热机尚有待商业化，广泛应用于低温太阳能热电转换存在困难。若将太阳能光电转换产生的热量通过涡轮热力循环转换为电能则技术更可行，更具应用前景。中国是世界上太阳能最丰富的地区之一，特别是西部地区，年日照时间达3000h以上。而全国108万平方公里的荒漠面积也主要分布在光照资源丰富的西北地区。如果以10%太阳能的利用效率计算，那么仅需要开发利用左右的荒漠，就可以满足我国目前的用电要求。另外，在我国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在2000小时以上，海南更是达到了2400小时以上。
发明内容为了提高太阳能的发电效率，本发明提出了直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统。系统获得的太阳辐照能量首先被光伏电池吸收，部分转换为电能，而转换为热能的太阳辐照能量将通过有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)转换为电能。具体的技术解决方案如下直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统，包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、光伏集热系统3；所述有机朗肯循环发电系统包括蒸发器12、汽轮机13、发电机14、回热器15、冷凝器16、回热器泵111、储液罐泵112和六只阀门；其中汽轮机13的输出端连接着发电机14，汽轮机13的排气口连通着回热器15，回热器15另一端口连通着连冷凝器16，回热器15通过阀门C173与阀门F176连通着储液罐21，并通过阀门C173与阀门D174连通着蒸发器12，蒸发器12通过阀门E175连通着储液罐21，储液罐21通过阀门A171连通着汽轮机13的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵112，储液罐泵112通过阀门B172连接着阀门C173的出口；所述蓄热系统包括储液罐21、盘管22和相变材料23；盘管22均布于储液罐21内，盘管22内填充有相变材料23；所述光伏集热系统3包括位于壳体37内的两个以上的抛物面反射镜32；所述每个抛物面反射镜32底部设有金属板凹槽33，所述蒸发器12的蒸发管分段分别位于每个抛物面反射镜32底部的金属板凹槽33内；金属板凹槽33上方设有吸热体35，吸热体35上方设有光伏电池组件36；所述壳体37的侧壁和底部均为夹层壁，夹层壁内填充有绝热材料34；所述冷凝器16工质出口端连通着回热器泵111，回热器泵111的另一端口连通着回热器15。所述抛物面反射镜的聚光比小于10。本发明的具体可行性体现在以下四个方面1、直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统在蒸发器与集热器结构设计与结合方面具有直膨式技术基础。热力循环工质通过集热器直接吸热膨胀(光伏蒸发器)已应用于太阳能热泵系统。关于光伏蒸发器的研究也已经较为深入，基本结构为制冷剂铜管安装在薄铝板凹槽内，薄铝板下面包敷一层热绝缘材料，上面粘贴硬质合金铝板，将太阳能电池层压在合金铝板上，并在电池层外封装一层高透过率的玻璃[5，6]。而本发明的工质压力与热泵系统工质蒸发压力是相近的，因此直膨式太阳能低温热发电结构具有可行性。2、太阳能低温热发电采用有机朗肯(ORC)循环，有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适合于低温热源做功发电。有机朗肯(ORC)循环是将低温热源转换为电能最为经济且可靠的方式[7]。即使热源温度不到100°C，有机朗肯(ORC)循环仍旧可以有效地将低品位热能转换为电能。瑞典Opcon(奥普康)公司的Powerbox产品可以将温度只有55°C的热源通过有机朗肯(ORC)循环进行发电[8]。3、非晶硅电池具有良好的温度特性和高温运行的可靠性。非晶硅电池的功率温度系数大约为0.21%/°C，工作在100°C时仍旧能保持标准条件下测试功率的85%左右。美国联合太阳能公司(UnitedSolarOvinic)的非晶硅电池组件在_40°C到90°C温度范围内进行200多次热循环试验(ThermalCycletesting)以及在85°C和85%相对湿度环境下连续工作1000小时(Damp-Heattesting)，仍保持良好的性能[9]。4、有机硅胶粘合剂的主链中含有Si-O-Si键，具有高的耐热性，耐候性、优良的电绝缘性和疏水性，是一种非常好的材料[10]。与目前常有的粘合剂EVA相比，有机硅胶的耐老化性能明显优于EVA[11]。因此，采用有机硅胶作为光伏电池粘合剂可以把电池的正常工作温度上限(市场上非晶硅电池产品上限值大约为85°C)进一步提高。由于有机朗肯(ORC)循环要求的热源温度较低，不到100°C的热源就可以维持有机朗肯(ORC)循环的正常运行。因此选用低倍率的太阳聚焦集热器就可以得到合适的热源温度。聚光比小于3的低倍率复合抛物面集热器(CompoundParabolicConcentrator,CPC)无须自动跟踪太阳轨迹，可以模块化安装，易于使用维护，在太阳能中低温聚焦领域具有极大的实用性和运用潜力[12]。Rabl在对几种低倍率复合抛物面(CPC)集热器评估中，指出带有平板或圆柱吸收体的非真空固定低倍率复合抛物面(CPC)集热器经济性能良好；三年多的研究及实验数据的表明，在100-160°C的温度范围内，非真空低倍率复合抛物面(CPC)集热器仍旧拥有很好的热效率，而每年只需对集热器倾斜角调整12-20次[13]。T.S.Saitoch等通过实验把双层玻璃盖板的低倍率复合抛物面(CPC)与传统平板集热器，真空管集热器进行比较，指出CPC集热器的高温(120°C以上)热性能极佳，与真空管集热器相比更适合太阳能热发电工程[14]。T.S.Saitoch还介绍了一种新型的无跟踪三维的低倍率复合抛物面(CPC)太阳能集热器(3-DCPC)，在180-200°C的高运行温度范围内集热效率大约为60%，运用于小规模太阳能热发电系统非常可行[15]。由此可见，太阳辐照低能流密度、易于转换为低温热源的物理特性与有机朗肯(ORC)循环之间具有潜在的联系。把两者有机结合，可以形成基于有机朗肯(ORC)循环的太阳能低温热发电与光伏发电复合系统。该系统通过低聚焦比复合抛物面反射镜把太阳辐照能量聚焦于光伏模块上，部分太阳辐照能量转换电能，而转换为热能的太阳辐照通过有机朗肯(ORC)循环转换为机械能和电能。系统温度参数低，不需自动跟踪，易于小型化、模块化，极大地提高了太阳能的综合发电效率。本发明与现有技术相比具有以下几方面的有益技术效果1、影响太阳能低温热发电系统热电转换效率十分关键的因素为有机朗肯(ORC)循环的蒸发温度，而有机朗肯(ORC)循环的蒸发温度不仅取决于集热温度，还取决于两者之间的换热温差。在以往太阳能低温热发电系统中，二次换热介质(如导热油)及换热设备不仅是系统必需的能量传递部件，而且还是决定有机朗肯(ORC)循环的蒸发温度与集热温度两者温差的关键。本发明采用的直膨式太阳能热电转换结构不需要中间换热介质，避免了二次换热，有效地提高有机朗肯(ORC)循环工质与光伏集热器之间的换热性能。这对于提高热端与冷端温差原本只有100°C左右的太阳能低温热发电系统的效率尤其明显。在相同的光伏集热器运行温度条件下(太阳能转换为有用热量的比例相同)，直膨式太阳能低温热发电系统的有机朗肯(ORC)循环的热电转换效率将比二次换热系统效率高出10%以上。因此，本发明突破了以往太阳能低温热发电系统需要二次换热介质及换热设备的限制，实现有机朗肯(ORC)循环的蒸发器与集热器的直接结合，不论在系统结构还是工作原理上都具有实质性创新。2、本发明与单一的光伏发电系统或太阳能热发电系统相比，太阳能低温热发电与光伏发电复合系统总发电效率大为提高。本发明即使在使用价格相对便宜的非晶硅电池条件下整体电效率也远高于10%。3、本发明系统具有蓄热功能，因此不需要额外蓄电池，不存在单独光伏发电系统蓄电池充放电过程中电能损失的问题，并降低了光伏电源系统的成本。4、本发明系统采用低倍聚焦的复合抛物面集热器，不需要复杂跟踪装置，与非聚光光伏发电系统相比减少了电池的使用量，降低了电池成本。5、本发明储液罐中设有盘管，盘管内有相变材料(PCM)，当辐照强度较强时，集热器获得的热量大于系统发电所需的热量，此时发电与蓄热可以同时进行；反之，当辐照强度较弱时，集热器获得的热量小于系统发电所需的热量，此时发电与释放热量可以同时进行。这不但保证了有机朗肯(ORC)循环系统在额定状态下稳定运行，而且，由于系统蓄热与释放热量的过程中不需要复杂的控制设备就可以与系统发电同时进行，延长了蓄热或释放热量的时间，因此蓄热与释放热量的功率通常较小，从而减少了相变材料与有机工质的平均换热温差。6、本发明工作中，当有机工质未能被蒸发器完全加热到饱和蒸汽状态时，出口处的液滴可以汇集在储液罐中，防止其进入汽轮机而造成机械损伤。图1为本发明系统示意图，图2为复合抛物面反射镜、光伏电池组件及蒸发器连接结构剖视图，图3为光伏电池组件结构示意图，图4为光伏电池效率和系统总发电效率图。具体实施例方式下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。参见图1，直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统和光伏集热系统3。有机朗肯循环发电系统包括蒸发器12、汽轮机13、发电机14、回热器15、冷凝器16、回热器泵111、储液罐泵112和六只阀门；其中汽轮机13的输出端连接着发电机14，汽轮机13的排气口连通着回热器15，回热器15另一端口连通着连冷凝器16，冷凝器16工质出口端连通着回热器泵111，回热器泵111的另一端口连通着回热器15。回热器15通过阀门C173与阀门F176连通着储液罐21，并通过阀门C173与阀门D174连通着蒸发器12，蒸发器12通过阀门E175连通着储液罐21，储液罐21通过阀门A171连通着汽轮机13的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵112，储液罐泵112通过阀门B172连接着阀门C173的出口。蓄热系统包括储液罐21、盘管22和相变材料23；盘管22均布于储液罐21内，盘管22内填充有相变材料23。光伏集热系统3包括位于壳体37内的两个以上的抛物面反射镜32；壳体37的侧壁和底部均为夹层壁，夹层壁内填充有绝热材料34。参见图2，每个抛物面反射镜32底部安装有金属板凹槽33，蒸发器12的蒸发管分段分别位于每个抛物面反射镜32底部的金属板凹槽33内；金属板凹槽33上方安装有吸热体35，吸热体35上方安装有光伏电池组件36。复合抛物面反射镜32的聚光比小于10。参见图3，光伏电池组件36包括依次重叠的透明盖板361、光伏电池363和背板364，且透明盖板361和光伏电池363之间、光伏电池363和背板364之间均通过耐高热粘合剂362连接。所用光伏电池363为非晶硅太阳能电池，耐高热粘合剂362为有机硅胶粘合剂。本发明的工作原理是这样的一、直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统整体工作原理1)系统处于额定运行工况如图1所示，光伏集热系统3接受太阳辐照能，太阳辐照被光伏电池组件36吸收，部分转换为电能，电能通过光伏电池组件36输出端A、B输出电能。光伏电池组件36内部产生的热量通过吸热体35和金属板凹槽33传给蒸发器12管道中的有机工质。阀门A171、阀门C173、阀门D174、阀门E175打开，其余阀门关闭。有机工质在蒸发器12中定压吸热；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝器16出口的有机工质回热器泵111进入回热器15进行预热并重新进入蒸发器12完成一次发电循环。2)辐照强度很强，系统蓄热与热发电同时进行阀门A171、阀门B172、阀门C173、阀门D174、阀门E175打开，阀门F176关闭。回热器泵111、储液罐泵112都打开。储液罐泵112把储液罐21内的有机工质注入蒸发器12中，加大蒸发器12内的有机工质的流量，同时防止有机工质在蒸发器12中过热，有机工质获得的热量大于额定工况吸热量，此时部分热量传给相变材料23进行蓄热。光伏集热系统3接受太阳辐照能，太阳辐照被光伏电池组件36吸收，部分转换为电能，电能通过光伏电池组件36输出端A、B输出电能。光伏电池组件36内部产生的热量通过吸热体35和金属板凹槽33传给蒸发器12管道中的有机工质。有机工质在蒸发器12中定压吸热；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝器16出口的有机工质回热器泵111进入回热器15进行预热并重新进入蒸发器12完成一次发电循环。3)辐照强度很强，系统不进行热发电光伏电池组件36输出电能，有机朗肯(ORC)循环)系统进行蓄热。光伏集热系统3接受太阳辐照能，太阳辐照被光伏电池组件36吸收，部分转换为电能，电能通过光伏电池组件36输出端A、B输出电能。光伏电池组件36内部产生的热量通过吸热体35和金属板凹槽33传给蒸发器12管道中的有机工质。阀门B172、阀门D174、阀门E175打开，其余阀门关闭。储液罐泵112打开，回热器泵111关闭。储液罐泵112把储液罐21内的有机工质注入蒸发器12中，有机工质获得热量，并在储液罐21中把热量传给相变材料23。4)辐照强度在额定工况附近，系统需要向外部供电运行状态同系统处于额定运行工况。5)辐照强度较弱，系统需要向外部供电阀门A171、阀门C173及阀门F176打开，其余阀门关闭。有机工质在相变储液罐21中获得热量并蒸发；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝器16出口的有机工质经过回热器泵111进入回热器15进行预热；预热后有机工质经过阀门C173与阀门F176进入储液罐21完成一次发电循环。二、光伏集热系统3工作原理如图2所示，太阳辐照透过玻璃盖板31直接或经过抛物面反射镜32被光伏电池组件36或吸热体35吸收，光伏电池组件36内产生的热能通过吸热体35和金属板凹槽33传给蒸发器12管道内的有机工质。绝热材料34阻止热能向环境散失。三、有机朗肯循环工作原理有机工质依据T-S图上饱和蒸汽线斜率分为干工质(斜率为正)、绝热工质(近似垂直)及湿工质(斜率为负)。湿工质经过汽轮机膨胀后焓大为降低而成为饱和两相状态，部分冷凝的小液滴会损坏汽轮机，因而在ORC系统中较少使用。有机工质在蒸发器12中定压吸热；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质处于过热状态，经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝器16出口的有机工质回热器泵111进入回热器15进行预热并进入蒸发器12完成一次发电循环。下面在建立直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统的流动传热数学模型的基础上利用分布参数法模拟系统光伏发电效率及总发电效率。模拟参数见表1，其中有机工质以HCFC123(三氟二氯乙烷)为例，蒸发器以同心逆流换热器为例，光伏电池为非晶硅电池。表1太阳能低温热发电与光伏发电复合系统模拟参数<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>图4为太阳能低温热发电与光伏发电复合系统整体电效率与光伏发电效率随有机工质蒸发温度的变化。当有机工质蒸发温度为118°C时，系统整体电效率为14.2%.在相同的采光面积下直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统产生的电能约为单独光伏电池系统(标况下7.27%)的2倍。权利要求直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统，包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、光伏集热系统(3)；所述有机朗肯循环发电系统包括蒸发器(12)、汽轮机(13)、发电机(14)、回热器(15)、冷凝器(16)、回热器泵(111)、储液罐泵(112)和六只阀门；其中汽轮机(13)的输出端连接着发电机(14)，汽轮机(13)的排气口连通着回热器(15)，回热器(15)另一端口连通着连冷凝器(16)，回热器(15)通过阀门C(173)与阀门F(176)连通着储液罐(21)，并通过阀门C(173)与阀门D(174)连通着蒸发器(12)，蒸发器(12)通过阀门E(175)连通着储液罐(21)，储液罐(21)通过阀门A(171)连通着汽轮机(13)的进气口，储液罐(21)的另一端口连通着储液罐泵(112)，储液罐泵(112)通过阀门B(172)连接着阀门C(173)的出口；所述蓄热系统包括储液罐(21)、盘管(22)和相变材料(23)；盘管(22)均布于储液罐(21)内，盘管(22)内填充有相变材料(23)；所述光伏集热系统(3)包括位于壳体(37)内的两个以上的抛物面反射镜(32)；其特征在于所述每个抛物面反射镜(32)底部设有金属板凹槽(33)，所述蒸发器(12)的蒸发管分段分别位于每个抛物面反射镜(32)底部的金属板凹槽(33)内；金属板凹槽(33)上方设有吸热体(35)，吸热体(35)上方设有光伏电池组件(36)；所述壳体(37)的侧壁和底部均为夹层壁，夹层壁内填充有绝热材料(34)；所述冷凝器(16)工质出口端连通着回热器泵(111)，回热器泵(111)的另一端口连通着回热器(15)。2.根据权利要求1所述的直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统，其特征在于所述抛物面反射镜的聚光比小于10。全文摘要本发明涉及直膨式太阳能低温热发电与光伏发电复合系统。本发明包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、光伏集热系统。光伏集热系统包括位于壳体内的两个以上的抛物面反射镜；每个抛物面反射镜底部安装有金属板凹槽，蒸发器的蒸发管分段分别位于每个抛物面反射镜底部的金属板凹槽内；金属板凹槽上方安装有吸热体，吸热体上方安装有光伏电池组件。抛物面反射镜的聚光比小于10。本发明采用的直膨式太阳能热电转换结构不需要中间换热介质，避免了二次换热，有效地提高了有机工质与光伏集热器之间的换热性能。本发明实现了蒸发器与集热器的直接结合，有机工质通过集热器直接吸热膨胀，突破了以往太阳能低温热发电系统二次换热关键设备的限制。文档编号F03G6/06GK101798996SQ201010003629公开日2010年8月11日申请日期2010年1月6日优先权日2010年1月6日发明者季杰,李晶,裴刚申请人:中国科学技术大学