一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法及装置与流程

1.本发明属于太阳能光伏/光热综合利用技术领域，具体涉及一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法及装置。


背景技术：

2.光伏及光热利用为目前太阳能利用的主要技术手段。但太阳能光伏仅能利用部分波段太阳辐射，太阳能光热利用存在利用效率较低、成本较高等问题。对此，众多研究者对采用分频装置，将部分适宜光伏的波段分配给光伏电池，剩余波段分配给光热利用的太阳能光伏/光热综合利用技术展开研究。该技术因太阳能综合利用率高，可同时满足电、热甚至冷等不同形式的能量需求而日益受到关注。
3.已有的光谱能量分配多是通过固定分频截止波长的分频膜将可见光波段光谱能用于光伏发电，紫外和红外波段光谱能用来集热，满足后续系统的热能需求。固定分频截止波长意味着光谱能量分配方案时时不变。但在实际运行中，源侧太阳辐照强度、太阳光谱能量分布以及用户侧电、热能量需求时常变动。固定不变的光谱能量分配方案难以与复杂的变工况条件相适应，保证系统能够时刻满足用户侧热电需求，维持系统综合性能最优。


技术实现要素：

4.本发明提供一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法及装置，解决了目前太阳能分频光伏/光热利用技术中，固定的光谱能量分配方案与辐照、负荷同时变动的复杂的变工况条件不适应不匹配的问题。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法，包括聚光装置和集热装置，所述聚光装置将聚集的光反射至所述集热装置上，还包括复合光谱分频器和光伏电池，所述复合光谱分频器位于所述聚光装置与所述集热装置之间的聚光路径中，所述光伏电池位于所述复合光谱分频器与所述光伏电池之间的反射路径中，所述调控方法具体包括以下步骤：
6.步骤s1、确定所述聚光装置的跟踪偏转角度：
7.s1
‑
1、在确定方位太阳光束入射下，所述聚光装置进行太阳光跟踪偏转，使太阳光通过所
8.述聚光装置反射至所述复合光谱分频器上；
9.s1
‑
2、记录当下所述聚光装置的跟踪偏转角度，小于等于90
°
；
10.步骤s2、计算所述聚光装置跟踪偏转后集热量占比和发电量占比，具体计算方法，包括如下步骤：
11.s2
‑
1、记录所述聚光装置接收到的辐射通量所述集热装置接收到的集热量以及所述光伏电池接收到的发电量
12.s2
‑
2、得出所述聚光装置跟踪偏转后集热量占比和发电量占比步骤s3、
将步骤s1中所述聚光装置跟踪偏转后此时所述聚光装置所在平面定义为参照面；步骤s4、计算所述聚光装置主动偏转β
n
后集热量占比和发电量占比具体计算方法，包括如下步骤：
13.s4
‑
1、调控所述聚光装置进行主动偏转；
14.s4
‑
2、记录进行主动偏转后所述聚光装置的主动偏转角β
n
，β
n
为所述聚光装置进行主动偏转后当下所述聚光装置所在平面与参照面之间的夹角，参照面顺时针方向为正，参照面逆时针方向为负；
15.s4
‑
3、记录行主动偏转后所述聚光装置接收到的辐射通量所述集热装置接收到的集热量以及所述光伏电池接收到的发电量
16.s4
‑
4、根据步骤s4
‑
3中的数据，计算得出所述聚光装置动偏转β
n
后集热量占比和发电量占比
17.步骤s5、获得与β
n
关联式和与β
n
关联式：
18.步骤s5
‑
1、重复n次步骤s4，得到n组β
n
与的对应数值；
19.步骤s5
‑
2、将步骤s2中得到的和作为初始值，将与步骤s5
‑
1中得到的n组β
n
与对应数值进行拟合，将与步骤s5
‑
1中得到的n组β
n
与对应数值进行拟合，获得与β
n
关联式和与β
n
关联式；
20.步骤s6、计算所求工况下所需集热量占比或者所需发电量占比具体计算方法，包括如下步骤：
21.s6
‑
1、记录所求工况下下游用热量或者用电量以及所述聚光装置接收到的辐射通量 q
lens
；
22.s6
‑
2、根据步骤s6
‑
1记录的数据确定所求工况下所需集热量占比或者所需发电量占比
23.步骤s7、确定主动偏转角β
req
：
24.将步骤s6中获得的所需集热量占比或者所需发电量占比带入步骤s5中获得的与β
n
关联式或者与β
n
关联式中，得到对应的主动偏转角β
req
；
25.步骤s8、进行主动调控：
26.根据步骤s6中得到的主动偏转角β
req
，调节所述聚光装置偏转β
req
。
27.作为本发明的进一步优选，所述聚光装置接收到的辐射通量q
receive
计算公式为：
28.q
receive
＝dni
·
a
receive
29.其中：dni为对应的太阳直射辐射强度，a
receive
为所述聚光装置开口接收面积。
30.作为本发明的进一步优选，步骤2中，的计算公式：为的计算公式：为的计算公式：为
31.作为本发明的进一步优选，步骤4中，的计算公式：为的计算公式：为的计
算公式：为
32.作为本发明的进一步优选，步骤6中，所需集热量占比的计算公式：为
33.所需集热量占比的计算公式：为
34.还提供了一种用于太阳能全光谱分频能量主动调控方法的调控装置，包括：
35.复合光谱分频器，复合光谱分频器包括至少两个分频膜，每个分频膜的分频截止波长均不一致；
36.第一复合抛物面反射镜，所述第一复合抛物面反射镜贴附布置在所述集热装置上，所述第一复合抛物面反射镜的开口方向朝向所述复合光谱分频器；
37.第二复合抛物面反射镜，所述第二复合抛物面反射镜贴附布置在所述光伏电池上，所述第二复合抛物面反射镜的开口方向朝向所述复合光谱分频器。
38.作为本发明的进一步优选，每个分频膜依次拼接形成板形结构或者弧形结构或者双曲线结构。
39.作为本发明的进一步优选，每个分频膜的截止波长均在所述光伏电池工作范围内。
40.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
41.1.本发明在聚光路径中布置复合光谱分频器，使得太阳能同时转化为电能和热能，满足建筑多级能耗需求，实现太阳能全光谱高效转化利用，进而提高能源综合利用效率。
42.2.本发明借助聚光装置和集热装置及复合光谱分频器特殊布置，稳定装置输出热量和电量，实现热电能量的动态分频调控及按需供应，进而维持下游用热子系统或用电子系统运行于稳定设计点工况，最终使整个系统高效运行。
43.3.本发明实际操作中通过改变聚光光斑于复合光谱分频器中不同分频膜上分布比例，实现热电能量比调控，调控方法简单易操作，从聚光源头实现光伏/集热系统对外按需输出热电能量。
附图说明
44.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
45.图1是本发明优选实施例1主动调控装置的结构示意图；
46.图2是本发明在跟踪偏转时光谱的分布状态图；
47.图3是本发明图2中a部分局部放大图；
48.图4是本发明在主动偏转时光谱的分布状态图；
49.图5是本发明图4中b部分局部放大图；
50.图6是本发明与β
n
关联式和与β
n
关联式函数关系图。
51.图中：1、棱镜；2、聚光反射镜；3、集热管；4、光伏电池；5、第一分频膜；6、第二分频膜；7、第一复合抛物面反射镜；8、第二复合抛物面反射镜；9、复合光谱分频器。
具体实施方式
52.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
53.为解决目前太阳能分频光伏/光热利用技术中，固定的光谱能量分配方案与辐照、负荷同时变动的复杂的变工况条件不适应不匹配的问题，本技术提供了一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法及装置。
54.上述调控方法包括聚光装置和集热装置，聚光装置将聚集的光反射至集热装置上。上述调控方法还包括复合光谱分频器9和光伏电池4，复合光谱分频器9位于聚光装置与集热装置之间的聚光路径中，光伏电池4位于复合光谱分频器9与光伏电池4之间的反射路径中。
55.入射到聚光装置上的太阳光反射并聚集到复合光谱分频器9上，复合光谱分频器9将太阳光分频为近红外光、紫外光、可见光，其中近红外光和紫外光由集热装置吸收，转变为热能，复合光谱分频器9将可见光反射到光伏电池4，由光伏电池4转变为电能。
56.实施例1
57.本实施例提供一种优选实施方案，一种太阳能全光谱分频能量主动调控方法，本调控方法通过聚光装置主动偏转的调控方式控制本装置热电输出，需首先确定本装置几何布置和参数，再得到与β
n
关联式和与β
n
关联式。根据已获得的与β
n
关联式和与β
n
关联式，控制聚光装置进行主动偏转β
n
即可实现子系统热电需求与本装置热电输出达到相互匹配。
58.本实施方案中聚光装置包括棱镜1和聚光反射镜2，棱镜1具有跟踪偏转调控功能，聚光反射镜2设置于棱镜1正下方；集热装置采用集热管3，设置于聚光反射镜2聚光路径尾部。
59.上述调控方法包括复合光谱分频器9和光伏电池4，复合光谱分频器9位于聚光反射镜2 的聚光路径中，光伏电池4位于复合光谱分频器9反射路径中。棱镜1进行太阳光跟踪偏转，使太阳光通过聚光反射镜2反射至复合光谱分频器9上，复合光谱分频器9将太阳光分频为近红外光和紫外光、可见光，近红外光和紫外光由集热管3吸收，转变为热能，复合光谱分频器9将可见光反射至光伏电池4上，由光伏电池4转变为电能。
60.上述调控方法具体包括以下步骤：
61.步骤s1、确定棱镜1的跟踪偏转角度
62.s1
‑
1、在确定方位太阳光束入射下，棱镜1进行太阳光跟踪偏转，使太阳光通过聚光反射镜2反射至复合光谱分频器9上；
63.s1
‑
2、记录当下棱镜1的跟踪偏转角度为水平面与棱镜1中轴线之间的夹角，小于等于90
°
；
64.步骤s2、计算棱镜1跟踪偏转后集热量占比和发电量占比具体计算方法，包括如下步骤：
65.s2
‑
1、记录进行跟踪偏转后聚光反射镜2表面接收到的辐射通量集热管3接收的集热量以及光伏电池4接收到的发电量
66.s2
‑
2、得出棱镜1跟踪偏转后集热量占比和发电量占比
67.跟踪偏转后集热量占比的计算公式为：
[0068][0069]
跟踪偏转后发电量占比的计算公式为：
[0070][0071]
步骤s3、将步骤s1中棱镜1跟踪偏转后此时棱镜1中轴线所在平面定义为参照面；
[0072]
步骤s4、计算棱镜1主动偏转β
n
后集热量占比和发电量占比具体计算方法，包括如下步骤：
[0073]
s4
‑
1、调控棱镜1进行主动偏转，主动偏转任意角度，优选地，偏转1
°
；
[0074]
s4
‑
2、记录进行主动偏转后棱镜1的主动偏转角β
n
，β
n
为棱镜1进行主动偏转后当下棱镜1中轴线与参照面之间的夹角，参照面顺时针方向为正，参照面逆时针方向为负；
[0075]
s4
‑
3、记录进行主动偏转β
n
后聚光反射镜2表面接收到的辐射通量集热管3接收的集热量以及光伏电池4接收到的发电量
[0076]
s4
‑
4、根据步骤s4
‑
3中的数据，计算得出棱镜1主动偏转β
n
后集热量占比和发电量占比
[0077]
主动偏转β
n
后集热量占比的计算公式为：
[0078][0079]
主动偏转β
n
后发电量占比的计算公式为：
[0080][0081]
步骤s5、获得与β
n
关联式和与β
n
关联式：
[0082]
步骤s5
‑
1、重复n次步骤s4，得到n组β
n
与的对应数值；
[0083]
步骤s5
‑
2、将步骤s2中得到的和作为初始值，将与步骤s5
‑
1中得到的n组β
n
与对应数值进行拟合，以及与步骤s5
‑
1中得到的n组β
n
与对应数值进行拟合；
[0084]
β
n
与的对应数据与exponential函数最为接近，故按照exponential函数形式：: y＝y0 aexp(r0x)进行拟合建立坐标系，如图6所示，以主动偏转角β
n
为横坐标，输出量占比c为纵坐标，输出占比c包括用热量占比和用电量占比，用热量占比等同于用电量占比等同于根据以上参数获得与β
n
关联式和与β
n
关联式:
[0085][0085]
与β
n
关联式为：
[0086][0087][0087]
与β
n
关联式为：
主动偏转调节聚光光斑于复合光谱分频器9上的分布，实现热电输出与热电需求能量匹配。
[0107]
本实施方案还包括第一复合抛物面反射镜7和第二复合抛物面反射镜8，第一复合抛物面反射镜7贴附布置在集热管3上，第一复合抛物面反射镜7的开口方向朝向复合光谱分频器9；第一复合抛物面反射镜7将主动调控后光斑偏移导致的散溢光束重新聚焦反射至集热管3上，避免因主动调控导致光束损失。第二复合抛物面反射镜8贴附布置在光伏电池4上，第二复合抛物面反射镜8的开口方向朝向复合光谱分频器9；第二复合抛物面反射镜8将主动调控后光斑偏移导致的散溢光束重新聚焦反射至光伏电池4上，避免因主动调控导致光束损失。
[0108]
假设本装置辐照为dni＝1000w/m2，采用am1.5下标准太阳光谱数据，以春分上午10 点为例确定太阳方位。棱镜1宽度1.8m，棱镜1顶角为10
°
，棱镜1上表面总开口面积a
receive
为180m2，半抛物槽式反射镜开口宽度1.8m，焦距1.0m，复合光谱分频器9制作双曲线结构，与半抛物槽式反射镜共焦线布置，两者的焦距均为0.12m，集热管3直径为0.1m，光伏电池4宽度0.12m，第一分频膜5截止波长为500nm至1100nm(反射此波段光谱能量)，第二分频膜6截止波长为765nm至1100nm(反射此波段光谱能量)，本装置的集热效率η
col
＝63％，复合光谱分频器9分频效率τ为0.95，聚光工作中第一分频膜5接收聚光占比为r1(跟踪偏转下为0.5)，第二分频膜6接收聚光占比为r2(跟踪偏转下为0.5)，采用以热定电运行策略为例，该装置的用热子系统设计热需求q
req
应同装置设计辐照下的集热量一致。
[0109]
本装置的具体主动调控方法如下：
[0110]
在本装置实际工作时，根据下式计算本装置在跟踪偏转状态下的集热量q
abs，0
:
[0111]
q
abs,0
＝η
col
·
τ
·
a
receive
[0112][0113][0114]
实际运行状态中，若源侧太阳直射辐射未变，用户侧热需求q
req
变化为55kw，为使下游用热子系统热需求q
req
与q
abs，0
达到能量匹配，即q
abs，0
＝q
req
，则可通过调节主动偏转角β
req
大小来维持用热子系统热需求和装置热输出的相互匹配。为确定β
req
数值，需首先根据q
req
和 q
abs，0
确定本装置集热量占比具体计算如下：
[0115][0116]
根据与β
n
关联式，确定对应的主动偏转角β
req
为6.52
°
，根据得到的β
req
数值调节棱镜1主动偏转6.52
°
，即可保证本装置的集热能量输出与用热子系统热需求相互匹配。
[0117]
本实施方案针对聚光装置的类型，得出相对应的与β
n
关联式和与β
n
关联式，从而针对不同的聚光装置进行相应的主动偏转角β
n
调控。本实施方案在聚光路径中布置复合光谱分频器9，使得本装置将太阳能同时转化为电能和热能，满足建筑多级能耗需求，实现太阳能全光谱高效转化利用，进而提高能源综合利用效率。本实施方案借助聚光装置、集热装置及复合光谱分频器9特殊布置，稳定本调控装置输出热量或电量，实现热电能量的动
态分频调控及按需供应，进而维持下游用热子系统或用电子系统运行于稳定设计点工况，最终使整个系统高效运行。本实施方案实际操作中通过改变聚光光斑于复合光谱分频器9中不同分频膜上分布比例，实现热电能量比调控，调控方法简单易操作，从聚光源头实现光伏/集热系统对外按需输出热电能量。
[0118]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0119]
本技术中的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0120]
本技术中的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0121]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。