[發(fā)明專利]一種塔式光伏光熱組合發(fā)電裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010764745.0
• 申請(qǐng)日: 2020-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN111765652A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李清海;高宇;張衍國(guó);楊瀟瀟;叢堃林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): F24S23/77
• 分類號(hào): F24S23/77;F24S30/40;F24S50/20;F24S10/70;F24S70/225;F24S60/00;H02S10/10;H02S40/44
• 代理公司: 北京三聚陽(yáng)光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發(fā)明公開了一種塔式光伏光熱組合發(fā)電裝置，包括定日鏡、集熱塔、集熱器、儲(chǔ)熱罐、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。定日鏡設(shè)置若干個(gè)且在地面圍繞集熱塔呈圓周環(huán)形布置，能夠?qū)⑻?yáng)光中的紅外線向集熱器反射，產(chǎn)生蒸汽供汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。定日鏡包括從迎光面依次布置的紅外反射層和薄膜太陽(yáng)電池，以及托架。薄膜太陽(yáng)電池沿著光入射方向依次為透明玻璃層、導(dǎo)電玻璃層、電子傳輸層、活性層、空穴傳輸層和背電極層。集熱器由以螺旋方式纏繞在集熱塔頂部的螺旋集熱管和垂直集熱管構(gòu)成，螺旋集熱管和垂直集熱管的外表面均涂有選擇性紅外吸收涂層；本發(fā)明具有能源綜合利用率高、定日鏡清洗方便、光熱聚焦比高、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用領(lǐng)域，尤其涉及一種利用太陽(yáng)能同時(shí)進(jìn)行光熱發(fā)電和光伏發(fā)電的塔式光伏光熱組合發(fā)電裝置，可實(shí)現(xiàn)不同頻段太陽(yáng)能的梯級(jí)利用，同時(shí)生產(chǎn)熱能和電能。

背景技術(shù)

能源是人類發(fā)展生存的根本保證，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，能源的消耗量與日劇增，化石能源面臨枯竭。要解決未來(lái)人類的能源利用問(wèn)題就要大力發(fā)展新能源、清潔能源，用新能源替代舊能源是必然趨勢(shì)。太陽(yáng)能以其獨(dú)特的儲(chǔ)量“無(wú)限性”、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)中占有重要之地。中國(guó)陸地每年接收的太陽(yáng)輻射總量相當(dāng)于2.4×10⁴億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約相當(dāng)于為中國(guó)年均能源消耗的600倍，即只要有1/600的太陽(yáng)能被利用起來(lái)，就可以解決中國(guó)的能源供給問(wèn)題。開發(fā)太陽(yáng)能是“百年大計(jì)、千年大計(jì)”。太陽(yáng)能光熱發(fā)電、光伏發(fā)電等都是利用太陽(yáng)能的可選途徑。

光熱發(fā)電是通過(guò)槽式、碟式、塔式等反射聚光聚熱裝置將太陽(yáng)能的熱量匯聚起來(lái)加熱空氣、導(dǎo)熱油、熔鹽等工作介質(zhì)，然后通過(guò)朗肯循環(huán)或者斯特林循環(huán)原動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，但在光熱發(fā)電中有一部分可見光和紫外頻段的能量被轉(zhuǎn)化成了熱量，而這部分能量是可以直接通過(guò)光伏發(fā)電的方式轉(zhuǎn)換成電能的，可見光通過(guò)光伏發(fā)電直接轉(zhuǎn)化為電能的效率約50％，遠(yuǎn)高于光熱發(fā)電的25％。

光伏發(fā)電主要是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。太陽(yáng)能電池按照材料來(lái)說(shuō)，大致可以分為以下幾類：

(1)第一代硅基太陽(yáng)能電池，主要是指以單晶硅、多晶硅及其與非晶硅復(fù)合為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池，目前實(shí)驗(yàn)室效率可以達(dá)到25％以上，根據(jù)肖特基極限預(yù)測(cè)，理想最高效率約32％。

(2)第二代多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池，主要包括砷化鎵GaAs、磷化銦InP、銅銦鎵硒CIGS、碲化鎘CdTe太陽(yáng)能電池等，這類電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，器件性能穩(wěn)定，電池的吸光層厚度較薄，可以大幅減少原材料消耗，是目前業(yè)界看好的薄膜型太陽(yáng)能電池。

(3)第三代新型太陽(yáng)能電池，主要包括鈣鈦礦太陽(yáng)能電池PSC、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池等。近10年來(lái)新興的雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池PSC迅速受到了世界矚目，截止2019年8月，該類薄膜電池的最高效率從2009年的3.8％提高到了25.2％。這種鈣鈦礦薄膜可以涂抹在任意形狀的物體表面形成光伏電池，但這類電池只吸收紫外和可見光區(qū)段的能量，對(duì)紅外區(qū)域的能量吸收較少。紅外區(qū)域的能量更適合生產(chǎn)熱能，并利用熱能去發(fā)電，利用熱能產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電實(shí)際可行的效率已經(jīng)達(dá)到50％。如果把太陽(yáng)視作5800K的黑體，地球的環(huán)境溫度視為300K，則在太陽(yáng)與地面之間架設(shè)一臺(tái)鍋爐，按照卡諾循環(huán)發(fā)電最高效率可達(dá)85％。可見無(wú)論單純光伏發(fā)電和光熱發(fā)電目前都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)理想相率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供塔式光伏光熱組合發(fā)電裝置，充分考慮太陽(yáng)能利用的頻譜特性，將工作在紫外區(qū)域、可見光區(qū)域的光伏發(fā)電和紅外區(qū)域的光熱發(fā)電結(jié)合起來(lái)，盡最大可能的利用太陽(yáng)能，提供熱能和電力等輸出。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：