太陽能發電集熱系統及其太陽能發電集熱裝置的制作方法

本發明涉及太陽能發電供熱設備領域，特別涉及太陽能發電集熱系統及其太陽能發電集熱裝置。

背景技術：

光熱發電技術是將太陽能轉化成熱能，然后利用熱能發電，熱能發電時通過換熱器等生成水蒸汽，然后利用水蒸汽進行發電，這種發電技術產生的熱能容易存儲，但是需要太陽光直接照射，效率受地域和季節影響較大。

光熱供熱技術是將光能直接轉換成熱能，產生熱能供居民使用、工業供熱。光熱供熱技術中通常需要使用太陽能集熱裝置，目前常用的太陽能集熱裝置為槽式太陽能集熱裝置、太陽追蹤機構，槽式太陽能集熱裝置包括槽式反光板和設置在槽式反光板上的集熱管，槽式反光板將太陽光線反射至集熱管對集熱管進行加熱，集熱液吸收的熱量用于供熱。但是，在實際應用中，根據使用條件或者由于季節的限制，供熱量需求會發生變化，非固定值，有些情況下不需要供熱或供熱量較小，則裝置利用率低，光能不能得到充分的利用，供熱成本高，這也阻礙了光熱供熱技術的應用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種太陽能發電集熱裝置，以解決目前的太陽能集熱裝置的光能利用率低的問題；另外，本發明的目的還在于提供一種使用上述太陽能發電集熱裝置的太陽能發電集熱系統。

為實現上述目的，本發明的太陽能發電集熱裝置的第一種技術方案為：太陽能發電集熱裝置包括支架和設置在支架上的集熱管，支架上還設有用于將光線反射到集熱管上的反光板，所述支架上設有雙面光伏組件，雙面光伏組件姿態可調，且通過調整姿態調節分配反光板上反射至集熱管和雙面光伏組件上的光照量。

本發明的太陽能發電集熱裝置的第二種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱裝置的第一種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件始終處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上，所述雙面光伏組件一端擺動裝配在支架上。

本發明的太陽能發電集熱裝置的第三種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱裝置的第二種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件的擺動軸線平行于集熱管的軸線，所述的雙面光伏組件設有至少一對，同一對的兩個雙面光伏組件的擺動軸線相互靠近設置。

本發明的太陽能發電集熱裝置的第四種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱裝置的第三種技術方案的基礎上，所述支架上設有用于調節雙面光伏組件擺動角度的角度調節裝置，所述角度調節裝置包括步進電機和由步進電機驅動的蝸輪蝸桿機構，所述蝸輪蝸桿機構包括蝸輪、與蝸輪嚙合的等徑齒輪、與步進電機傳動連接并帶動蝸輪旋轉的蝸桿，所述蝸輪和等徑齒輪分別與一對雙面光伏組件中的兩個雙面光伏組件連接帶動對應的雙面光伏組件擺動。

本發明的太陽能發電集熱裝置的第五種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱裝置的第一種至第四種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上，太陽能發電集熱裝置還包括用于根據入射光線的變化調整支架位置的自動追蹤系統，雙面光伏組件具有平行于反射光線的避讓位，反光板設有至少兩塊，處于避讓位的雙面光伏組件沿入射光線方向的投影處于相鄰反光板之間的間隔處。

本發明的太陽能發電集熱系統的第一種技術方案為：太陽能發電集熱系統包括太陽能發電集熱裝置和供熱管路，太陽能發電集熱裝置包括支架和設置在支架上的集熱管，支架上還設有用于將光線反射到集熱管上的反光板，所述支架上設有雙面光伏組件，雙面光伏組件姿態可調，且通過調整姿態調節分配反光板上反射至集熱管和雙面光伏組件上的光照量。

本發明的太陽能發電集熱系統的第二種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱系統的第一種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件始終處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上，所述雙面光伏組件一端擺動裝配在支架上。

本發明的太陽能發電集熱系統的第三種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱系統的第二種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件的擺動軸線平行于集熱管的軸線，所述的雙面光伏組件設有至少一對，同一對的兩個雙面光伏組件的擺動軸線相互靠近設置。

本發明的太陽能發電集熱系統的第四種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱系統的第三種技術方案的基礎上，所述支架上設有用于調節雙面光伏組件擺動角度的角度調節裝置，所述角度調節裝置包括步進電機和由步進電機驅動的蝸輪蝸桿機構，所述蝸輪蝸桿機構包括蝸輪、與蝸輪嚙合的等徑齒輪、與步進電機傳動連接并帶動蝸輪旋轉的蝸桿，所述蝸輪和等徑齒輪分別與一對雙面光伏組件中的兩個雙面光伏組件連接帶動對應的雙面光伏組件擺動。

本發明的太陽能發電集熱系統的第五種技術方案為：在本發明的太陽能發電集熱系統的第一種至第四種技術方案的基礎上，所述雙面光伏組件處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上，太陽能發電集熱裝置還包括用于根據入射光線的變化調整支架位置的自動追蹤系統，雙面光伏組件具有平行于反射光線的避讓位，反光板設有至少兩塊，處于避讓位的雙面光伏組件沿入射光線方向的投影處于相鄰反光板之間的間隔處。

本發明的有益效果為：本發明的太陽能發電集熱裝置的反光板與集熱管之間的反射光線路徑上設有姿態可調的雙面光伏組件，與目前的太陽能集熱裝置相比，本發明的太陽能發電集熱裝置通過調整雙面光伏組件可以調整反光板反射至集熱管上的光照量，在雙面光伏組件通過調整姿態調節反光板上反射至集熱管上的光照量時，雙面光伏組件遮擋一部分反射光線反射至集熱管，并且遮擋一部分入射光線入射至反光板，被雙面光伏組件遮擋的入射光線和反射光線均能夠被雙面光伏板利用，雙面光伏組件利用該部分光線能夠進行發電，通過調整光伏板組件的姿態，可以自由調整分配反光板上反射至集熱管和雙面光伏組件上的光照量。在不需要進行供熱時，或者供熱量減小時，可以盡可能地利用雙面光伏組件進行發電，解決了目前的太陽能集熱裝置光能利用率低的問題。雙面光伏組件在常規布置方式下，其背面只能利用自然光，沒有太陽直接照射光線，組件的利用率低，而本發明中的雙面光伏組件可以充分利用反光板的反射光線，有效提高雙面光伏組件的背面的發電能力，提高組件的利用率。

進一步的，所述雙面光伏組件處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上，太陽能發電集熱裝置還包括用于根據入射光線的變化調整支架位置的自動追蹤系統，雙面光伏組件具有平行于反射光線的避讓位，反光板設有至少兩塊，處于避讓位的雙面光伏組件沿入射光線方向的投影處于相鄰反光板之間的間隔處，一方面能夠節省反光板材料，降低整個裝置的重量，另一方面間隔形成的雨雪水流道，避免反光板上積水，另外，間隔也能形成通風流道，降低風阻，同時降低雙面光伏組件表面的溫度。

附圖說明

圖1是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1中反光板與集熱管的結構示意圖；

圖2是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1中雙面光伏組件處于遮擋位時的狀態示意圖；

圖3是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1中雙面光伏組件處于避讓位時的示意圖；

圖4是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1中雙面光伏組件擺動至避讓位和遮擋位之間的位置的狀態示意圖；

圖5是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1的自動追蹤系統的結構示意圖；

圖6是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1的角度調節裝置的結構示意圖；

圖7是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1的雙面光伏組件的結構示意圖；

圖8是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1的供熱系統的原理圖；

圖9是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例1的組件角度調節機構自動追蹤控制原理圖；

圖10是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例2的供熱系統的原理圖；

圖11是本發明的太陽能發電集熱裝置的具體實施例3的供熱系統的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。

本發明的太陽能發電集熱系統的具體實施例1，太陽能發電集熱系統包括太陽能發電集熱裝置和與之配套的供熱系統。如圖1和圖5所示，太陽能發電集熱裝置包括安裝臺1和轉動裝配在安裝臺1上的支架2，支架2上設有集熱管3。支架2上還設有用于將光線反射至集熱管3上的反光板4，安裝臺上設有用于根據入射光線的變化調整支架2位置的自動追蹤系統，自動追蹤系統通過調節支架2的位置調節反光板4的位置，自動追蹤系統使反光板4與入射光線的夾角始終保持一致。本實施例中反光板4為拋物線型槽式，反光板4設有兩個，兩個反光板之間具有反光板對稱平面，集熱管3的軸線處于反光板對稱平面上，反光板4反射的反射光線聚焦在集熱管3上對集熱管3內的工質加熱，集熱管3內的工質被加熱后用于做功或供熱。本發明所述太陽能發電指的是光伏組件發電。

本實施例中，集熱管3沿南北方向布置，自動追蹤系統使反光板4和集熱管3轉動，使反光板4反射的光線始終能夠反射至集熱管3上。如圖5所示，支架2具有支架轉向軸21，自動追蹤系統包括與支架轉向軸21連接的支架角度調節機構，支架角度調節機構包括第一步進電機22、與支架轉向軸21固定連接的第一蝸輪23和與第一蝸輪23傳動連接第一蝸桿24，第一蝸桿24與第一步進電機22的電機軸連接，第一步進電機22固定在安裝臺1上。自動追蹤系統根據太陽方位角位置，控制第一步進電機22的轉動，通過蝸輪蝸桿機構的減速作用，帶動支架2轉動。渦輪蝸桿傳動機構只是具體說明自動追蹤系統的一種形式，其它的能夠進行有效的自動追蹤的系統一樣適用。

如圖2至圖4、圖7所示，支架2上擺動裝配有雙面光伏組件5，雙面光伏組件的兩面均能夠利用太陽能發電，本實施例中，雙面光伏組件為平板狀結構，其他實施例中，根據需要雙面光伏組件還可以是弧形等其他形狀。雙面光伏組件5始終處于集熱管與反光板之間的反射光線路徑上。雙面光伏組件5的擺動軸線平行于集熱管3的軸線。雙面光伏組件5具有擺動端51和擺動裝配在支架2上的鉸接端52，雙面光伏組件5的一端鉸接在支架2上。

本實施例中，雙面光伏組件5處于集熱管3與反光板4之間的反射光線路徑上，雙面光伏組件5具有平行于經過光伏組件擺動軸的反射光線的避讓位和遮擋全部反射光線射至集熱管3上的遮擋位。調節雙面光伏組件5時，雙面光伏組件5在遮擋位與避讓位之間擺動。雙面光伏組件5處于遮擋位和避讓位之間的位置時，雙面光伏組件5遮擋一部分反射光線，被遮擋的反射光線無法反射至集熱管3上。通過使雙面光伏組件5擺動可以調整雙面光伏組件5的姿態，調整雙面光伏組件5的姿態可以調節反光板4上反射至集熱管3上的光照量。雙面光伏組件5處于遮擋位和避讓位之間的位置時，雙面光伏組件5遮擋一部分反射光線反射至集熱管，也遮擋一部分入射光線入射至反光板4，入射光線和出射光線被雙面光伏組件5遮擋后均能夠被雙面光伏板利用，雙面光伏組件5利用該部分光線能夠進行發電，在不需要進行供熱時，可以利用雙面光伏組件5進行發電，提高了光能利用率。

本實施例中，反光板4設有兩個，兩個反光板4間隔設置，兩個反光板4之間的間隔42與雙面光伏組件5沿入射光線方向布置并被處于避讓位的雙面光伏組件5遮擋，處于避讓位的雙面光伏組件5沿入射光線方向的投影處于相鄰反光板之間的間隔42處，入射光線無法照射到兩個反光板4之間的間隔42。設置的間隔42一方面能夠節省反光板4材料，降低整個裝置的重量，另一方面間隔42內形成雨雪流道，同時也能夠形成通風流道，降低風阻的同時降低雙面光伏組件5表面的溫度。

本實施例中，雙面光伏組件5設有一對，兩個雙面光伏組件5處于集熱管3之下、槽式反光板4之上并關于反光板對稱平面對稱設置。兩個雙面光伏組件5的鉸接端52靠近反光板4的反光板對稱平面設置。

如圖6和圖7所示，支架2上還設有用于調節雙面光伏組件5擺動角度的角度調節裝置，角度調節裝置包括第二步進電機6和與第二步進電機6連接的第二蝸輪蝸桿機構，第二蝸輪蝸桿機構包括與第二步進電機6的電機軸連接的第二蝸桿61和與一個雙面光伏組件5的鉸接軸同軸固定連接以帶動雙面光伏組件5擺動的第二蝸輪62。角度調節裝置還包括與第二蝸輪嚙合并與第二蝸輪等徑的第二齒輪63，第二齒輪63與另一個雙面光伏組件5的鉸接軸固定連接。通過第二步進電機6和第二蝸輪蝸桿機構可以調節兩個雙面光伏組件5的位置，進而調節在集熱管3與雙面光伏組件5上的光照量。選擇渦輪蝸桿減速機構，一方面可以實現大的減速傳動比，另一方面，機構具有自鎖功能。其他實施例中，當不需要精細自動調節的情況下，為降低成本，可以選擇手動調節一對等徑齒輪的方式實現雙面光伏組件5位置的調節，調節完成后，齒輪應具有鎖死機構。雙面光伏組件5固定在鉸接軸上，第二蝸輪62固定在鉸接軸上。支架2包括集熱管支撐柱25，鉸接軸通過軸承連接在集熱管支撐柱25上。圖6中的渦輪與等徑齒輪并不代表實際大小，僅是為了說明其原理的結構示意圖。

圖2為雙面光伏組件5處于遮擋位時的狀態示意圖，此時雙面光伏組件5和反光板對稱平面之間的夾角為90°，入射光線a照射到槽式反光板4的最左邊，反射后投射到雙面光伏組件5的最左邊；入射光線b照射到雙面光伏組件5的最左邊之外，入射光線b反射后恰好投射到雙面光伏組件5的最右邊。ab之間的入射光線經槽式反光板4反射后，全部投射到雙面光伏組件5的背光面，且覆蓋雙面光伏組件5的整個背光面，雙面光伏組件5背光面光照均勻。入射光線c照射到雙面光伏組件5的最右邊處。bc之間的入射光線全部直接照射到雙面光伏組件5的迎光面內，ac之間的入射光線全部用于雙面光伏組件5發電，沒有反射光線投射到集熱管3上。

雙面光伏組件5處于遮擋位時，雙面光伏組件5和反光板對稱平面之間的夾角為90°，在自動追蹤系統的作用下，雙面光伏組件5表面法線和直接照射光線之間的夾角最小，可以有效提高雙面光伏組件5迎光面的光照量。

如圖3所示，雙面光伏組件5逆時針擺動至避讓位時，反射光線與雙面光伏組件5平行，雙面光伏組件5的背光面上不能接收反射光線。入射光線a照射到反光板4的最左邊，反射后投射到集熱管3上；入射光線b對應的反射光線和雙面光伏組件5背光面平行，投射到集熱管3上。入射光線c照射到雙面光伏組件5的最左邊之外，反射后投射到集熱管3上。入射光線d照射到雙面光伏組件5的最右邊處。ac之間的入射光線不考慮雙面光伏組件5的厚度的情況下，經反光板4反射后，全部投射到集熱管3上。cd之間的入射光線全部直接照射到雙面光伏組件5的迎光面內。

雙面光伏組件5處于避讓位時，雙面光伏組件5的背光面上不能接收到反射光線，迎光面的光照量最小，反光板4上的反射光線全部射至集熱管3上，集熱管3上獲得最大的反射光照。由于雙面光伏組件5的遮擋，在入射光線方向上處于雙面光伏組件5后的反光板4上布置間隔42，一方面節省反光板4材料，降低裝備重量，另一方面，能夠形成雨雪水流道，同時形成通風流道，能夠降低風阻，降低雙面光伏組件表面溫度。

如圖4所示，雙面光伏組件5擺動至避讓位和遮擋位之間的位置，入射光線a照射到反光板4的最左邊，反射后投射到集熱管3上；入射光線b對應的反射光線投射到雙面光伏組件5的最左邊，入射光線c對應的反射光線照射到雙面光伏組件5的最右邊，入射光線d照射到雙面光伏組件5的最左邊之外，反射后投射到集熱管3上。入射光線e照射到雙面光伏組件5的最右邊處。ab、cd之間的入射光線不考慮雙面光伏組件5的厚度的情況下，經反光板4反射后，全部投射到集熱管3上。bc之間的入射光線全部反射到雙面光伏組件5的背光面內，雙面光伏組件5的整個背光面內的反射光照是比較均勻的。de之間的入射光線全部直接照射到雙面光伏組件5的迎光面。投射到雙面光伏組件5迎光面、背光面上的總光照量大于雙面光伏組件5處于避讓位時雙面光伏組件5獲得的總光照量，小于雙面光伏組件5處于遮擋位時雙面光伏組件5獲得的總光照量。通過角度調節裝置，可以有效地調節在光伏發電、光熱供熱之間的光照量分配，從而根據需要，最大限度地利用好光能。

本實施例中的雙面光伏組件的一端鉸接在支架上，并且兩個雙面光伏組件的鉸接端間隔設置，以適應間隔設置的兩塊反光板，雙面光伏組件在姿態調整的過程中始終處于反射光線的路徑上。使用時無論光伏組件處于何種姿態，均能夠保證雙面光伏組件的背光面和迎光面受到光照的均勻性，避免光伏板上一部分能夠接收光照而另一部分不能接收光照形成光斑效應，損壞光伏組件，同時充分利用兩塊光伏板的間隔，提高雙面光伏組件的利用率。

在供電和供熱的過程中，通過角度調節裝置非常靈活地在集熱管3與雙面光伏組件5之間分配光照量，因此，可以根據天氣預報、高溫儲熱元件內的儲熱量等參數，靈活控制雙面光伏組件5與反光板對稱平面之間的夾角、導熱液流量等控制量，滿足供熱需求的情況下，最大限度地多發電。如圖9所示，假定導熱液流量是定值，在有光照情況下，給出了雙面光伏組件5位置的自動控制原理圖。根據天氣預報、高溫儲熱元件內的儲熱量等參數，動態計算目標儲熱量，進一步得出需要的集熱管3出口導熱液溫度目標值，根據實測的集熱管3出口導熱液溫度值反饋，根據集熱管3出口導熱液溫度和雙面光伏組件夾角之間的函數關系，修正調整雙面光伏組件5與反光板對稱平面之間的夾角值。雙面光伏組件5與反光板對稱平面之間的夾角值受最大值、最小值限制。

另外，還可以根據光伏電價等收益和低谷用電價格的差異，合理利用儲熱元件的容量，在光伏發電、光熱供熱、用低谷廉價電力供熱之間進行平衡，從而調整光伏發電、光熱供熱之間的光照量分配關系，以期獲得最大收益。

當太陽能發電集熱裝置僅用于熱能發電時，即產生的高溫導熱液用于換熱加熱蒸汽、并驅動汽輪發電機組發電的情況下，太陽能發電集熱裝置可以靈活控制集熱管3與雙面光伏組件5之間的光照量分配，利用光伏發電調節慣性小、調節速度快的特點，滿足系統對于電功率快速調整的需要；同時，雙面光伏組件5發電加上熱能發電的總容量大于單純的利用集熱管3產生的熱能進行熱能發電的容量，可以在白天的一定時間段內增大系統的對外供電能力。

為提高太陽能發電集熱裝置的供熱可靠性，需要配套布置儲熱元件、輔助加熱元件，滿足連續可靠供熱需求。如圖8所示，太陽能發電集熱系統包括儲熱元件、輔助加熱元件、換熱元件。簡化起見，沒有畫出導熱液驅動泵、控制閥等元件。

集熱管3中的導熱液選用導熱油，導熱油具有比熱容大，加熱溫度至比較高而無相變、導熱液壓力低等優點，有利于在儲熱元件中儲熱。儲熱元件中的高溫導熱液在間壁式換熱元件中，和水進行熱交換，水可以被加熱為熱水，還可以被加熱為一定壓力的蒸汽，通過管路提供到熱用戶。換熱元件的水側生成蒸汽的情況下，或者其它做功工質的情況下，可以用于驅動供冷裝置，通過供冷裝置向用戶提供冷源。通過布置輔助加熱元件，在光熱供熱裝置提供的熱量不足時，用于補充加熱。本實施例中，輔助加熱元件采用空氣源熱泵、電鍋爐，也可以采用燃氣鍋爐，有外部熱源時，還可以是外部熱源等。空氣源熱泵是主要輔助加熱元件，因其加熱效率較高；可采用電鍋爐作為應急加熱裝置，其加熱效率相對較低，造價低，可以補充空氣源熱泵的容量不足。這樣做的目的在于，一方面，可以利用低谷或平段電價進行輔助加熱，同時在儲熱裝置中儲熱，降低用電成本；同時，低谷用電時，可以有效避開高峰期用電負荷，避免或減少輸配電裝置增容發生的費用

本發明的太陽能發電集熱系統的具體實施例2，本實施例與上述實施例1的區別僅在于：如圖10所示，太陽能發電集熱裝置直接加熱水，并用熱水罐作為儲熱元件，熱水直接供應熱用戶。

本發明的太陽能發電集熱系統的具體實施例3，本實施例與上述實施例2的區別僅在于：如圖11所示，不設置熱水罐儲熱元件，在光照不足時，依靠輔助加熱元件提供補充熱源。

本發明的太陽能發電集熱系統的具體實施例4，本實施例與上述實施例1的區別僅在于：本實施例中，反光板上設有通孔，通孔與雙面光伏組件沿入射光線方向布置并被處于避讓位的雙面光伏組件遮擋，入射光線無法照射到通孔。本實施例中的通孔構成反光板上沿入射光線方向被處于避讓位的雙面光伏組件遮擋的被遮擋部分。設置的通孔一方面能夠節省反光板材料，降低整個裝置的重量，另一方面通孔內形成雨雪流道，同時也能夠形成通風流道，降低風阻的同時降低雙面光伏組件表面的溫度。

本發明的太陽能發電集熱系統及其太陽能發電集熱裝置的其他實施例中，雙面光伏組件可以轉動裝配在支架上，雙面光伏組件的轉動軸線還可以處于中部；上述反光板上的被遮擋部分上可以設有至少兩個間隔設置的通孔；上述雙面光伏組件的擺動軸線可以與集熱管的軸線垂直；上述雙面光伏組件可以設置至少兩對，同一對雙面光伏板組件用一套角度調節裝置。

其他實施例中，雙面光伏組件可以設置兩個以上或者設置一個，設置一個時，雙面光伏組件的擺動軸線可以處于集熱管的下方，光伏板組件具有水平位和豎直位，水平位時，雙面光伏組件遮擋部分反射光線，遮擋反射光照量最大；豎直位時，雙面光伏組件不遮擋反射光線；處于水平位和豎直位之間位置時，遮擋反射光照量小于水平位時。

其他實施例中，雙面光伏組件可以滑動裝配在支架上，需要遮擋反射光線時，通過推拉雙面光伏組件至遮擋位實現。

其他實施例中，反光板可以設置兩個以上，各反光板呈拋物線型布置以使各反光板的反射光線均能夠反射至集熱管上。