一种余热发电的太阳能聚光发电装置 【技术领域】
本发明涉及太阳能聚光发电领域，尤指一种可对光热发电过程中的余热利用发电的太阳能聚光发电装置。
背景技术
如图1所示，现有的太阳能聚光发电装置中，聚光发电装置往往包括一聚光透镜，聚光透镜一般采用平面菲涅尔透镜1，对太阳光进行二次聚光的二次聚光棱镜2，聚光电池3。二次聚光棱镜2的聚光投射到聚光电池3上，从而使聚光电池3产生光电转换，从而进行发电。但是采用二次聚光棱镜2再次聚光时，聚光电池3表面会产生极高的温度，温度一般为200度以上，不利于聚光电池3进行光电转化从而影响光电转化的效率，因此常采用在聚光电池3下方设置一散热器4进行散热从而降低聚光电池3的温度。这样一来就造成了这部分光能还没有得到利用就流失掉了，非常可惜。
两种不同成份的导体材质组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势一热电动势，这就是所谓的Seebeck效应(塞贝克效应)。如图2所示，将两种不同类型的热电转换材料N型半导体材料和P型半导体材料的一端结合并将其置于高温状态，另一端与一外部负荷连接并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型半导体材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个半导体温差发电块。
在太阳能发电领域，已经有许多工程技术人员注意到利用太阳能聚光产生的高温作为半导体温差发电装置的高温端，然后利用一个低温端，如集热器形成一个温度高于环境温度的低温端，就可以形成一个温差发电装置进行发电，具体可以参见“聚光集热式太阳能温差发电装置”专利号为CN200520120563.0，这种直接利用太阳能聚光装置产生高温来利用温差发电块进行发电的装置存在发电效率不高的问题，发电量低，实际运用的意义不大，性价比太低。因为温差发电块目前的热电转换效率都低于15％，目前一般的市售温差发电块也就在4％～8％左右，直接进行发电的意义非常有限。
余热利用是目前太阳能发电领域设计的一个主要方向，如何最大限度的利用能源、提高低品位能量的利用效率是人们努力的一个方向。本领域迫切希望能够设计出一种更为完善的光电、热电利用装置，能够充分利用太阳能发电过程中产生的高温余热。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种余热发电的太阳能聚光发电装置，本聚光发电装置采用温差发电装置来利用余热进行发电，同时利用集热器对温差发电装置进行降温形成低温面，从而一方面实现了余热光电转化，另一方面实现了余热的热利用，提高了太阳能利用效率。
本发明提供的技术方案如下：
一种余热发电的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组以及安装所述太阳能聚光发电模组的追日跟踪支架系统，所述太阳能聚光发电模组包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元，所述太阳能聚光发电单元包括一聚光透镜，一设置在所述聚光透镜聚光区域的聚光电池；所述聚光电池下方设置一温差发电装置，所述温差发电装置的高温面与所述聚光电池紧密贴合，所述温差发电装置的低温面与一集热器的吸热层紧密贴合；所述各聚光电池及所述各温差发电装置之间串联连接后向外输出电能。
进一步地，本专利装置中所述聚光透镜为削顶曲面聚光透镜，所述削顶曲面聚光透镜由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜组成，所述削顶中空曲面菲涅尔透镜为曲面锥体形，所述平面透镜粘接固定在所述削顶中空曲面菲涅尔透镜的削顶区域形成削顶曲面聚光透镜。
进一步地，本专利装置中所述平面透镜是指平面菲涅尔透镜。
进一步地，本专利装置中所述温差发电装置为一半导体温差发电块。
进一步地，本专利装置中所述太阳能聚光发电单元还设有一用于将所述削顶曲面聚光透镜的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜。
进一步地，本专利装置中所述追日跟踪支架系统包括一用于安装所述太阳能聚光发电模组的支架安装面，所述支架安装面安装在一固定立柱上，所述支架安装面上设有一太阳光强传感器，所述立柱上设有用于调整所述支架安装面的调整机构及控制机构，所述控制机构根据所述太阳光强传感器的信号控制所述调整机构调整所述支架安装面转动从而保证所述支架安装面始终正对着太阳。
进一步地，本专利装置中所述调整机构包括一垂直调整机构与一水平调整机构，所述垂直调整机构包括一设置在所述支架安装面上的齿轮，一设置在所述立柱上的电机，所述电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；所述水平调整机构包括一套设在所述立柱上可围绕所述立柱转动的转动杆，一安装在所述转动杆一端的电机，所述转动杆的另一端连接在所述支架安装面上。
进一步地，本专利装置中所述聚光电池为III-V族多节太阳能电池。
进一步地，本专利装置中所述聚光电池为砷化镓太阳能电池。
本专利的太阳能聚光发电装置工作方式主要是将太阳光经过削顶曲面聚光透镜把太阳光汇聚到二次聚光棱镜上，经过二次聚光棱镜把汇聚后的太阳光均匀化，然后直接照射到砷化镓太阳能电池上，太阳能电池发生光生伏打效应，产生直流电能；同时，在太阳能电池下方设置有半导体温差发电装置，由于温差发电需要保证半导体材料的温度梯度，这样低温面必须保证散热，即将高温面传导到低温面的热量能够不断的散发出去，才能在热量的流动过程中产生电动势从而发电，为了保证温差发电装置的低温面的散热，在低温面设置一集热器，通过集热器将低温面传导过来地热量带走，这样一来可以避免太阳能电池的温度过高，从而影响太阳能电池的光电转换效率，二来通过温差发电装置实现了余热发电，三来通过集热器将温差发电装置的低温面传导过来的热量进行综合利用，如用于热水等。然后将整个聚光发电装置的各聚光电池以及各温差发电装置之间串联连接后把电压提高从而向外输出电能。
本专利的效果在于：
(一)一直以来，太阳能聚光发电装置中的太阳能聚光透镜主要采用平面菲涅尔透镜进行聚光，业界虽然已经觉察到平面菲涅尔透镜具有色散、全反射、聚光倍数受限制等缺点，但是一直无法找到改进的办法，而曲面菲涅尔透镜虽然有良好的光学透射效果，但是其曲面形状则对制造提出了更高的难度，采用传统的铸模、冲压等方法，制造难度大，成本高，因此很难大规模推广。本专利巧妙的将平面菲涅尔透镜与曲面菲涅尔透镜结合起来，取平面菲涅尔透镜或凸透镜的制造简单方便、成本低的优点与曲面菲涅尔透镜的光学透射效果好的优点进行结合，巧妙的规避了曲面菲涅尔透镜制作难度及成本的问题，从而为太阳能聚光透镜提供了一种聚光效果更佳、成本更优的聚光透镜。
具体而言，削顶中空曲面聚光透镜，避免了曲面菲涅尔透镜制作过程中顶部曲面带来的脱膜难题，然后形成一个同削顶区域大小相同的平面菲涅尔透镜，这种平面菲涅尔透镜的加工简单方便，工艺也非常成熟。最后将这两者粘接固定在一起，就形成了本专利的削顶曲面聚光透镜。当然平面菲涅尔透镜也可以替换为凸透镜或者其它平面透镜。在制作削顶中空曲面菲涅尔透镜时，可以采用铸模一次成型的方法，也可以采用在削顶中空曲面锥体内粘贴透镜薄膜的方式来制作。本专利的太阳能聚光发电装置较现有技术中采用平面菲涅尔透镜的太阳能聚光发电装置可以显著提高光电转化效率，特别是可以降低高倍聚光太阳能系统对于追日跟踪支架系统的精度要求。
(二)本专利将传统技术中，设置在太阳能电池下方的散热器用温差发电装置、集热器来代替，避免了光热能直接通过散热器散发到环境中，造成能量的浪费，对余热进行光电、光热利用，不但提高了太阳能光电转化效率，而且实现了余热的综合利用。
【附图说明】
图1为现有技术的太阳能聚光发电装置的工作示意图；
图2为温差发电装置的工作原理示意图；
图3为半导体温差发电块的结构示意图；
图4为本发明中削顶曲面聚光透镜的结构示意图；
图5为本发明中削顶曲面聚光透镜的第一种结构示意图；
图6为本发明中削顶曲面聚光透镜的第二种结构示意图；
图7为本发明装置的后视结构示意图；
图8为本发明装置的侧视结构示意图；
图9为本发明太阳能聚光发电模组的结构示意图；
图10为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意图；
图11为本发明集热器结构示意图；
附图标号说明：
1-平面菲涅尔透镜 2-二次聚光棱镜 3-太阳能电池 40-散热片41-温差发电装置 42-高温面 43-P型半导体 44-N型半导体45-低温面 46-电连接线 5-追日跟踪支架系统 51-固定立柱52-太阳光强传感器 53-支架安装面 54-垂直调整机构55-水平调整机构 6-太阳能聚光发电单元 61-削顶曲面聚光透镜62-削顶中空曲面菲涅尔透镜 63-削顶区域 64-平面菲涅尔透镜65-凸透镜 7-太阳能聚光发电模组 21-固定基板 31-固定基板8-集热器 81-吸热层 82-隔热层 83-水 84-进水口85-出水口
【具体实施方式】
下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图7为本发明装置的后视结构示意图，图8为本发明装置的侧视结构示意图；一种余热发电的太阳能聚光发电装置，包括多个太阳能聚光发电模组7以及安装太阳能聚光发电模组7的追日跟踪支架系统5，太阳能聚光发电模组7包括呈矩阵排列的多个太阳能聚光发电单元6(参见图9)，如图10为本发明太阳能聚光发电单元的结构示意图；如图3所示为温差发电装置的结构示意图；太阳能聚光发电单元6包括一削顶曲面聚光透镜61，一设置在削顶曲面聚光透镜61聚光区域的聚光电池即太阳能电池3；聚光透镜61下方设有一用于将削顶曲面聚光透镜61的出射光进行二次聚光的二次聚光棱镜2，太阳能电池3下方设有一温差发电装置41。温差发电装置41的具体结构为由多组半导体材料组成的温差发电块，其中P型半导体43与N型半导体44依次串接在一起，半导体材料的两端分别设有高温面42与低温面45，低温面45上设置了两个电连接线46，温差发电装置41可以直接采用市售的各种成品，譬如北京帕尔贴半导体公司生产的TEc1-031100型号的半导体温差发电片。具体使用时，将温差发电装置41的高温面42与太阳能电池3紧密贴合，温差发电装置41的低温面45与一集热器8的吸热层81紧密贴合；各聚光电池及各温差发电装置之间串联连接后向外输出电能，电能可供离网和并网使用。聚光电池为III-V族多节太阳能电池3，如：磷化镓铟、碲化铬、砷化镓等，优选砷化镓太阳能电池。二次聚光棱镜2通过一固定基板21固定在太阳能聚光发电单元6中，同样，太阳能电池3固定在另一固定基板31上。
如图11所示，集热器8设有一吸热层81，隔热层82、吸热层81与温差发电装置41的低温面紧贴在一起，隔热层82将集热器8围成一密闭空间，密闭空间中设有循环流动的传热介质，如水83等，集热器8设有一个进水口84，一个出水口85，这样吸热层81将温差发电装置41的低温面的热量传导到传热介质中，通过传热介质的不断循环流动，从而将太阳能电池3的热量不断的带出，传热介质带出的热量可以进行充分利用，如作为热水供应等。
如图4～图6所示，本专利中的削顶曲面聚光透镜61由一平面透镜与一削顶中空曲面菲涅尔透镜62组成，削顶中空曲面菲涅尔透镜62为曲面锥体形，平面透镜粘接固定在削顶中空曲面菲涅尔透镜62的削顶区域63形成削顶曲面聚光透镜61。
本专利中：平面透镜是指：光线出射面或入射面为平面的透镜。
作为本专利的一个实施例，平面透镜为平面菲涅尔透镜64。作为本专利的另一个实施例，平面透镜为凸透镜65。为了保证整个透镜的透射效果，平面透镜的面积小于削顶曲面聚光透镜61有效受光面积的35％。
本专利中，削顶曲面聚光透镜61的制作方法，按照如下步骤进行制作：
首先铸模成型形成一削顶中空曲面锥体，削顶区域为一圆形区域；
然后在削顶中空曲面锥体内粘贴透镜薄膜形成削顶中空曲面菲涅尔透镜62；
再次铸模成型形成一块与削顶区域63相同大小的平面菲涅尔透镜64；
最后将平面菲涅尔透镜64粘接固定到削顶中空曲面菲涅尔透镜62的削顶区域63形成削顶曲面聚光透镜61。
粘贴透镜薄膜是指将透镜薄膜按照曲面菲涅尔透镜各个“齿“的折射率、折射角度的不同对应粘贴到削顶中空曲面锥体内，透镜薄膜可以选择美国3M公司生产的透镜薄膜，通过这种粘贴的方式可以产生与冲压成型一样的效果。
如图7、图8所示，追日跟踪支架系统5包括一用于安装太阳能聚光发电模组7的支架安装面53，支架安装面53安装在一固定立柱51上，支架安装面53上设有一太阳光强传感器52，立柱51上设有用于调整支架安装面53的调整机构及控制机构，调整机构是指一垂直调整机构54与一水平调整机构55，垂直调整机构54包括一设置在支架安装面53上的齿轮，一设置在立柱51上的电机，电机的螺旋传动轴与齿轮啮合；水平调整机构55包括一套设在立柱51上可围绕立柱51转动的转动杆，一安装在转动杆一端的电机，转动杆的另一端连接在支架安装面53上。控制机构根据太阳光强传感器52的信号控制水平调整机构55及垂直调整机构54调整支架安装面53转动从而保证支架安装面53始终正对着太阳。
具体安装时，首先将立柱51垂直固定在地面上；垂直调整机构54调整支架安装面53的高度角，水平调整机构55调整支架安装面53的方位角；太阳光强传感器52实时检测太阳角度，控制机构根据太阳光强传感器52检测到的太阳角度调整水平调整机构55及垂直调整机构54，使太阳光垂直照射到太阳能聚光发电模组7的上表面。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。