一种太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统的制作方法

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1.本发明涉及能源技术领域，特别是一种光伏光热解耦的太阳能与地热能综合利用系统。


背景技术：

2.近年来，随着人口增长和经济发展，人们对能源的需求越来越大，由此引发的环境问题也日益严重。地热能源在我国储量大，分布范围广，太阳能具有清洁，高效，可再生的特点，近年来地热能和太阳能，越来越被人们重视。我国地热资源以低温地热资源为主，可用于夏季制冷和冬季供暖。太阳能利用技术通常包括太阳能光热技术和光伏技术，但是目前太阳电池效率不理想，商业应用的太阳电池，效率不超过20％。其余未转化为电能的辐射转化为热能，这会造成电池温度升高，降低电池效率，影响电池寿命，这在聚光光伏系统中更加明显，电池温度每升高1℃，电效率下降0.05％。
3.为控制电池温度并实现太阳能全光谱综合利用，聚光分频光伏发电系统被提出，将太阳光按波长的不同分为不同区间，分配给不同的光伏器件接收，以提高太阳能综合利用率，理论上分频区间越小，光伏转换效率越高，但是过多分光单元会增大光学损耗，使得转换效率无明显提高。除分频技术外，聚光光伏光热一体化系统，将光伏组件与集热器结合，也会提高太阳能全光谱综合利用率。但聚光光伏光热一体化系统工作介质往往需要供热，意味着工作介质需要加热到较高温度，这样使电池效率下降，同时受电池运行温度制约，可利用工质温度并不高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统。
5.本发明的设计思想为：为了提高能源利用率，采取太阳能全光谱梯级利用和地热提质技术，用聚光分频光伏发电系统产生电能连接市政电网，用光
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电转换余热和光
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热转换产生的热能提升地热资源温度供给热用户。太阳直射辐射光谱在抛物面槽式聚光器阵列上进行汇聚后照射到分频片，分频片将太阳电池响应部分光谱分配到太阳电池表面进行光
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电转换，其余谱段透射到集热器上进行光
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热转换。光
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电转换和光
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热转换产生的热量用于被地热一次加热循环水的二次加热。为防止热水温度不够，二次加热的循环水再次与一次加热的热水混合提升二次加热进水口温度后，在聚光分频光伏发电系统中再次加热，为防止太阳能不足导致无法二次加热或二次加热温度不够，设置锅炉在热水温度不够时进行三次加热，在黑夜或者太阳辐照强度极低时，直接用锅炉加热地热采集管出口水，最终产生温度足够的大量中温热水用于用户供暖和生活用水。
6.基于上述特点，提出太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统。该系统利用分频技术进行太阳能全光谱梯级利用，能够进行高效光电转换的部分被太阳电
池吸收转换为电能，其余谱段被集热器吸收转换为热能。即降低光伏电池热负荷，又可以获得更高的集热温度。同时，地热对循环水进行一次加热，加热后循环水依次流经太阳电池背板和集热器，带走电池废热和集热器高温热量，产生大量中温热水供给用户。当太阳辐射强度不够时利用锅炉对循环水进行三次加热，当黑夜或者是太阳辐照度极低时，直接用锅炉二次加热循环水，在保证用户用水温度的同时尽可能减小能耗。该系统既可以降低太阳电池板温度，提高光电转换效率，又产出大量中温热能，提高能源综合利用率。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统，包括地热采集管、一号三通阀、止回阀、四通阀、一号水泵、冷却背板、电池、抛物面槽式聚光器、分频片、集热器、一号储水罐、一号温度传感器、二号温度传感器、电动阀、锅炉、二号三通阀、换热器、补水箱、供暖回水管、二号储水罐、二号水泵、一号阀门、二号阀门、供暖供水管、生活用水供水管。系统中的地热采集管出口连接有一号三通阀，一号三通阀另外两端分别连接止回阀和四通阀，所述止回阀连接有一号水泵，一号水泵连接冷却背板，冷却背板上部装有电池，电池装在每个抛物面槽式聚光器底部，每个抛物面槽式聚光器上面都装有分频片，分频片上面装有集热器，冷却背板和集热器用管道连通并连到一号储水罐，一号储水罐下部分别连接一号温度传感器和二号温度传感器，所述一号温度传感器另一端连接电动阀，电动阀另一端通过管道连接所述一号水泵和止回阀，所述二号温度传感器连接四通阀，四通阀另外两端分别连接锅炉和二号三通阀，二号三通阀另外两端分别连接锅炉和换热器，换热器出水口连接地热采集管。所述换热器另一侧进水口连接补水箱和供暖回水管，所述换热器另一侧出水口连接二号储水罐，二号储水罐连接二号水泵，二号水泵连接一号阀门和二号阀门，所述一号阀门连接供暖供水管，所述二号阀门连接生活用水供水管。
9.按以上方案，所述地热采集管控制深埋位置，可实现稳定25℃～40℃的热水供应。
10.按以上方案，所述抛物面槽式聚光分频光伏单元中分频片经过膜厚、堆叠层数、材料等设计，可实现对相应电池高效光伏转换区间的增反和其他光谱区间增透。
11.按以上方案，所述太阳能供热单元利用电池冷却背板提供60℃左右低温热源，再经过太阳能集热器提供150℃高温热能，最终形成大量80℃中温热水进入换热器进行供热。
12.按以上方案，所述太阳能供热单元配有循环加热系统，利用中温产物与地热采集管低温热水混合，提升太阳能供热单元入口水温，升高产物温度。同时太阳能不足时可利用锅炉对产物再次加热，保证供热温度，解决太阳辐射强度不稳定的特点，在黑夜或者太阳辐照强度极低时，直接由锅炉加热地热采集管温度，实现全天24小时稳定供热运行。
13.与现有技术相比，本发明积极的效果为：
14.1、该系统利用地热单元进行产物水的一次加热，稳定性较高，经济环保。
15.2、该系统中抛物面槽式聚光分频光伏单元采用的分频片通过在玻璃上镀多层膜系，调整膜系层数、各层薄膜厚度和折射率，，实现对所选太阳电池响应光谱区间的增反和其他光谱区间增透。
16.3、该系统反射到太阳电池表面的光谱大部分属于可见光，可被太阳电池直接吸收进行光电转换，减少太阳电池热耗散效应，有利于电池长时间高效稳定运行。
17.4、该系统通过分频技术进行光谱分离，依次通过电池背板和集热器进行供热回水的二次加热，实现太阳能全光谱梯级利用，极大提高太阳能全光谱综合利用率。
18.5、该系统太阳能供热单元配有循环加热系统，在产物温度不够时，通过产物与太阳能供热单元入口水混合以提升入口水温度，最终提高产物温度。
19.6、该系统在太阳能不够时，利用锅炉对产物再次加热，保证供热温度，解决太阳辐射强度不稳定特点，提高系统运行稳定性与安全性。
20.7、该系统在黑夜或太阳辐照强度极低时，通过三通阀控制，将地热采集管热水直接通过锅炉加热，给用户提供稳定热水供应的同时，减少能量损耗。
附图说明：
21.图1、本发明所述太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统结构示意图。
22.图2、本发明所述单个聚光分频光伏光热单元结构示意图。
23.图3、本发明所述单个聚光分频光伏光热单元太阳直射辐射传递示意图。
24.图中：1、地热采集管；2、一号三通阀；3、止回阀；4、四通阀；5、一号水泵；6、冷却背板；7、电池；8、抛物面槽式聚光器；9、分频片；10、集热器；11、一号储水罐；12、一号温度传感器；13、二号温度传感器；14、电动阀；15、锅炉；16、二号三通阀；17、换热器；18、补水箱；19、供暖回水管；20、二号储水罐；21、二号水泵；22、一号阀门；23、二号阀门；24、供暖供水管；25、生活用水供水管。
具体实施方式：
25.下面将结合附图和实施例，进一步对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，所描述实施例仅是本发明一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
26.实施例1
27.请参阅图1
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3，该系统是一种太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统，主要包括地热单元、抛物面槽式聚光分频光伏光热单元、控温单元、供热单元。供热回水经地热采集管1升温后通过一号三通阀2到达止回阀4，在一号水泵5处赋予动能后流经冷却背板6，冷却背板6吸收电池7光
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电转换余热用于加热循环水，电池7利用光伏效应将抛物面槽式聚光器8聚光后被分频片9选择性反射的与电池响应的太阳光谱区间转换为电能连入市政电网，分频片9没有反射的光谱区间被透射至集热器10进行光热转换，集热器10加热来自冷却背板6的循环水，进入一号储水罐11，一号储水罐11连接有一号温度传感器12和二号温度传感器13，一号温控传感器12连接电动阀14。
28.当白天太阳光充足时，一号温度传感器12检测到温度足够，电动阀14关闭。当白天太阳光不足时，一号温度传感器12检测到温度不够，电动阀14开口增大，使一号储水罐11的中温热水与地热采集管1出口流出的低温热水混合，提升冷却背板6入口循环水温度，以此提升一号储水罐11的温度。当阳光无法足够加热循环水温度时，为使供水温度达到要求温度，设置有锅炉15补充加热，一号储水罐11和锅炉15之间设有二号温度传感器13和四通阀4，当二号温度传感器13检测到温度足够时，四通阀4控制热水直接流过二号三通阀16到达换热器17，当二号温度传感器13检测到温度不够的时候四通阀4控制热水在锅炉15中加热升温后流入二号三通阀16最终进入换热器17。换热器17连接地热采集管1以此循环。
29.当黑夜或者几乎没有阳光入射时，地热采集管1出口水直接通过一号三通阀2和四通阀4到达锅炉15加热后通过二号三通阀16到达换热器17，最终回到地热采集管1。
30.换热器17另一侧进水口连接补水箱18和供暖回水管19，供暖回水在换热器17中加热后到达二号储水罐20，二号储水罐20连接二号水泵21，二号水泵21将热水送到一号阀门22和二号阀门23处，一号阀门22连接供暖供水管24进行建筑供暖，二号阀门23连接生活用水供水管25，供应稳定的生活热水。
31.实施例2
32.请参阅图1
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3，该太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统中，运行情况与实施例1相同，其中太阳光根据光谱波长不同经分频片10进行分区间处理，实现对能够进行高效光
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电转换的光谱区间增反，反射到电池7表面被电池吸收产生电能，同时降低电池7产热，提高光
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电转换效率，维持电池7稳定，无法进行光
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电转换或光
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电转换效率较低谱段的增透，透射到集热器8上进行光
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热转换，且集热温度不受电池7运行温度限制，可达150℃，提升太阳能综合利用率。
33.实施例3
34.请参阅图1
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3，该太阳能与地热能耦合的聚光分频光伏光热地热一体化系统中，运行情况与实施例1相同，在太阳辐射强度充足时，电动阀14关闭，一号储水罐11热水直接流过二号温度传感器13、四通阀4和二号三通阀16到达热交换器17给用户供热。在太阳辐射强度不足时，电动阀14开大，控制一号储水罐11中温热水与地热采集管出口水混合，再次通过冷却背板6和集热器10，到达11，当二号温度传感器13检测到温度不够时，四通阀控制一号储热罐11热水流过锅炉15再次加热后通过二号三通阀16到达热交换器17。在黑夜或者阴天，一号三通阀2和四通阀4控制地热收集管热水直接流入锅炉15进行加热，以此保证供热温度，减小系统能耗，提高系统稳定性。
35.上述实施例仅为本发明较佳实施例，还可以衍生出大量实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明创造构思和不作出创造性劳动的情况下，还可以做出大量变形和改进，这些变形和改进也属于本发明保护范围。