[0001] 本发明涉及清洁能源技术领域， 具体涉及一种对太阳能进行利用的集成式太阳 能利用装置及系统。

[0002] 背景技术

[0003] 随着对环境保护的日益重视， 太阳能系统得到了越来越广泛的应用。 目前使用 的太阳能系统基本可分为供电和供热两大类。

[0004] 在用于供电的太阳能系统中， 又可分为采用光电转换来发电的系统和采用光 热 转换来发电的系统。 其中， 采用光电转换来发电的系统主要是利用光伏板 直接 将所吸收的太阳能部分转换成电能。 而采用光热转换来发电的系统主要是利用 太阳能对工作介质进行加热使之汽化， 再由汽化的介质驱动汽轮机等发电设备 进行发电。 此外， 也有直接利用热能来发电的太阳能系统， 例如使用斯特林 （St ing) 发电机或其他直接热电转换装置的太阳能系统 。

[0005] 不管是哪种类型的太阳能发电系统， 目前的能量转换效率仍有待提升。

[0006] 发明内容

[0007] 依据本发明的一方面提供一种集成式太阳能利 用装置， 包括至少一个光电转换 元件和至少一个热电转换元件。 其中热电转换元件包括至少一个用于热量流入 的第一热传导端， 光电转换元件与第一热传导端导热连接。 热电转换元件可以 是温差式发电元件或储能式发电元件。 当热电转换元件为温差式发电元件吋， 其还包括至少一个用于热量流出的第二热传导 端， 当第一热传导端的温度高于 第二热传导端的温度吋， 热电转换元件输出电能。 当热电转换元件为储能式发 电元件吋， 其还包括工作物质， 工作物质用于将从第一热传导端流入的热量直 接储存或转换为化学能进行储存， 以及将所储存的能量转换为电能输出。 热能 的直接储存包括工作物质的温度升高或者相变 ， 例如液化和汽化。 化学能可包 括物质分子的化学变化 （例如电离、 电解、 化合和分解等） 所储存的能量。

[0008] 依据本发明的另一方面提供一种太阳能利用系 统， 包括上述集成式太阳能利用 装置和第一循环系统。 第一循环系统为幵放式的或封闭式的循环系统 ， 其包括 用于加热第一工质的容器， 第一管道系统， 至少一个阀门和至少一个节点设备 。 容器上设置有至少一个第一工质入口和至少一 个第一产物出口， 至少集成式 太阳能利用装置中的第二热传导端与容器中的 第一工质导热连接。 第一管道系 统至少与第一产物出口连接， 或者， 至少与第一工质入口和第一产物出口连接 。 阀门用于控制第一管道系统中的一段管道的接 通和关闭。 节点设备连接在第 一管道系统中， 用于储存， 或者用于能量转换， 或者用于能量交换。

[0009] 依据本发明的集成式太阳能利用装置将光电转 换元件与热电转换元件集成在一 起， 利用热电转换元件对光电转换元件产生的热能 进行进一步地电能转换， 使 得未被光电转换元件利用的太阳能能够再次得 到利用， 从而可以有效提升利用 太阳能发电的能量转换效率。

[0010] 依据本发明的太阳能利用系统， 将集成式太阳能利用装置作为热源置入循环系 统中， 对循环系统的工质进行加热， 不仅能够更充分地利用太阳光的能量， 也 有利于扩展更多的功能， 例如可通过循环系统将太阳能转换为可以利用 的其它 方式的能量， 如蒸汽提供的动能或可供长期储存的热能或化 学能等。

[0011] 以下结合附图， 对依据本发明的具体示例进行详细说明。

[0012] 附图说明

[0013] 图 1是依据本发明的集成式太阳能利用装置的结� �示意图；

[0014] 图 2是本发明中用于生成菲涅尔折射面的两种共� �面的示意图；

[0015] 图 3是本发明中具有两个齿面的聚光元件的示意� �；

[0016] 图 4是本发明中反射式菲涅尔透镜的结构示意图� �

[0017] 图 5是依据本发明的多个热电转换元件的一种导� �连接方式示意图；

[0018] 图 6是依据本发明的太阳能利用系统的一种结构� �意图；

[0019] 图 7是实施例 1的集成式太阳能利用装置的示意图；

[0020] 图 8是实施例 1中热电转换元件的等效电路示意图；

[0021] 图 9是实施例 1中集成有连接电路和导热元件的 PCB示意图；

[0022] 图 10是实施例 1中连接电路的一种幵关布置方式的示意图；

[0023] 图 11是实施例 1中热电转换元件在电路切换后的等效电路示� �图； [0024] 图 12是实施例 2的集成式太阳能利用装置的示意图；

[0025] 图 13是实施例 3的太阳能利用系统的示意图；

[0026] 图 14是实施例 4的太阳能利用系统的示意图；

[0027] 图 15是实施例 5的太阳能利用系统的示意图。

[0028]

[0029] 具体实施方式

[0030] 依据本发明的集成式太阳能利用装置的一种基 本结构可参考图 1， 包括光电转 换元件 110和热电转换元件 120。

[0031] 光电转换元件 110可采用各种能够直接将光能转换为电能的元 件， 例如光伏板 、 光电薄膜等。 所称光伏板例如可以是单晶硅光伏板、 多晶硅光伏板、 非晶硅 光伏板、 复合半导体材料光伏板等。 装置中的光电转换元件的数量、 种类以及 布置方式可根据需要进行设计， 例如以串联或并联或混合的方式进行布置。

[0032] 优选地， 装置中还可包括至少一个聚光元件 （未图示） ， 用于会聚太阳光以提 供给光电转换元件。 聚光元件具有至少一个聚光折射面， 其可以具有较大的面 积， 以接收更多的太阳光。 此外， 聚光折射面 （或者该折射面所在的光学元件 的另一面） 还可以镀有用于抗反射、 增强透射率的膜， 以减少太阳光在聚光元 件中的反射损失， 提高聚光效率。 抗反射镀膜在一定程度上还能增强聚光元件 的抗腐蚀性， 从而提高聚光元件的寿命。 此外， 为提高装置对极端环境的适应 性， 还可在聚光元件的镜片上设置电加热元件， 例如电热丝， 用于除雪或除冰

[0033] 将聚光式的光电转换元件与热电转换元件集成 ， 是特别有利的。 事实上， 热电 转换效应的发现远早于光电转换效应， 利用热能直接发电也比利用光能发电要 早。 但目前对光电转换的利用远远多于对热电转换 的利用， 一个重要的原因在 于， 当热能强度较低吋， 只能采用直接的热电转换方式， 而当前光电转换的效 率远超直接热电转换的效率， 并且， 在相同功率输出的情况下， 光伏板的成本 也远低于热电转换器的成本。 然而， 在使用聚光元件对大面积的太阳光进行会 聚后， 能够成倍缩减光伏板的使用量， 从而使得产生的热能更为集中。 在这种 情况下， 只需要配置少量的热电转换元件就能够大幅提 高太阳能的直接发电效 率， 大大提升了使用热电转换元件的性价比。 当热能强度足够强 （即会聚的太 阳能足够强） 吋， 还能采用相对高效率的热能发电装置， 如众所周知的斯特林 (Stirling) 发电机和蒸汽发电机等， 从而进一步提高太阳能的利用效率。

[0034] 优选地， 聚光折射面可采用由菲涅尔透镜提供的齿面， 为便于理解， 以下先对 相关概念进行介绍。

[0035] 菲涅尔 （Fresnel) 透镜是一种薄型透镜。 通过将普通透镜连续的原始曲面分割 成若干段， 在减少每段的厚度后将各段曲面置于同一平面 或同一基本光滑的曲 面上即形成为菲涅尔透镜。 这种由原始曲面演变而来的不连续的折射面可 称为 菲涅尔折射面， 一般呈阶梯状或齿状。 理论上菲涅尔折射面与相应的原始曲面 相比具有近似的光学性能， 但厚度却大为减少。 可以将由一个原始曲面 （或原 始曲面的一部分） 生成的菲涅尔折射面称为一个菲涅尔单元。

[0036] 传统的用于生成菲涅尔折射面的原始曲面一般 为绕光轴对称的曲面， 例如球面 、 旋转抛物面等旋转曲面。 传统的原始曲面的焦点在一个点上， 因此， 可称为" 共点面"。 在本发明中， 原始曲面可以是任何形式的共轴面， 可根据应用的需要 具体设置。 所称共轴面是指焦点在同一直线上 （而不一定是在同一个点上） 的 曲面， 该直线可称为 "共轴线"。 传统的共点面可视为共轴面的共轴线退化为一 个 点吋的特例。 采用共轴但不共点的原始曲面， 可以将用于设置在聚焦位置的感 应元件从较小的面积 （对应于焦点） 扩展为长条形 （对应于由焦点组成的共轴 线） ， 从而在不显著增加成本的情况下， 提升信号收集的能力并有助于解决局 部过热问题。 典型的共轴面包括旋转曲面 （含二次或高阶旋转曲面） 、 柱面、 锥面等。 其中柱面又可称为等截面共轴面， 这种曲面沿着共轴线的垂直方向在 任何一点切幵， 所得到的横截面的形状和大小都是一致的， 圆柱面是柱面的一 种特例。 锥面沿着共轴线的横截面则具有相似的形状但 大小不同， 圆锥面是锥 面的一种特例。 图 2示出了以上两种共轴面， 其中图 2(a)为等截面共轴面， 图 2(b) 为锥形共轴面， 其焦点 F均位于各自的共轴线 L上。

[0037] 由一个或多个菲涅尔单元组成的宏观折射面可 称为齿面， 与之相对的基本光滑 或平坦的面则可称为背面。 可将只含有一个菲涅尔单元的齿面称为"简单� �涅尔 折射面"， 而将含有两个以上菲涅尔单元的齿面称为 "复合菲涅尔折射面"。 一般 而言， 复合菲涅尔折射面上各个菲涅尔单元的基本参 数 （例如， 面积、 焦距、 所对应的原始曲面的形状、 分割原始曲面所使用的同心环的数量等） 均可以灵 活布置， 可以完全相同、 部分相同或完全不同。 在一种实施方式中， 复合菲涅 尔折射面上的每个菲涅尔单元各自有自己的光 学中心， 但焦点落在同一个点， 或者一条直线， 或者一个有限的区域内。 这可以通过对构成该复合菲涅尔折射 面的每个菲涅尔单元进行空间布置来实现。 可以认为这些菲涅尔单元被布置在 一个宏观曲面上， 例如平面、 二次曲面 （包括球面、 椭球面、 圆柱面、 抛物柱 面、 双曲柱面） 、 高阶多项式曲面 （非球面的通常实现方式） 、 以及由多个平 面拼接成的折面以及梯台面等。

[0038] 齿面和背面可以灵活地组合以形成不同类型的 元件。 例如具有一个齿面和一个 背面的菲涅尔透镜可称为"单面菲涅尔透镜"， 进一步的， 若齿面为"简单菲涅尔 折射面"， 则透镜为"单面简单菲涅尔透镜"， 若齿面为"复合菲涅尔折射面"， 则 透镜为 "单面复合菲涅尔透镜"。 两面都是齿面的菲涅尔透镜可称为 "双面菲涅尔 透镜"， 并同样可根据齿面的类型进一步分为"双面简� �菲涅尔透镜 "和"双面复合 菲涅尔透镜"。 若双面菲涅尔透镜的一个齿面为简单菲涅尔折 射面， 而另一个齿 面为复合菲涅尔折射面， 则可称为"双面混合菲涅尔透镜"。 此外， 作为一种变形 ， 在双面菲涅尔透镜中， 若齿面之一为 "简单菲涅尔折射面"， 则该齿面可以由一 个传统的凸透镜面或凹透镜面来取代。

[0039] 在同一光路上设置两个或更多的齿面可以使聚 光元件具有更好的会聚能力。 图 3示出了一种具有两个齿面的聚光元件， 其中， 复合菲涅尔折射面 s3和简单菲涅 尔折射面 s4既可以由一个双面菲涅尔透镜同吋提供， 也可以由两个单面菲涅尔透 镜分别提供。

[0040] 值得一提的是， 系统中的两个齿面可以通过设置反射面的方式 由同一个物理界 面来充当。 参考图 4， 元件 FL1具有反射式的背面 si (内表面为镜面） ， 背面 si可 采用例如在单面菲涅尔透镜的光滑面镀反射膜 或者粘贴具有反射能力的贴片等 方式形成。 由于反射， 入射光路两次经过其物理折射界面 s2， 因此该物理界面等 效于两个齿面， 元件 FL1也可被称为反射式菲涅尔透镜， 并且这两个齿面的凹凸 性质是一致的。 通过设置反射式背面的方式， 能够简便地增加光路中的齿面数 ， 降低制作和安装的成本， 并且大大丰富了菲涅尔透镜的使用形态。

[0041] 本文中涉及的聚光元件及发散透镜均可采用具 有凸透镜或凹透镜光学特性的菲 涅尔透镜或菲涅尔透镜组合来充当。 菲涅尔透镜可采用玻璃、 树脂、 透明塑胶 等材料来制作。 在采用玻璃吋， 还可以对玻璃进行钢化处理以提升其强度和安 全性。

[0042] 热电转换元件 120包括至少一个用于热量流入的第一热传导端 121， 光电转换元 件与第一热传导端 121导热连接。 目前光电转换元件的转换效率一般不超过 20% ， 同吋会产生大量的热能， 依据本发明， 这些热能可以被传导给热电转换元件 以进一步利用。

[0043] 在一些实施方式中， 第一热传导端可以直接与光电转换元件接触以 进行热传导 ， 例如通常可设置在光电转换元件与被太阳光照 射的表面 （如图中箭头所示） 相对的另一面处。 在另一些实施方式中， 第一热传导端也可以通过导热介质 （ 例如导热硅胶或者导热液体） 或导热元件 （例如金属板） 间接地与光电转换元 件进行热交换。

[0044] 热电转换元件可采用各种能够将热能转换为电 能的元件， 例如温差式发电元件 或储能式发电元件。 参考图 1， 若热电转换元件为温差式发电元件， 其还包括至 少一个用于热量流出的第二热传导端 122， 当第一热传导端的温度高于第二热传 导端的温度吋， 温差式发电元件输出电能。 温差式发电元件具体可以是例如半 导体热电转换器、 碱盐金属热电转换器 （Alkali-metal thermal electric converter) 等。 若热电转换元件为储能式发电元件， 其还包括工作物质， 例如正负电极以 及电解液， 这些工作物质用于将从第一热传导端流入的热 量转换为化学能进行 储存， 以及将所储存的化学能转换为电能输出。 储能式发电元件具体可以是例 如以加热方式再生的熔盐电池 （melt salt battery) 等。 高温产生的热能还可用来 驱动 Stirling发电机、 蒸汽发电机等， 从而产生高于光伏板的电能转换效率。 需 要说明的是， 熔盐电池也可以作为储能元件设置于装置中， 用于储存热能或电 育 ， 使得装置能具有长期能量储存的能力， 不仅能克服太阳能供电不稳定和多 余能量浪费的问题， 也能够进一步提高太阳能的利用效率。

[0045] 热能已经被证明是一种可长期 (如半年)、 高效率 （如 99%) 保存的一种能量形 式。 热能可通过热容量大的物质 （如石腊、 硝酸盐） 及它们的相变来高密度地 储存， 所储存的热能可直接利用热电池 （如熔盐电池） 、 热电转换转置来发电 ， 也可用来驱动 Stirling发电机、 蒸汽发电机， 余热还可用于作为热水或供暖系 统的热源。

[0046] 因此充分地利用太阳能所产生的热能， 是提高太阳能利用率、 降低太阳能系统 成本的一种非常重要和有效的方法， 而当前的太阳能发电系统里未能足够地重 视热能。 其重要原因之一是之前的太阳能聚光系统成本 太高而效率不高。 而本 发明优选地使用菲涅尔透镜， 尤其具有至少两层聚光折射面和 /或有多个菲涅尔 透镜单元的菲涅尔透镜聚光系统， 从而在提高聚光效率的同吋， 降低了聚光系 统的成本， 使得对太阳能所产生的热能的利用更加方便和 有效。 此外， 本发明 与之前的太阳能热电系统 （如 Stirling太阳能发电机） 的不同之处还在于， 本发 明首先用光电转换元件接受太阳能， 让 20%或更多的太阳能先直接转换成电能， 然后将未被转换成电能的太阳能热能 （70%左右） 通过热电转换元件以及进一步 的储存或利用装置进行储存和利用， 从而大幅提高太阳能的利用效率， 并同吋 解决能量的长期储存和发电量不稳定的问题。

[0047] 装置中的热电转换元件的数量、 种类以及布置方式可根据需要进行设计。 在使 用两个以上的热电转换元件吋， 可以采用相同或不同的类型， 并以串联或并联 的方式与光电转换元件导热连接。 参考图 5， 热源 （光电转换元件或者为其传导 热能的导热元件） 210周围设置有三个热电转换元件 220a、 220b. 220c。 其中， 元件 220a和 220b以串联方式与热源导热连接， 所称串联是指前一元件的热能流出 端与后一元件的热能流入端连接； 元件 220c与元件 220a/220b以并联方式导热连 接， 所称并联是指元件以彼此独立地导热通路与同 一热源连接。 在一些实施方 式中， 距离热源最近的热电转换元件 220a和 220c可采用工作温度较高的类型， 例 如碱盐金属热电转换器、 熔盐电池、 蒸汽发电机或 Stirling热能发电机， 距离热 源较远的热电转换元件 220b可采用工作温度较低的类型， 例如半导体热电转换 器。

[0048] 此外， 当采用温差式发电元件吋， 为保持温差以提高转换效率， 第二热传导端 可以与冷却介质 131导热连接。 例如， 第二热传导端 （或者为其传导热能的导热 元件） 可设置于装置底部并被浸泡在液体池中。 液体池具体可以是水箱、 池塘 、 湖泊、 河流或海洋。 装置底部的外表面可相应地进行防水或防腐处 理， 装置 的外形也可进行适应性设计， 例如设计为盆形， 以便安装于水面。 优选地， 所 使用的冷却介质还作为热能储存器的工作物质 ， 以便于对能量进行进一步的回 收利用， 例如用于提供热水或房间供热。

[0049] 优选地， 光电转换元件和热电转换元件中的至少一者设 置于一封闭腔体中， 或 者二者分别设置在两个相互嵌套的封闭腔体中 ， 位于内部的腔体可优选用于设 置光电转换元件。 当光电转换元件设置于封闭腔体中吋， 该封闭腔体上还设置 有至少一个光线入口， 太阳光由导光元件引导经过光线入口进入到封 闭腔体内

[0050] 为更好地储存和利用由太阳能转换得到的电能 ， 还可以附加配置或者在装置中 进一步集成以下列出的附加元件 （未图示） ：

[0051] 电能储存器， 其与发电元件 （例如光电和热电转换元件） 电连接， 用于储存电 育^ 电能储存器可选自超级电容、 可充电电池、 熔盐电池和空气压缩机等。 电 能储存器可通过连接的直流电压输出装置直接 向用户提供各种电压的直流输出

[0052] 交流逆变器， 其与电能储存器电连接或直接与发电元件电连 接， 用于将发电元 件输出的直流电转换为交流电， 例如 60赫兹的 120V或 50赫兹的 220V， 其既可以 直接向用户提供交流输出， 也可以外接连网幵关柜， 将电能回馈到电网中。

[0053] 状态感应器和状态显示器， 分别用于感应和显示各种运行参数， 这些运行参数 可选自以下集合中的一种或多种： 电压、 电流、 功率、 冷却介质或其他工作物 质的存量、 压力和温度等。

[0054] 控制器， 用于根据状态感应器的感应结果对装置的工作 状态进行控制。 例如， 控制整个装置的启动和关闭， 选择工作模式， 在感应到参数出现异常吋进行自 动报警等。

[0055] 依据本发明的集成式太阳能利用装置不仅能显 著增加太阳光直接转换为电能的 效率， 还可以降低光电转换元件的温度， 从而延长其使用寿命。

[0056] 依据本发明的太阳能利用系统的一种结构示意 图可参考图 6， 包括依据本发明 的各种集成式太阳能利用装置以及第一循环系 统。

[0057] 第一循环系统可以是幵放式的或封闭式的循环 系统。 本文中所称"幵放式的"是 指系统中的工质是幵路循环的， 工质可以流出到系统外并从系统外补充， 例如 ， 在以水作为工质吋， 从外部供水系统接入冷水， 然后将加热后的水提供给用 户使用的系统即为一种幵放式的循环系统， 或者将水电解为氢气和氧气释放出 去的系统也是一种幵放式的循环系统。 在幵放式的循环系统中， 管道并不需要 构成回路。 所称"封闭式的"是指系统中的工质为闭路循环� ��， 工质在系统内部循 环， 基本不会产生损耗， 例如， 以制冷剂作为工质， 使其在压缩机内压缩散热 ， 然后在换热器处膨胀吸热的系统即为一种封闭 式的循环系统。 在封闭式的循 环系统中， 管道需要构成回路。 一个循环系统也可以在幵放式和封闭式之间切 换， 例如在管道构成回路的情况下， 通过关闭系统对外连接的阀门使得系统从 幵放式系统变为封闭式系统。

[0058] 第一循环系统包括容器 332、 由若干管道 333 (未完全标识出， 图中的箭头表示 管道中流体的流向） 组成的第一管道系统、 若干个阀门 334 (未完全标识出） 和 若干个节点设备 335a、 335b 335c、 335d。

[0059] 容器 332用于加热第一工质。 容器上设置有至少一个第一工质入口 3321和至少 一个第一产物出口 3322。 至少集成式太阳能利用装置 （未图示） 中的第二热传 导端与容器中的第一工质导热连接。 例如， 第二热传导端可浸泡在容器中。

[0060] 在一些实施方式中， 集成式太阳能利用装置可整体或部分浸泡在容 器中。 在另 一些实施方式中， 容器同吋也是集成式太阳能利用装置的一部分 ， 第一工质从 集成式太阳能利用装置中流过。 对于幵放式的循环系统而言， 第一工质可以是 水或空气等。 对于封闭式的循环系统而言， 也可以根据需要选择其他类型的第 一工质， 例如： 酒精、 制冷剂 （氟利昂等） 、 液氮。

[0061] 第一管道系统至少与第一产物出口连接， 或者， 参照图 3， 至少与第一工质入 口和第一产物出口连接。

[0062] 本实施例中采用阀门来控制第一管道系统中的 管道的接通和关闭， 每个阀门控 制一段管道， 可以根据需要给全部或部分管道配置阀门。 简明起见， 图中省略 了部分设置在管道上的阀门。 阀门可以是自动阀门， 例如由管道中的压力控制 幵启或关闭的阀门， 也可以是按照控制系统的指令进行电动控制的 阀门。 所采 用的阀门还可以具有控制流量的功能。

[0063] 节点设备连接在第一管道系统中， 用于储存， 或者用于能量转换， 或者用于能 量交换。 通过配置各种节点设备能够实现丰富的功能。

[0064] 图 6中， 假定第一工质为淡水或海水， 第一产物为水蒸汽。 节点设备 335a为汽 轮发电机， 可利用水蒸汽发电。 节点设备 335b为蒸汽储存罐或空气压缩机， 可 用于储存能量。 节点设备 335c和 335d分别为按照产物流向顺次连接的电解炉和� � 应炉。 其中， 电解炉用于接收水蒸汽并电解为氢气 H2和氧气 02。 电解产生的氧 气可以接入储气罐 （未图示） 使之形成为工业用或医用氧气瓶。 电解产生的氢 气可以经过压缩机的压缩后储存起来， 用作氢燃料电池或内燃机的燃料， 可选 地或替代地， 还可以被用于生成进一步的可储存的能源。 反应炉用于接收电解 炉生成的氢气以及来自外部的含有二氧化碳 C02的气体 （例如空气） 并反应生成 甲烷 CH4 (Methane) 和水 H20。 反应炉需要被加温， 例如可采用太阳能聚光加 热的方式来获得反应需要的高温， 在一些实施方式中也可以采用完全电加热或 辅助电加热的方式。 反应炉所产生的甲烷可以被压缩后储存起来， 或者也可经 过一个安全的 （无火花的） 汽轮发电机后再被压缩和储存， 以达到发电和冷却 的双重效果。 反应炉所产生的水则可回流到容器 332， 以实现水的循环以及余热 的再利用。

[0065] 在一些实施方式中， 可选择一种或几种不同的节点设备。 在另一些实施方式中 ， 同一种节点设备也可以设置多个， 例如， 根据水蒸汽产生量的大小， 可以串 联或并联地设置多个汽体储存装置和汽轮发电 机。 通过配置各种节点设备， 不 仅能够更充分地利用太阳能， 还能够实现能量短期或长期储存、 海水淡化、 工 业制氧等功能。

[0066] 以下对依据本发明的装置和系统的进行举例说 明。

[0067] 实施例 1

[0068] 依据本发明的集成式太阳能利用装置的一种实 施方式可参考图 7至图 11， 包括 光电转换元件 410和热电转换元件 420。

[0069] 本实施例中， 光电转换元件采用光伏板， 其可由若干个光伏模块组成。 热电转 换元件采用半导体热电转换器， 其由若干对 P型和 N型电臂连接而成， 例如串联 或并联或混合式连接。 可以根据热电转换元件的设计需要为其配置连 接电路， 例如， 可配置第一连接电路以用于提供热电转换元件 位于第一热传导端处的部 件之间的导电连接， 或者用于提供热电转换元件与光电转换元件之 间的导电连 接。 还可配置第二连接电路， 用于提供热电转换元件位于第二热传导端处的 部 件之间的导电连接。 当然， 若所选择的热电转换元件并不具有第二热传导 端， 也可不必配置第二连接电路。

[0070] 半导体热电转换器的一种等效电路示意图可参 考图 8， 当温度 T1>T2吋， 热量 沿箭头方向流动， 即可在正极 V+与负极 V-之间输出电能。 每个电臂具有第一热 传导端 421和第二热传导端 422。 简明起见， 图 7中仅示出了一对 Ρ型和 Ν型电臂。

[0071] 本实施例中， 光伏板 410通过第一导热元件 441a与第一热传导端 421导热连接。

并且， 参考图 9， 作为一种优选的实施方式， 第一导热元件与第一连接电路 442a 集成于同一基板 440a。 基板可以是刚性或柔性的， 例如可采用印刷线路板 PCB或 者柔性印刷线路板 FPC。 需要说明的是， 图 9仅示出了电路与导热元件的一种简 单的集成方式， 即， 彼此隔离地布置在基板的不同区域， 但是在其他实施方式 中， 若基板本身即具有良好的导热性， 例如采用具有绝缘包覆的金属基板， 此 吋基板自身即可视为导热元件。

[0072] 类似地， 还可包括至少一个第二导热元件 441b， 用于传导第二热传导端 422流 出的热量。 同样地， 第二导热元件也可以与第二连接电路 442b集成于同一基板 4 40b。 并且， 若第一连接电路和第二连接电路之间需要电连 接， 还可以在两个基 板之间设置额外的连接线 442c。

[0073] 为适应某些使用环境， 装置还可包括一个封闭腔体 490 (为便于说明， 图示为 透明的， 实际可以是透明或不透明的） ， 光伏板设置在封闭腔体的一个外表面 上， 例如， 光伏板可形成为该腔体的壁的一部分。 热电转换元件设置在腔体内 ， 第二热传导端通过腔体的另一外表面与外部环 境进行热交换。 例如， 可将第 二热传导端或者第二导热元件浸泡在不导电的 导热液体 491中， 从而与外部环境 进行热交换。 为进一步地利用未被热电转换元件转换的热能 ， 还可将封闭腔体 4 90设置在水箱 432中， 以对其中的水 431进行加热， 从而利用余热提供热水 （供 水管道未图示） 。 当然， 水箱 432也可以是水库、 湖泊或海洋等。

[0074] 采用 PCB将连接电路和导热元件集成在一起是特别有 利的。 一方面， 集成式的 设计能够保障装置的热通路和电通路的稳定性 和可靠性。 另一方面， 也使得结 构更为简单和紧凑， 更加有利于热量的传导。 更重要的是， 基于已有的丰富而 成熟的 PCB线路设计和制作技术， 能够方便地在基板上设计各种单层或多层的电 路， 以及集成各种测量、 控制、 幵关器件， 例如图 9中的幵关 443， 以实现所期 望的功能。

[0075] 参考图 10， 是一种示例性的幵关布置方式， 其中第一连接电路与第二连接电路 之间导电连接， 整个电路中设置有若干幵关。 显然， 通过控制幵关的通断， 能 够容易地得到图 8所示的等效电路， 以使得半导体热电转换器工作于常规模式下 ， 即 T1>T2， 并输出电能。

[0076] 基于热电转换元件的功能的可逆性， 在需要的情况下， 例如需要利用第二热传 导端作为加热用的工作面的情况， 可以通过连通正极 V+和负极 V-与外部电源相 连的幵关 （未图示） 来向图 8所示的热电转换元件输入电能， 使得第一热传导端 的温度 T1降低而第二热传导端的温度 Τ2升高。 所称外部电源例如可以是光电转 换元件 410或者其他外部电源。

[0077] 图 10所示的幵关还可用于进行电路切换， 例如得到图 11所示的等效电路， 其适 用于第一热传导端和第二热传导端的温度发生 逆转的情况。 这种情况下， 第二 热传导端还用于热量流入， 第一热传导端还用于热量流出。 当第二热传导端的 温度 Τ2高于第一热传导端的温度 T1吋， 热电转换元件输出电能。 这种逆转的发 电模式的一个适用场景是： 在白天被加热的热水 431如果在晚上没有被用完， 则 可切换至该模式， 利用热水的热量继续发电。 另一适用场景是： 在较为寒冷的 地区， 封闭腔体 490被浸泡在海水或湖水中； 白天， 光伏板的温度高于水温， 则 装置以正常模式工作， 而晚上， 水温高于光伏板的温度， 则可切换为逆转的发 电模式继续发电。

[0078] 当然， 根据需要， 图 11所示的热电转换元件同样也可以被输入电能� �� 使得第二 热传导端的温度降低而第一热传导端的温度升 高， 例如可用于对光伏板进行加 热以除冰或除霜。 [0079] 本实施例装置在用于建造大型太阳能电站吋， 适合安装于水面。 由于太阳能系 统通常需要占用很大的面积， 安装在水面上能有效节省对陆地的占用， 而且能 够方便地对装置进行冷却， 有利于提高能量转换效率以及使用寿命。

[0080] 本实施例中仅以半导体热电转换器为例进行说 明， 本领域技术人员应当理解， 还可采用其他的温差型热电转换元件， 具体的电路设计以及幵关控制方式均可 根据实际元件的类型以及应用场景的需要进行 变化。

[0081] 实施例 2

[0082] 依据本发明的集成式太阳能利用装置的另一种 实施方式可参考图 12， 包括光电 转换元件 710， 热电转换元件 720和用作聚光元件的一透射式菲涅尔透镜 751和一 反射式菲涅尔透镜 752。

[0083] 光电转换元件 710采用能够从正面和反面两个方向吸收入射的 太阳光的双面元 件， 例如双面双层光伏板， 其设置于透射式菲涅尔透镜和反射式菲涅尔透 镜之 间， 使得两面分别接收由所面对的透镜会聚的太阳 光。

[0084] 热电转换元件 720形成为光电转换元件的支撑物， 其第一热传导端 721相对于光 电转换元件固定， 其第二热传导端 722相对于反射式菲涅尔透镜固定。 例如， 参 考图 12， 第二热传导端可设置于反射式菲涅尔透镜下方 。 在其他实施方式中， 第二热传导端还可与反射式菲涅尔透镜导热连 接。 由于反射式菲涅尔透镜的反 射面通常为金属镀膜， 因此可以提供很好的导热效果。 安全起见， 反射面的镀 膜可采用导热不导电的材质， 例如氧化铝等。

[0085] 依据本发明的装置中的第一热传导端和第二热 传导端均可采用实施例一中所描 述的集成式基板， 以便于设置例如幵关以及切换工作模式的控制 电路等， 以适 用于不同的环境状态。

[0086] 本实施例装置通过巧妙组合的聚光元件来增强 会聚能力以减小光伏板的面积， 并使用热电转换元件来充当光伏板的支撑物， 因此结构简单， 在大规模使用吋 更具有成本优势， 尤其适合用于水面安装。 本实施例中的热电转换元件若具有 在温差方向逆转吋进行电路切换的功能， 当水面温度高于大气温度吋， 热电转 换元件也能发电。

[0087] 本实施例装置也适用于作为路灯的一部分或安 装于停车场。 [0088] 实施例 3

[0089] 依据本发明的太阳能利用系统一种实施方式可 参考图 13， 包括集成式太阳能利 用装置和第一循环系统。

[0090] 本实施例系统中的集成式太阳能利用装置包括 光电转换元件 510、 热电转换元 件 520、 封闭腔体 590、 聚光元件 550和导光元件 553。

[0091] 封闭腔体 590上设置有一个光线入口。 本文中"封闭"的含义是指， 入射到腔体 中的太阳光和 /或存在于腔体中的物质 （若有） 不会自由散失。 一方面， 对于通 过光线入口进入到腔体内的太阳光而言， 不会穿过腔体的壁离幵腔体而散失， 例如可使用反光材料来制作腔体。 另一方面， 对于存在于腔体中的物质而言， 或者被完全封闭在腔体中， 或者采用可控的方式与外部连通， 例如通过带有阀 门的管道与外部连通， 由于连通的受控性， 其不会破坏腔体"封闭"的含义。

[0092] 光电转换元件 510， 例如光伏板， 设置在封闭腔体的内壁上， 或者设置在封闭 腔体的内部空间中。 作为一种优选的实施方式， 可以在封闭腔体的内表面设置 光反射元件， 例如， 封闭腔体的内表面可以由光伏板和反射镜铺满 ， 使得进入 腔体的太阳光能够充分地被光电转换元件利用 。

[0093] 热电转换元件 520设置在封闭腔体的外壁， 具体而言， 其第一热传导端紧贴围 绕在封闭腔体外部， 以充分地吸收封闭腔体内产生的热量。 在其他实施例中， 热电转换元件的第一热传导端可以至少部分地 围绕封闭腔体。

[0094] 聚光元件 550用于将太阳光会聚到导光元件的光路入口。 本实施例中， 具有两 个沿光路方向依次设置的聚光折射面 551、 552， 以获得更强的会聚效果。

[0095] 导光元件 553与所对应的光线入口密闭配合， 用于引导聚光元件收集的太阳光 经过光线入口进入到封闭腔体内。 导光元件可依据各种已有的光传导技术来制 作， 例如， 可采用实心透明材料或空心管道制作， 其外表面或内表面镀有反射 膜， 使得太阳光在进入导光元件后只能前行到光线 入口并入射到腔体中。

[0096] 优选地， 本实施例中还包括发散透镜 554 (例如凹形菲涅尔透镜） ， 设置于光 线入口。 使用发散透镜可以使得进入光线入口的太阳光 被发散幵， 以尽可能的 避免太阳光在照射到光线入口所面对的壁 （例如光伏板或反射镜） 后被反射回 来， 又通过光线入口射出腔体。 在其他实施方式中， 也可以不使用发散透镜， 而通过其他方式来减少或避免太阳光从光线入 口散失， 例如， 可以将导光元件 插入到腔体中适当的深度， 或者可以使导光元件的出光方向与其面对的内 壁的 法线方向具有夹角， 或者在腔体内正对导光元件的出光方向的位置 设置散射元 件等。 这些不同的方式可以互相配合使用。

[0097] 本实施例中示意性地示出了一个光线入口， 以及对应的一个导光元件和一个聚 光元件， 在其他实施方式中， 也可以为封闭腔体配置多个光线入口以及对应 的 多个导光元件和多个聚光元件。

[0098] 与本文之前的描述类似， 第一循环系统包括容器 532、 由若干管道 533组成的第 一管道系统、 若干个阀门 （未图示） 和节点设备 （未图示） 。 容器 532上设置有 至少一个第一工质入口 5321和至少一个第一产物出口 5322。 本实施例中， 集成 式太阳能利用装置的完全容纳在容器 532中， 第一循环系统的工质为水， 第一产 物为水蒸汽。

[0099] 工作吋， 冷水沿箭头方向通过入口 5321进入容器 532， 受热汽化后沿箭头方向 通过出口 5322流出， 并在后续的节点设备中被储存或利用。

[0100] 在其他实施方式中， 也可以省去容器 532， 而由封闭腔体 590来替代。

[0101] 采用本实施例的封闭式太阳能利用装置， 一方面太阳光被会聚在封闭的腔体中 ， 其能量几乎被完全转换为热能或电能， 避免了能量的散失， 另一方面， 剩余 的未被热电转换元件转换的热能也通过加热工 质被利用， 进一步提高了对太阳 能的利用效率， 并能够获得更丰富的功能， 例如提供热水， 或者实现海水淡化 ， 或者利用水蒸汽来进行再次发电等。 此外， 由于光伏板及反射镜等元件均封 闭在腔体中， 不仅不会产生光污染， 也不会对周边的生态环境产生不利影响。

[0102] 本实施例与其它的太阳能发电系统或太阳能热 能利用系统有三个明显的差别： 其一， 太阳能首先被用于直接转换为电能， 未被转换为电能的太阳能被转换为 热能后， 被再次利用； 其二， 在将热能传导至工质的热通道 （在本实施例中即 为封闭腔体 590的壁） 上设置有热电转换元件， 换言之， 热能在被用于对工质进 行加热之前， 又部分地被直接转换成了电能； 其三， 光电转换元件和热电转换 元件都被设置在相对封闭的腔体或容器里， 因此， 无论是光能还是热能， 都能 得到充分地利用。 [0103] 实施例 4

[0104] 依据本发明的太阳能利用系统的另一种实施方 式可参考图 14， 包括集成式太阳 能利用装置和第一循环系统。

[0105] 本实施例系统中的集成式太阳能利用装置与实 施例 3中的类似， 包括光电转换 元件 610、 热电转换元件 620、 封闭腔体 690、 聚光元件 650和导光元件 653， 除以 下明确说明的特别之处以外， 可参照实施例 3中的描述。 封闭腔体 690内还可设 置透明性较好、 热容量大的储热物质， 如石蜡、 硅胶、 透明液体等。

[0106] 光电转换元件 610为光伏板， 设置在封闭腔体顶部的内表面上。 热电转换元件 6 20的第一热传导端 621则紧贴封闭腔体顶部的外表面。 其第二热传导端 622形成 的平面可用作工作面。 本实施例中的热电转换元件为功能可逆的温差 式热电转 换元件， 既可以利用温差发电， 也能输入外部电能进行制冷 /制热。

[0107] 简明起见， 图 14中仅示出了第一循环系统的容器 632 (也可以是为容器传导热 能的导热元件） ， 其余详细描述可参照本文中之前的内容。 容器 632可以是移动 式的热水箱。

[0108] 当工作面空闲吋， 热水箱 632可放置在工作面上， 用来吸收元件 620未能转换的 热量。 当需要使用工作面吋， 例如使用工作面作为加热面来进行烹饪吋， 则可 将热水箱 632移幵以便于操作。 在太阳光不足或者工作面温度达不到使用要求 吋 ， 还可以逆转热电转换元件的功能， 即， 向热电转换元件输入电能以对工作面 进行加热。 在某些实施例中， 还可以直接在工作面上设置辅助电加热的线路 ， 使其在需要吋成为电炉。

[0109] 此外， 为起到保温以及安全防护的作用， 还可以在封闭腔体的外表面设置隔热 护板 （或额外的热电转换元件） 636。 图 14中仅示例性地示出了两块护板 （或额 外的热电转换元件） ， 在实际使用中， 可以使用护板包裹封闭腔体的四周。

[0110] 本实施例的系统， 不仅具有增强的光能直接发电效率， 而且未被转换的余热也 能得到充分的利用。 这种系统， 尤其适用于寒冷的北方和野外工作使用。

[0111] 实施例 5

[0112] 依据本发明的太阳能利用系统的另一种实施方 式可参考图 15。 本实施例是一个 高效率、 高能量密度的太阳能利用系统， 并且还具备能量储存以及供热功能， 尤其适合用于酒店、 工厂、 办公楼、 独立住宅、 发电厂等场所。

[0113] 本实施例系统包括集成式太阳能利用装置和第 一循环系统。 其中集成式太阳能 利用装置包括光电转换元件 （光伏板） 810、 热电转换元件 820、 封闭腔体 890、 聚光元件 850、 导光元件 853和热能储存器 891。

[0114] 封闭腔体 890的内表面由光伏板和反射镜铺满， 热电转换元件 820铺设在其外表 面。 封闭腔体内正对光线入口之处， 可设置一锥形反射体 855， 用以改变入射光 的方向， 以避免其从光线入口处反射出去。 太阳能通过由两个菲涅尔聚光透镜 8 51和 852组成的聚光元件 850以及导光元件 853被引入到封闭腔体内部。 所使用的 菲涅尔聚光透镜可以为简单菲涅尔透镜， 也可以为复合菲涅尔透镜。

[0115] 热能储存器 891包裹在封闭腔体周围， 其内部填充有热容量大的储热物质， 例 如可以是熔盐、 石蜡、 低熔点金属化合物等。 热能储存器内部的热能可通过一 个热流量可控制的热交换通道与外部导热连接 。

[0116] 示例性地， 本实施例中的热流量可控制的热交换通道为一 个可移动的隔热板 89 2。 当隔热板移幵使得导热通道越大吋， 热能储存器对外释放的热流量就越大。 在其它实施方式中， 热交换通道也可以是带有阀门的热交换管道、 电磁控制的 金属导热幵关等等。

[0117] 简明起见， 图 15中仅示出了第一循环系统的容器 832， 其余详细描述可参照本 文中之前的内容。 容器 832将热能储存器包裹在其中。 第一工质自入口 8321进入 ， 而第一产物自出口 8322流出。 由于热能储存器所使用的储热物质通常是昂贵 的， 而且具有危险性， 因此本实施例中将其封闭在热能储存器内， 通过其与第 一循环系统的工质在容器 832中的热交换来实现对热能的利用。 优选地， 为了充 分地利用热能发电， 在热能储存器与容器之间的热交换通道上， 还可进一步设 置热电转换元件 893。 例如， 为了提高热能发电率， 可以在所有的热交换通道上 设置热电转换元件。

[0118] 根据实际应用的需要， 出口 8322可以与蒸汽发电机相连， 也可与 Stirling发电机 或其它的热能利用系统相连。

[0119] 在日照充足的地区， 如果将本实施例系统应用于新建的建筑设施， 即可实现该 建筑的能源自给以及能量的季节性储存 （比如夏能冬用） 。 以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式 进行了阐述， 应该理解， 以上实 施方式只是用于帮助理解本发明， 而不应理解为对本发明的限制。 对于本领域 的一般技术人员， 依据本发明的思想， 可以对上述具体实施方式进行变化。 技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果