专利名称：混合光生伏打系统及其方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及混合系统，更具体来说，涉及具有光生伏打系统和耦合到光生伏打系统的冷却系统的装置的混合系统。
背景技术：
太阳能被认为是相对于传统形式的能量的备选能源。太阳能转换系统用于将太阳能转换成电能。太阳能转换系统通常包括光生伏打模块、光电池或太阳能电池，它们将太阳能转换成电能，供直接使用或者供存储和以后使用。将太阳能转换为电能包括在太阳能电池接收光、如阳光；将阳光吸收到太阳能电池中；生成和分离正、负电荷，从而在太阳能电池中产生电压；以及通过耦合到太阳能电池的端子来收集和传递电荷。太阳能模块主要用于住宅和商业区域、即由电力公司的电网所服务的区域。由太阳能模块所生成的电能的量与模块内的电池吸收的太阳能的量直接相关，吸收的太阳能的量又受到电池效率、电池覆盖的表面面积以及入射到电池上的阳光的强度或亮度影响。光生伏打模块的成本随光生伏打电池增加的表面面积覆盖而增加。一种用于降低与光生伏打模块关联的成本的方式是通过光学聚集技术。通过采用光学聚集，减少叠层内的电池覆盖面积。通过使用光学聚集技术将阳光聚焦到光生伏打模块，具有较高效率光生伏打电池的聚集光生伏打模块能够获得比非聚集硅模块更高的功率密度。换言之，阳光的较高聚集连同高效率光生伏打电池一起得到了较高功率密度。但是，增加的太阳能聚集引起光生伏打模块的发热，从而引起光生伏打材料的温度的增加。光生伏打模块的温度的增加降低光生伏打模块的效率，从而导致光生伏打模块的性能降低。因此，从光生伏打模块生成的有效功率受到限制。需要一种克服本文所述缺点的改进系统。
发明内容
按照本发明的一个示范实施例，公开一种混合系统。混合系统包括光生伏打系统， 它配置成接收太阳能并且将太阳能转换为电能。冷却系统耦合到光生伏打系统，并且配置成使冷却流体通过冷却系统循环，以便从光生伏打系统去除热量以冷却光生伏打系统。第一装置耦合到冷却系统，并且配置成从冷却系统接收已加热冷却流体。第一装置包括配置成生成电力的废热回收系统、配置成冷却第二装置的蒸汽吸收机器、热水供应单元、水蒸馏单元、水淡化单元或者它们的组合。按照本发明的另一个示范实施例，公开一种操作混合系统的方法。
通过参照附图阅读以下详细描述，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在附图中通篇表示相似部件，其中
图1是按照本发明的一个示范实施例的混合系统的图解表示；图2是按照本发明的一个示范实施例、具有冷却系统的混合系统的示意表示；图3是按照本发明的一个示范实施例、具有与光生伏打系统组合的废热回收系统的混合系统的图解表示；图4是按照本发明的一个示范实施例、具有经由导热油环路耦合到光生伏打系统的冷却系统的废热回收系统的混合系统的图解表示；图5是示出按照本发明的一个示范实施例、由混合系统所生成的电功率的变化与温度的图形表示；图6是示出按照本发明的一个示范实施例、混合系统的有效电效率的变化与温度的图形表示；图7是示出按照本发明的一个示范实施例、混合系统的电功率与温度的图形表示；以及图8是示出按照本发明的一个示范实施例、混合系统的组合电效率与温度的图形表不。
具体实施例方式如下文中参照图1-8的实施例所述，公开一种混合系统。混合系统包括光生伏打系统，它配置成接收太阳能并且将太阳能转换为电能。冷却系统耦合到光生伏打系统，并且配置成使冷却流体通过冷却系统循环，以便从光生伏打系统去除热量以冷却光生伏打系统。第一装置耦合到冷却系统，并且配置成从冷却系统接收已加热冷却流体。第一装置包括配置成生成电力的废热回收系统、配置成冷却第二装置的蒸汽吸收机器、热水供应单元、 水蒸馏单元、水淡化单元或者它们的组合。按照本发明的另一个实施例，公开一种用于操作混合系统的方法。示范光生伏打系统的效率实质增加，从而引起光生伏打模块的性能提高。参照图1，公开混合系统10的框图。混合系统10包括具有太阳能聚集器14的光生伏打系统12，太阳能聚集器配置成接收太阳能，并且还配置成聚集太阳能并且将其引导至光生伏打模块16。太阳能聚集器14配置成以性能的最小降级接受来自宽范围的入射通量角的光线。入射到光生伏打模块16上的太阳能直接透过上述太阳能聚集器14，或者通过全内反射透过太阳能聚集器14，或者这两者的组合。太阳能聚集器14可包括折射聚集器、 反射聚集器或者它们的组合。光生伏打模块16可包括电耦合的多个光生伏打电池，并且还可嵌入保护封装(未示出)中。保护封装配置成向光生伏打电池提供强度，并且还保护光生伏打电池免受极端环境条件。光生伏打模块16能够通过使用太阳能聚集器14将阳光聚焦到光生伏打模块16 来获得较高功率密度。换言之，阳光的较高聚集导致较高功率密度。但是，增加的太阳能聚集导致光生伏打模块16的发热，从而引起光生伏打材料的温度的增加。主动冷却系统18 耦合到光生伏打模块16，并且配置成使冷却流体通过冷却系统18循环，以便从光生伏打模块16去除热量以冷却光生伏打模块16。在一个实施例中，冷却流体包括水。在另一个实施例中，冷却流体包括与甘醇混合的水。在某些其它实施例中，冷却流体可包括油或气体。第一装置20经由升温器22、例如太阳能真空管集热器耦合到冷却系统18。第一装置20配置成经由升温器22从冷却系统18接收已加热冷却流体。在一个实施例中，第一装置20包括配置成生成电力的废热回收系统24。废热回收系统24配置成从已加热冷却流体去除热量，并且生成电力。在另一个实施例中，第一装置20包括蒸汽吸收机器26，蒸汽吸收机器26配置成从冷却流体去除热量并且冷却第二装置28。第二装置28可以是具有冷却要求的任何应用。在又一个实施例中，第一装置20包括热水供应单元30。在又一个实施例中，第一装置20包括水蒸馏单元32，水蒸馏单元32配置成从冷却流体去除热量并且对水进行蒸馏。在又一个实施例中，第一装置20包括水淡化单元34，水淡化单元34配置成从冷却流体去除热量并且对水进行淡化。在某些实施例中，第一装置20包括本文所述装置的组合ο升温器22配置成把从冷却系统18馈送到第一装置20的已加热冷却流体的温度从第一温度(例如70摄氏度)实质提高到第二温度(例如110摄氏度)。按照常规，将光生伏打系统冷却到相对较低温度、例如70摄氏度。但是，处于这种较低温度的冷却流体不会提供其它应用可能性。在所示实施例中，太阳能升温器22的使用便于以低温来操作光生伏打系统12，并且还升高其它应用可能性所需的冷却流体的温度。参照图2，公开混合系统10的示意表示。在所示实施例中，光生伏打模块16包括相互电耦合的多个光生伏打电池36。如前面所述，主动冷却系统18耦合到光生伏打模块 16，并且配置成使冷却流体通过冷却系统18循环，以便从光生伏打模块16去除热量以冷却光生伏打模块16。在所示实施例中，冷却系统18包括用于馈入冷却流体的入口 38和用于馈出冷却流体的出口。本文中应当注意，冷却系统18的配置是一个示范实施例，而不应当被理解为限制。又如上所述，第一装置20经由升温器22耦合到冷却系统18。第一装置20 配置成经由升温器22从冷却系统18接收已加热冷却流体。参照图3，公开混合系统10的示意表示。主动冷却系统18耦合到光生伏打模块 16，并且配置成使冷却流体通过冷却系统18循环，以便从光生伏打模块16去除热量以冷却光生伏打模块16。第一装置20经由升温器22耦合到冷却系统18。在所示实施例中，第一装置20包括按照本发明的一个示范实施例的废热回收系统24。所示废热回收系统24是有机兰金循环系统。本文中应当注意，废热回收系统24备选地可称作有机兰金循环系统。使有机工作流体通过有机兰金循环系统24进行循环。有机工作流体可包括环己烷、环戊烷、噻吩、酮、芳香烃或者它们的组合。有机兰金循环系统24 包括耦合到升温器22的蒸发器42。蒸发器42从已加热冷却流体接收热量，并且生成有机工作流体蒸汽。有机工作流体蒸汽经过膨胀器44 (它在一个示例中包括辐射式膨胀器)，以便驱动用于生成电力的发电机单元46。在某些其它示范实施例中，膨胀器44可以是轴向式膨胀器、脉冲式膨胀器或者高温螺旋式膨胀器。在经过膨胀器44之后，相对较低压力和较低温度的有机工作流体蒸汽经过冷凝器48。有机工作流体蒸汽凝结为液体，然后经由泵50 抽取送到蒸发器42。然后重复该循环。参照图4，公开混合系统10的示意表示。如上所述，所示废热回收系统24包括有机兰金循环系统。在所示实施例中，有机兰金循环系统24包括经由导热油环路52耦合到升温器22的蒸发器42。具体来说，蒸发器42经由导热油热交换器54耦合到升温器22。在所示实施例中，导热油热交换器54是壳管式热交换器。导热油热交换器54用于使用已加热冷却流体将导热油加热到相对较高温度。蒸发器42从导热油接收热量，并且生成有机工作流体蒸汽。然后，使用泵56从蒸发器42抽回导热油以送到导热油热交换器54。
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另外，在所示实施例中，热交换器58设置在膨胀器44与冷凝器48之间，并且配置成从已膨胀汽化工作流体去除热量并且对水加热。热水可用于各种热水供应要求。参照上述实施例，混合系统10具有耦合到光生伏打系统的热力循环，以便从热能提取电力。因此， 通过使用光生伏打转换将太阳能转换成电力，并且使用热力循环将余热转换成电力以便废热回收而不是耗散到环境中，能够实质增加来自光生伏打系统12的功率密度。为废热回收添加热力循环便于冷却光生伏打系统12并且生成附加的无二氧化碳的电力。参照图5，示出电功率(以kW/m2表示)与温度(以摄氏度表示)的图形表示。曲线60表示由光生伏打系统所生成的功率相对于温度的变化。曲线62表示由废热回收系统所生成的功率相对于温度的变化。曲线64表示从示范混合系统输出的组合功率相对于温度的变化。曲线60示出从光生伏打系统输出的功率随温度的增加而降低。曲线62示出从废热回收系统输出的功率随温度的增加而增加。曲线64示出从混合系统输出的组合功率相对于一直到预定温度点66的温度而增加，然后随着温度增加到超过温度点66而饱和。从混合系统输出的功率在温度点66以上饱和，因为从废热回收系统输出的功率的增加补偿从光生伏打系统输出的功率的降低。参照图6，示出混合系统的有效电效率(以百分比表示)与温度(以摄氏度表示) 的图形表示。曲线68表示有效电效率相对于温度的变化。曲线68示出混合系统的有效电效率一直到预定温度点70都在增加，然后在预定温度点70以上变为饱和的。参照图7，示出混合系统的电功率(以瓦特表示)与温度(以摄氏度表示)的图形表示。曲线72表示从废热回收系统输出的电功率相对于温度的变化。曲线74表示从光生伏打系统输出的电功率相对于温度的变化。曲线76表示从混合系统输出的组合电功率相对于温度的变化。如上所述，从光生伏打系统输出的功率随温度的增加而降低。从废热回收系统输出的功率随温度的增加而增加。从混合系统输出的组合功率相对于温度而增加。在某些实施例中，混合系统可具有每平方米700瓦特的功率密度。参照图8，示出混合系统的组合电效率(以百分比表示)与温度(以摄氏度表示) 的图形表示。曲线78示出混合系统的有效效率随温度的增加而增加。图2-8的实施例具体论述光生伏打系统和废热回收系统的组合。又参照图1，在一个实施例中，光生伏打系统12与蒸汽吸收机器26组合。在这种实施例中，蒸汽吸收机器 26是已加热冷却流体驱动的蒸汽吸收机器26。例如，蒸汽吸收机器26可使用通过升温器 22馈送的热水来驱动。机器26用于第二装置28的冷却或空气调节。在另一个实施例中， 光生伏打系统12与热水供应单元30组合。供应单元30配置成馈送通过升温器22馈送的热水。在又一个实施例中，光生伏打系统12与水蒸馏单元32组合。在这种实施例中，蒸馏单元32用于从通过升温器22馈送的已加热冷却流体去除热能，并且对水进行蒸馏。在又一个实施例中，光生伏打系统12与水淡化单元34组合。在这种实施例中，淡化单元34用于从通过升温器22馈送的已加热冷却流体去除热能，并且对水进行淡化。基于包括冷却流体的温度和压力、在光生伏打系统12上的太阳辐照度、废热回收系统24的效率与通过废热回收系统24配送的工作流体的温度、蒸汽吸收机器26的性能的系数与通过蒸汽吸收机器26循环的流体的温度、电力的成本、光生伏打系统12的冷却负荷、通过热水供应单元30的热水的要求、已加热冷却流体的热能的成本或者它们的组合的多个参数，来选择性地激活和去活废热回收系统24、蒸汽吸收机器26、热水供应单元30、水蒸馏单元32和水淡化单元34。嵌有决策算法的控制系统(未示出)可用于确定冷却流体的热能或热量是否可用于发电、热水、冷却目的等等。该算法用于基于上述多个参数来确定冷却流体的热能的最佳使用。参照上述实施例，混合系统10提供实质较高的功率密度，每功率单位的较低成本，多功率生成，即电力、热量、冷却目的。虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。元件列表10混合系统12光生伏打系统14太阳能聚集器16光生伏打模块18冷却系统20第一装置22升温器24废热回收系统26蒸汽吸收机器28第二装置30热水供应单元32水蒸馏单元34水淡化单元36光生伏打电池38 入口42蒸发器44膨胀器46发电机单元48冷凝器50 泵52导热油环路54导热油热交换器56 泵58热交换器60曲线表示由光生伏打系统生成的功率相对于温度的变化62曲线表示由废热回收系统生成的功率相对于温度的变化64曲线表示从示范混合系统输出的组合功率相对于温度的变化66预定温度点68曲线表示有效电效率相对于温度的变化70预定温度点
72曲线表示从废热回收系统输出的电功率相对于温度的变化74曲线表示从光生伏打系统输出的电功率相对于温度的变化76曲线表示从混合系统输出的组合电功率相对于温度的变化
权利要求
1.一种混合系统(10)，包括光生伏打系统(12)，配置成接收太阳能，并且将所述太阳能转换为电能；冷却系统(18)，耦合到所述光生伏打系统(12)，并且配置成使冷却流体通过所述冷却系统(18)循环，以便从所述光生伏打系统(12)去除热量以冷却所述光生伏打系统(12)； 以及第一装置(20)，耦合到所述冷却系统(18)，并且配置成从所述冷却系统(18)接收已加热冷却流体，其中所述第一装置(20)包括配置成生成电力的废热回收系统(24)、配置成冷却第二装置(28)的蒸汽吸收机器(26)、热水供应单元(30)、水蒸馏单元(32)、水淡化单元 (34)或者它们的组合。
2.如权利要求1所述的混合系统(10)，还包括升温器(22)，所述升温器(22)设置在所述冷却系统(18)与所述第一装置(20)之间，并且配置成把从所述冷却系统(18)馈送到所述第一装置(20)的所述已加热冷却流体的温度从第一温度实质增加到第二温度。
3.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述废热回收系统(24)包括配置成使有机工作流体循环的兰金循环系统。
4.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述冷却流体包括水或者与甘醇混合的水。
5.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述蒸汽吸收机器(26)配置成从所述冷却系统(18)的冷却流体去除热量，并且冷却所述第二装置(28)。
6.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述水蒸馏单元(32)配置成从所述冷却系统(18)的冷却流体去除热量，并且生成蒸馏水。
7.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述水淡化单元(34)配置成从所述冷却系统(18)的冷却流体去除热量，并且生成淡化水。
8.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，基于包括所述冷却流体的温度和压力、 在所述光生伏打系统(12)上的太阳辐照度、所述废热回收系统(24)的效率与通过所述废热回收系统(24)配送的工作流体的温度、所述蒸汽吸收机器(26)的性能的系数与通过所述蒸汽吸收机器(26)循环的流体的温度、电力的成本、所述光生伏打系统(12)的冷却负荷、通过所述热水供应单元(30)的热水的要求、所述已加热冷却流体的热能的成本或者它们的组合的多个参数，来选择性地激活和去活所述废热回收系统(24)、所述蒸汽吸收机器 (26)、所述热水供应单元(30)、所述水蒸馏单元(32)和所述水淡化单元(34)。
9.如权利要求1所述的混合系统(10)，其中，所述混合系统(10)具有每平方米700瓦特的功率密度。
10.一种方法，包括经由光生伏打系统(12)来接收太阳能并且将所述太阳能转换为电能；通过使冷却流体通过所述冷却系统(18)循环，经由冷却系统(18)从所述光生伏打系统(12)去除热量，以便冷却所述光生伏打系统(12)；以及将已加热冷却流体从所述冷却系统(18)馈送到第一装置(20)，用于生成电力、冷却第二装置(28)、供应热水、水的蒸馏、水的淡化或者它们的组合。
全文摘要
本发明名称是“混合光生伏打系统及其方法”。混合系统(10)包括配置成接收太阳能并且将太阳能转换为电能的光生伏打系统(12)。冷却系统(18)耦合到光生伏打系统(12)，并且配置成使冷却流体通过冷却系统(18)循环，以便从光生伏打系统(12)去除热量以冷却光生伏打系统(12)。第一装置(20)经由升温器(22)耦合到冷却系统(18)，并且配置成从冷却系统(18)接收已加热冷却流体。升温器(22)配置成把从冷却系统(18)馈送到第一装置(20)的已加热冷却流体的温度从第一温度实质提高到第二温度。第一装置(20)包括配置成生成电力的废热回收系统(24)、配置成冷却第二装置(28)的蒸汽吸收机器(26)、热水供应单元(30)、水蒸馏单元(32)、水淡化单元(34)或者它们的组合。
文档编号H02N6/00GK102315797SQ20111017547
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月18日
发明者A·查特吉, C·S·K·贝洛尼, J·H·斯特隆伯格, O·G·迈尔 申请人:通用电气公司