一种新型太阳能复合发电系统

本发明属于太阳能利用和电化学热电转换领域，具体为一种新型太阳能复合发电系统。

背景技术：

1、随着技术的攻坚、成本的降低，丰富的太阳能资源在气候异常升温、化石燃料短缺等种种问题夹击的当下，已然成为全球能源技术转型的核心驱动力。

2、光伏电池(photovolatic，pv)技术的出现与大规模发展应运而生。其通过接收太阳光激发自由电子流动形成电流实现电能的输出。然而受限于材料带隙特性，光伏电池仅能利用太阳光谱短波部分，长波光则以热能形式耗损。可全光谱太阳能利用的光伏光热(photovoltaic/thermal，pv/t)技术针对光伏附加了吸热板块，对长波光实现热能利用，提高了太阳能的综合利用效率。然而，针对电能这一高品质能源，光伏光热技术并未在光伏电池基础上有所提升，全光谱热电转换仍存在技术缺口。

技术实现思路

1、为了在pv/t系统的基础上进一步提升太阳能发电效率，本发明提供了一种新型太阳能复合发电系统，提出将在低品位热能利用领域，使用热能驱动电化学反应，并将这些反应产生的化学能高效率转为电能的热再生电化学循环(the rmally regenerativeelectrochemical cycle，trec)技术与pv/t相结合，即，提出了一种结合了trec与pv/t的混合系统(pv/t-trec)，其在太阳能全光谱发电能效上存在天然的优势。因此，光伏光热在自身发电的同时吸收热能并以热水的形式输送至热再生电化学循环成为其热源，从而实现热转电，高效输出额外的电能，提高了综合的热转电效率。尽管以水为媒介来二次换热是该混合系统目前较为容易想到的技术，但期间的能量损失大大限制了这一混合系统的进一步发展与实际应用，为了降低pv/t-trec换热损失，本发明深入创新设计了将trec电池的电解液直接用来替代pv/t的换热流体，实现一次换热，从而进一步提高了太阳能的发电效率。

2、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

3、一种新型太阳能复合发电系统，包括光伏光热pv/t子系统和热再生电化学循环trec子系统，pv/t子系统和trec子系统共同组成pv/t-trec系统，pv/t-trec系统可全光谱利用太阳能进行发电；pv/t子系统包括光伏电池、吸热板以及保温层，且光伏电池、吸热板和保温层自上而下依次贴合连接；trec子系统包括trec电池，trec电池由电池正极、电池负极、正极电解液、负极电解液、离子交换膜组成；光伏电池的受光面朝上以便接受光照；光伏电池的下表面涂抹有导热胶从而铺设在吸热板的上表面用于吸收光伏电池产生的余热，吸热板的下表面贴合在trec电池上表面以实现pv/t与trec两子系统间的一次热交换减少热损，保温层通过粘结或机械紧固方式包裹在trec电池的外表面，且保温层的上表面与吸热板下表面暴露部分贴合防止吸热板背面的热量散失，

4、trec电池的电池正极内表面浸润在正极电解液中，电池负极内表面浸润在负极电解液中，正极电解液与负极电解液之间利用离子交换膜隔开。

5、trec电池还包括电池外壳、第一导线、第二导线、负载以及电源，其中第一导线的一端与电池正极相接，第二导线的一端与电池负极相接，当trec电池放电时，第一导线和第二导线的另一端共同外接有负载，在电池充电时，第一导线和第二导线的另一端共同外接有电源。

6、正极电解液和负极电解液用于吸收光伏光热模块产生的热能，直接实现对trec电池进行一次换热从而得到太阳能光热减少传热损失。

7、光伏电池选用硅基或薄膜类材料制成，且吸热板选用铜、铝以及传热效率较好复合材料制作而成，保温层选用聚氨酯泡沫或玻璃纤维为原料制成。

8、电池正极选用普鲁士蓝类似物为主体结构，并以碳布作为其基底与集流体，电池负极选用的铜或锌为主体结构，且以电池负极自身作为集流体。

9、正极电解液选用与电池正极组成大温度系数氧化还原电对的高浓度电解质，负极电解液选用与电池负极组成大温度系数且与正极侧电对符号相反的氧化还原电对的高浓度电解质。

10、依据trec电池的离子传输类型以及ph环境条件选取对应的高离子电导、化学与热稳定性良好、机械强度足够的离子交换膜。

11、电池外壳使用高导热性率以及电化学稳定的电绝缘材质，从而提高pv/t-trec中利用正极电解液与负极电解液进行一次换热的效率，提升pv/t-trec利用太阳能发电的综合能效。

12、trec电池温度系数为负时，在光照条件下pv/t-trec系统中的光伏组件负责发电供给用电侧与trec电池，同时trec电池吸收热量以相对低电位进行充电储存化学能，在非光照条件下光伏停止发电，trec子系统以相对高电位将储能以电能形式释放供给用电侧。

13、trec电池温度系数为正时，在非光照条件下pv/t-trec系统中trec电池以相对低电位进行充电，在光照条件下光伏组件负责发电提供电能，同时trec电池吸收热量以相对高电位释放夜间的储能，提供电能。

14、相比于现有技术，本发明的有益效果为：

15、(1)与发电效率受限于仅能利用短波光波的传统pv/t相比，本申请提出的pv/t-trec系统可全光谱利用太阳能进行发电，提高了太阳能的综合发电能效，针对pv/t-trec系统中较为容易被想到的以pv/t中设管式流水换热给tre c电解液的结合方式，本发明创新式做出了将trec电池作为pv/t中换热流体的一次换热的设计；一方面，大幅削减了如管道、储水罐等装置成本，另一方面，一次换热比由水驱动的二次换热大幅减少了换热损失，进一步提升trec的热转电效率，从而提升整个pv/t-trec的太阳能发电能效；trec电解液对热量的吸收平衡了pv板的吸热，从而抑制了pv的升温对pv发电的影响，确保了光伏电池的电效率；由传统pv/t系统到本发明设计的电解液一次换热的pv/t-trec系统，太阳能发电效率可以实现从18％提升到21％。

16、(2)pv/t-trec负温度系数系统可实现白天光伏发电同时trec储能，夜间trec发电的全天持续电能供给，可灵活补充电网，增强其韧性，此外，光伏发电支撑trec电池充电促成了自驱动、无需额外电能输入的便携pv/t-trec这一低成本高效太阳能发电系统；pv/t-trec正温度系数系统可实现光伏与trec在白天协同发电，供电可靠性强，平衡电网在白天的高需求时段；此外，系统在夜间电网低谷时段对trec进行充电，成本显著降低。

17、(3)本系统可以低成本的优势替代白天用电选择；此外，可通过变换tre c电池材料灵活匹配实际用电与经济需求，应用场景多变，可塑性强。

技术特征：

1.一种新型太阳能复合发电系统，包括光伏光热pv/t子系统和热再生电化学循环trec子系统，pv/t子系统和trec子系统共同组成pv/t-trec系统，pv/t-trec系统可全光谱利用太阳能进行发电；

2.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：trec电池(3)还包括电池外壳(3-6)、第一导线(5-1)、第二导线(5-2)、负载(6-1)以及电源(6-2)，其中第一导线(5-1)的一端与电池正极(3-1)相接，第二导线(5-2)的一端与电池负极(3-2)相接，当trec电池(3)放电时，第一导线(5-1)和第二导线(5-2)的另一端共同外接有负载(6-1)，在电池充电时，第一导线(5-1)和第二导线(5-2)的另一端共同外接有电源(6-2)。

3.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：正极电解液(3-3)和负极电解液(3-4)用于吸收光伏光热模块产生的热能，直接实现对trec电池(3)进行一次换热从而得到太阳能光热减少传热损失。

4.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：光伏电池(1)选用硅基或薄膜类材料制成，且吸热板(2)选用铜、铝以及传热效率较好复合材料制作而成，保温层(4)选用聚氨酯泡沫或玻璃纤维为原料制成。

5.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：电池正极(3-1)选用普鲁士蓝类似物为主体结构，并以碳布作为其基底与集流体，电池负极(3-2)选用的铜或锌为主体结构，且以电池负极(3-2)自身作为集流体。

6.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：正极电解液(3-3)选用与电池正极(3-1)组成大温度系数氧化还原电对的高浓度电解质，负极电解液(3-4)选用与电池负极(3-2)组成大温度系数且与正极侧电对符号相反的氧化还原电对的高浓度电解质。

7.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：依据trec电池(3)的离子传输类型以及ph环境条件选取对应的离子交换膜(3-5)。

8.根据权利要求2所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：电池外壳(3-6)使用高导热性率以及电化学稳定的电绝缘材质，从而提高pv/t-trec中利用正极电解液(3-3)与负极电解液(3-4)进行一次换热的效率，提升pv/t-trec利用太阳能发电的综合能效。

9.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：trec电池(3)温度系数为负时，在光照条件下pv/t-trec系统中的光伏组件负责发电供给用电侧与trec电池(3)，同时trec电池(3)吸收热量以相对低电位进行充电储存化学能，在非光照条件下光伏停止发电，trec子系统以相对高电位将储能以电能形式释放供给用电侧。

10.根据权利要求1所述的新型太阳能复合发电系统，其特征在于：ttrec电池(3)温度系数为正时，在非光照条件下pv/t-trec系统中trec电池(3)以相对低电位进行充电，在光照条件下光伏组件负责发电提供电能，同时trec电池(3)吸收热量以相对高电位释放夜间的储能，提供电能。

技术总结本发明公开了新型太阳能复合发电系统，包括光伏光热PV/T子系统和热再生电化学循环TREC子系统，PV/T子系统和TREC子系统共同组成PV/T‑TREC系统，PV/T‑TREC系统可全光谱利用太阳能进行发电；PV/T子系统包括光伏电池、吸热板以及保温层，且光伏电池、吸热板和保温层自上而下依次贴合连接；TRE C子系统包括TREC电池。与发电效率受限于仅能利用短波光波的传统PV/T相比，本申请提出的PV/T‑TREC系统可全光谱利用太阳能进行发电，提高了太阳能的综合发电能效，针对PV/T‑TREC系统中较为容易被想到的以PV/T中设管式流水换热给TREC电解液的结合方式，本发明创新式做出了将TREC电池作为PV/T中换热流体的一次换热的设计；一方面，大幅削减了装置成本，另一方面，一次换热比由水驱动的二次换热大幅减少了换热损失。技术研发人员：李桂强,沙盈吟,唐鑫受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29