CN1350627A - 太阳能发电和能量储存系统 - Google Patents

Abstract

一种从大面积户外区域收集太阳能的太阳能收集系统。一段柔性太阳能收集器(30)沿支持面(6)展开。太阳能收集器的第一层是一非绝缘的基层面板(5),该层直接接触地面或其它支撑结构。许多平行管(4)沿柔性基层面板长度方向密封,具有较高的光吸收率和较低的红外线辐射率,平行管中包含有待被太阳能加热的流动液体。一段覆盖材料(1)与基层面板平行放置,位于平行管和太阳之间,并且密封在基层面板上,包含一种低压力液体以减少下层流动液体的热损失,并支撑由地面和覆盖材料所形成的结构。平行管中被加热的液体流经集管(32)后被输送给发电系统(35)。

Description

太阳能发电和能量储存系统

相关申请

本申请要求1999年5月10日提交的美国临时申请60/134,642的权益。

发明领域

本发明总的来说涉及利用太阳能产生热能，具体而言，涉及一种用于收集、储存和应用由入射太阳能产生的热能的系统。

背景技术

以目前的消耗率，仅仅一天从太阳入射到地球的能量就足以供应人类175年所需的电力。收集这种能量的一种途径是通过光电板；但是当太阳落下去后他们就关闭了。此外，同用矿物燃料生产电能相比，可供利用的光电板造价昂贵。

另外一种收集太阳能的途径是用抛物面反射镜聚集太阳光从而在兰金(Rankine)循环中产生蒸汽用于发电。但是，这种技术同样是昂贵的和劳动力密集型的，并且仅在相对晴朗的白天才可用。推荐应用平板收集器将太阳能转换成热能以产生输出电能的项目鉴于构造大面积收集器表面的费用巨大已被证明是不经济的。并且，这两种方法都需要某种形式的外部储存能量以在夜间连续产生电能。

通常平的太阳能电池板置于矩形箱中，在吸收表面之上有一层或两层透光罩，由箱体的侧壁支撑，侧壁在清晨和黄昏时在吸收表面形成影子。而且，箱子的框架提供热通道，将来自太阳能收集器的能量释放到周围的空气中，造成能量损失。

所需要的系统应能廉价地在大面积的区域收集太阳能，所收集的能量一部分用于在白天发电，其余的能量被存储起来供夜间发电。例如，美国Brookhaven国家实验室报告BNL 51482，UC-59c，“高分子膜太阳能收集器的发展：现状报告，”W.G.Wilhelm等，1982年8月，描述了一种由塑料膜组成的太阳能收集器，在工厂中用轧辊系统将这些塑料膜在适当的位置密封在一起。然后成卷的塑料膜被切成若干段安装在硬框架上。应用底部绝缘减少热损失。

许多专利披露了由塑料膜组成的太阳能电池板的结构，塑料膜用作透光罩和盛装热收集液体的管道。美国专利4,038,967，4,559,924，和4,597,378披露了密封在一起用于输送热收集液体的塑料膜和用作透光罩的塑料膜。在这些专利中，需要硬框架来支撑塑料膜，并提供绝缘以防止电池板下的热损失。

美国专利4,036,209披露了一种塑料水管和由大气压支撑的塑料透光罩，被固定在一个硬结构上，其设计不能用于覆盖大面积的地面区域。美国专利3,174,915披露了一种太阳能蒸发器，使用充气罩作为透光罩和收集冷凝物，它也是被固定在硬框架上。美国专利3,991,742描述了一种热水器太阳能电池板，由两层塑料膜组成，水在塑料膜之间流动。该系统被设计成固定在倾斜的屋顶上以产生必要的液体流动。

本发明所述的太阳能发电和能量储存系统(SPAESS)提供了一种在大面积的地面区域上收集太阳能的系统，可在白天利用太阳能发电并将能量储存在地下以供夜间发电。在白天每平方英里(640英亩)所收集的太阳能在峰值需求时可输出超过一百兆瓦的电能，夜间当电能需求减少时能继续以相对高的水平输出电能。

本发明的各种目的、优点和新颖特征一方面将在下面的描述中予以阐明，另一方面，专业人员通过对下述内容的研究会更清楚本发明的各种目的、优点和新颖特征，或者通过实施本发明来了解其特征。本发明权利要求中进一步阐明了发明的目的和优点。

发明内容

本发明所述太阳能收集系统是一种从户外大面积区域收集太阳能的太阳能收集系统。将一段带有一个柔性非绝缘基板的太阳能收集器沿支撑面展开。许多平行管沿柔性基板长度方向密封，具有较高的光吸收率和较低的红外线辅射率，平行管用于盛装有待用太阳能加热的流动液体。将一段覆盖材料平行于基板放置，置于平行管和太阳之间，并密封在基板上以盛装低压力流体从而减少上述流动液体的热损失，并支撑由地面层和覆盖层所包围的结构。

平行管中被加热的液体被收集到一个集管中输送给发电系统。被加热的液体流经锅炉使一种低沸点的液体(如制冷剂)汽化，所产生的蒸汽即可用于常规的发电机产生输出能量。在一个实施例中，发电机冷凝器靠喷射到冷凝器周围冷却空气中的水的蒸发来冷却。

附图说明

附图包括在说明书中，构成说明书的一部分，附图展示了本发明的实施例并与文字描述一起共同解释本发明的原理。在附图中：

图1是作为本发明的一种实施例的太阳能收集器的一个典型部分的横截面图。

图2是图1所示收集器中的液体流动系统的替换实施例的横截面图。

图3是图1所示的太阳能收集器的另一种实施例。

图4是利用图1所示太阳能收集器的发电系统的示意图。

图5是用于将液体导入到图1所示收集器各层中的集管系统的示意图。

图6是利用图1所示收集器收集的能量发电的兰金循环发电站的示意图。

图7描绘出应用本发明所述的系统，在12个小时日照的情况下一天中每平方英里获得的计算电输出的曲线图。

图8描绘出图7所描绘的发电站在一天晴天后紧跟着一天阴天的情况下的计算电功率特性。

具体实施方式

SPAESS被指定用于在大面积的地面范围内收集和储存太阳能，地面面积以平方英里来测量。因此，太阳能收集器面板被设计为用多层塑料膜通过粘合剂、热、压力或者其它连续过程碾压在一起进行连续制造和安装，其中，成卷塑料被平行送到轧辊机上，通过辊子在适当位置引导和密封各层。这些太阳能收集器面板随后可被简单地盘绕成大卷运送到安装位置后在地面上展开。

图1示出这样制造出来的太阳能收集器面板30的一种实施例的处于膨胀工作状态的横断面。外膜层1优选由坚韧的塑料膜组成，如Tedlar及其类似物，它们有较高的可见光透射系数和较低的红外光线透射系数，因此热量不能通过外膜层1传递回去。由于外膜层1白天连续暴露在紫外线的辐射下，所以外膜层1一般应不能被紫外光线所损害。

提供膜层2用于在膜层1和膜层2之间形成绝缘空气层10。膜层2也有较高的可见光透射系数和较低的红外光线透射系数。在某些应用中也可能不需要膜层2。而在其它一些应用中可能需要附加的绝缘层，可增加类似于膜层2的附加层构成附加空气绝缘层。

膜层4构成液体(一般为水)循环的管道12。液体可吸收入射的太阳能并循环到下面所描述的发电系统。膜层4也有较高的可见光吸收系数和较低的红外光线辐射系数。使用合适的涂层，如黑色铬，膜层4还可获得适当的光吸收和辐射特性。

膜层5是接触地面的基层，该层塑料可防止地面物体的磨损和刺破，可用Tedlar及其类似产品。基层5优选具有相对较高的热导系数以利于将热量传导到地面，从而将能量存储起来。

在工作状态下，膜层1由空气层10中的微小气压来支撑。由膨胀的膜层1所产生的张力将膜层2支撑在一定位置。然而，若张力不足以支撑膜层2，空气层11的气压将支撑层2，空气层11的气压要比空气层10的气压略大一些。一般来说，空气层10和11的气压大致相同。

此外，在工作期间侧表面15和16略向外鼓起。以这种方式，从邻近的太阳能电池板凸出的相邻表面15和16将相互接触，从而形成密封防止能量从地面沿太阳能电池板侧面损失掉。构件17和18是连接膜层1和膜层5的受拉构件，从而侧面15和16向外凸出以紧密配合和密封邻近的柔性太阳能电池板。

沿带状区7将膜层4和膜层5密封在一起。随后所有膜层沿带状区8和9密封，带状区8和9简单密封于膜层4和5延伸部分。这样就形成了一种用于收集、传送和储存太阳能的密封的塑料膜太阳能电池板。密封可以选用热密封或使用适当的粘合剂。

水或其它适于吸收太阳能的液体通过管道12流动，并被从膜层1和膜层2透射的阳光及膜层4所吸收的阳光加热。管道12中的液体储存太阳能并循环流动将能量传送到发电厂或其它可使用储存在循环液体中的能量的设备。由于管道相对较粗，比如10cm粗，因此液体可用作一个大的热能存储库。液体中的部分热能通过热传导被传到地面6或其它邻接的表面，并在有阳光入射期间存储在那里。当管道12中液体的温度低于其下方地面6的温度时，如在夜间，热量又通过热传导作用从地面6传到循环的液体中。也就是说，地面6和管道12中的液体成为一个热存储系统。在传统的太阳能电池板系统中，电池板的底部是绝缘的以防止能量损失。而此处，系统提供了在太阳能电池板30和地面6或其它邻接面之间的热传导。

对于典型的土壤，大约有90％的有用地能存储在土壤顶部的15cm(6英寸)的土层中。因为地面不是好的热导体，在这个层面以下的土壤所储存的热量很少。经过一段时间后，这个层面以下的土壤温度上升到大约可代表该层面以上的土壤的平均温度。

使用地面存储热能的特殊优点是在电池板的底部不需要绝热层。如果在电池板的底部需要热绝缘并且如果在电池板上安装绝热层，将很难把较长的电池板缠绕到合理尺寸的辊子上使其易于在大表面上分布。

图2所示为带有附加层14的膜层4和膜层5的替代实施例的横截面的视图，其中膜层14与膜层4之间形成另外的管道13。白天循环液体在管道12和13中流动。照射到膜层4上的阳光对管道13中的液体进行加热。由于液体是流动的，液体的紊流混合引起热量从管道13传到管道12中的液体，再传到地面6中。夜间，管道13中的液体被排出并换成空气以增加12和外界环境之间的绝缘。表面14将辐射热量，然而若膜层4能够反射红外光辐射，则辐射热又被反射回管道12中的液体中。

另一方面，可以很方便的阻止管道13中液体的流动。由于停滞的液体与紊流的液体相比有较低的热传导，因而将减少热量从液体中传出。

为了形成大的太阳能电池板，首先需清理地面上的障碍物，例如使用平地机，然后将太阳能电池板在地面上展开，其长度可以超过100米，其一端连接到供应液体和空气的集管上，另一端连接到收集加热液体的集管上。太阳能电池板相互之间要邻接放置，以防止地面上的热量从电池板之间损失掉。管道12中液体的重量将电池板固定在地面上。

图3是图1所示的太阳能收集器30的另一种实施例。膜层5在密封点8和9处延伸到支撑杆19和20，支撑杆19和20起到固定太阳能收集器30的作用。为了安装带有支撑杆19和20的太阳能收集器30，包含收集器的滚筒从拖拉机(或类似的机器)的后面展开，拖拉机有两个犁在土壤中开沟，并将土翻到沟外。接着机械导向器将支撑杆19和20放置在由犁所开的沟槽中。随后用铲将土填充到沟槽内，用辊子将土压紧。支撑杆19和20固定在土壤中，因此不论电池板中是否充有液体，都可以保持在原来的位置。

图4所示为本发明的发电系统的顶视图，其中太阳能电池板30与集管31和32相连。液体和空气经分流管33流到集管31，然后被分配到电池板30中。循环的液体被收集到集管32中，经管道34返回到发电厂35。

太阳能收集器30可以按照专业人员所熟知的各种不同方式连到集管31和32上。图5所示横截面侧视图显示出集管31与图1所示的带有液体管道的收集器30相连接的一种可能的构造。每一膜层被依次连接到集管31表面的适当位置后，用带有适当密封的揿扭40夹住这些膜层，并将它们固定和密封在一起。若管道11中气压无需高于管道10中的气压，则集管31上相应的连接器可以被去掉。若使用图2所示的构造，在集管上需要提供另外的连接件和管道。集管31可由刚性或柔性的材料制成。因为柔性的集管更易于适应其下面的地形，所以它在某些环境下更有优势。

采用在先技术的典型太阳能电池板具有平的玻璃或是塑料透光罩。当水平放置时，这些电池板上易于集聚灰尘、冰雹、雨雪。利用本发明的设计，冰雹很容易在坚韧的膨胀的顶层上弹走，雨可以冲刷掉聚集的灰尘，雪易于在曲面上滑落并在白天溶化。

其它的太阳能系统还需要建造地基，需要有固定措施，因而每平米的收集器都要耗费大量的劳动。而使用本系统，仅需将地表清扫干净和整理平坦，将电池板展开并在其末端连接集管，集管可以放置在很远的地方。循环流体的重量将电池板固定在地面上或其它表面上。在支撑系统中，支撑杆可沿电池板边缘和带状区以一定间隔打入，以便将电池板的顶部固定在支撑杆上。这样可防止电池板排干时被风吹走。

图6所示为一个发电厂的实施例。被加热的液体经管道52进入热交换器51，在热交换器51中煮沸低沸点的液体，例如制冷剂。随后液体经由管道53流出。来自锅炉的蒸汽流经管道55，并通过涡轮56驱动发电机57发电。从涡轮56流出的膨胀的废气经管道58进入冷凝器59，冷凝器59可以是散热管热交换器，蒸汽在散热管中冷凝成液体。由电机61驱动的风扇60吹动空气流经水喷雾器系统62，通过蒸发作用来冷却空气。水雾同时喷向冷凝器59的散热片上并继续蒸发，将热量从冷凝器59中带走。作为选择，也可使用常规的管壳式水冷凝器，或者若水不容易得到，也可用空气吹过翅管冷凝器。冷凝的液体经管63流向泵64，水泵使液体流回锅炉51以完成循环。

图7描绘了从午夜开始的24小时中每平方英里的收集器的计算功率输出，假设条件是位于相对南面的纬度和有12小时的日照时间。两条曲线表示两种不同的流量。一种流量在白天提供较高功率输出和夜间提供较少的功率输出，而第二种流量在24小时中提供较为均匀的功率输出。

在冬季，一天中有较少的日照时间，入射角较小，因此输出的功率也较少。在夏季，一天中日照时间超过12小时，功率输出将大于图6所示的功率输出。

由于发电厂利用水的蒸发来冷却冷凝器，所以湿度越低，发电效率越高。然而当湿度较高时，SPAESS效率也相当高。例如，相对湿度为70％时发电效率约为相对湿度为20％的85-90％。也就是说，如果在相对湿度为20％时发电厂发电120MW，则在相对湿度为70％时将发电约为100MW。因此，SPAESS在高湿度的国家仍然工作得很好。像佛罗里达、西班牙和马来西亚这样的地区，有较高的湿度和充足的阳光，是应用SPAESS的较好地点。优选位置是邻近海水或其它水源的沙漠。

若发电厂仅使用空气作为冷凝剂，其效率仅相当于在相对湿度为20％时水雾冷却效率的75％左右。

如图8所示，SPAESS在阴天仍可以较低的发电水平继续工作。其以逐渐减少的能量水平连续输出电功率，但在整个白天减少的功率很小。应该注意到那些使用大型镜组、圆柱面或抛物柱面反射镜系统聚集太阳光的太阳能收集系统，由于不能聚集散射光，所以都不能在阴天工作。像其它平面收集器一样，SPAESS可以捕获许多通过云层的散射光能。

举例来说，一块65×65英里的土地面积，例如亚利桑那州一角的一小块地方，假如SPAESS电厂覆盖了这一区域，就可以供应全美国的用电量。当然，该系统可能被分成小的系统，而不是只有一个矩形块。使用过大的面积，在有暴风雨时排水将是一个问题。由于能量捕集系统覆盖地面，水被排走而不是浸入地面。在沙漠地区水量很少，这种排水将是十分有用的，排出的水可被引到池溏中为邻近的农田提供灌溉用水。

Baja，加利福尼亚地区阳光充足、水量较多，是适于SPAESS的最佳场所。美国南部、墨西哥、澳大利亚、中东、印度、非洲、欧洲南部、南美的某些地区也是比较适合SPAESS的地区。

由于SPAESS的设计非常适合覆盖大面积，而且很经济，因此以上讨论主要围绕大的发电厂。然而，它同样适合小的发电厂。事实上，第一个商业发电厂将倾向于满足自己用电需要。在阳光充足的地区，一亩农田每天可发电140kW，即每年一百万千瓦时电量。以每度电5美分的“绿色汇率(green rate)”计算，每年就可产生价值50,000美元。

当飞过许多城市的时候，你可能意识到位于大城市边缘库房面积有多少“平方英里”。许多这样的平顶建筑可能支撑1-兆瓦的SPAESS单元，所提供的电量远大于该建筑物所需要的电量，多余的电量可卖给电业公司。

以上对本发明的描述仅仅是为了图示和说明，而不是试图穷尽或者将本发明限制为所披露的确定形式，显然根据以上知识还可能有多种修改和变形。

实施例的选择和描述是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得其它专业人员能更好地选用各种不同的实施例来实施本发明，并进行各种改造，以适合预期的特殊用途。本发明的范围将通过所附的权利要求来界定。

Claims (9)

1、一种太阳能收集系统，其特征在于，其包括：

一段柔性的非绝缘的基层面板沿支撑面展开形成多个相邻的太阳能收集器；

多个平行管沿柔性基层面板长度方向密封，具有较高的光吸收率和较低的红外线辐射率，平行管中包含一种有待被太阳能加热的流体；和

一种具有较高光透射率的覆盖材料平行于地面放置，位于平行管和太阳之间，并且密封在基层面板上，包含一种低压力液体以减少下层流动液体的热损失，并支撑由地面和覆盖材料所形成的结构。

2、根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其特征在于还包括位于多个平行管外侧的侧表面，用于在相邻太阳能收集器的相邻侧表面之间形成密封。

3、根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其特征在于还包括延伸于柔性基层面板边缘部分的固定带，用于固定柔性的太阳能收集器。

4、根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其特征在于还包括多个覆盖带，每一覆盖带覆盖一个平行管，并在平行管和覆盖带之间形成一个空间，用于盛装另一种加热用液体或者盛装一种热绝缘流体以防止平行管中的液体向外传热。

5、根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其特征在于还包括位于平行管与覆盖层之间的中间层，并与覆盖层和边缘层相连接，从而在平行管和覆盖材料之间形成中间绝缘体。

6、根据权利要求5所述的太阳能收集系统，其特征在于还包括多个覆盖带，每一覆盖带覆盖一个平行管，并在平行管和覆盖带之间形成一个空间，用于盛装另一种加热用液体或者盛装一种热绝缘流体以防止平行管中的液体向外传热。

7、一种太阳能发电系统，其特征在于，其包括：

许多段太阳能收集电池板相互邻接放置在地面上，并与地面接触进行热交换；

进口和出口总管用于输送流动液体和绝缘流体到太阳能收集电池板，并用于收集加热的液体；和

一相连的发电厂，其接收加热的液体，并将加热液体中的能量转换成输出电能。

8.根据权利要求7所述的太阳能发电系统，其特征在于发电厂包括一个闭环系统，其中用加热的液体将低沸点液体加热使其蒸发形成蒸汽流，用涡轮将蒸汽流的能量转换成机械能，用冷凝器将蒸汽冷凝成液体。

9.根据权利要求8所述的太阳能发电系统，其特征在于冷凝器包括一个风扇，吹冷流经冷凝器的空气；和一个水喷雾器，在空气流经冷凝器前对其进行冷却，从而从液体的蒸发中带走足够的热量，使蒸汽冷凝。

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