大面积透射聚光太阳能光电光热采光建筑构件四联用装置

本发明涉及一种大面积透射聚光太阳能光电光热采光建筑构件四联用装置，既是一种 将太阳能同时变成为电能和生活用热能的能源转换设备，又是一种建筑构件，属于太阳能 光伏光热建筑一体化的技术领域。

随着能源消耗日益增加，化石能源日益匮乏，环境污染日益严重，引起了世界上多数 国家政府和人民的重视，2005年2月16日“京都议定书”的生效和2009年12月“哥本 哈根气候大会”，提出限制各国排放工业废气，以控制全球气候变暖，成为联合国认可的 共同责任原则。中国在2007年成为世界上最大的温室气体排放国家，2008年中国能源消 费量仅次美国，居世界第二，这一问题中国政府已经高度关注。国务院提出到2020年我 国非化石能源占一次能源消费的比重达到15％。2009年12月26日十一届全国人大常委会 十二次会议表决通过了《可再生能源法修正案》该法案将自2010年4月1日起施行，为 可再生能源的市场规范有序健康发展奠定了新的法律基础。现在世界上许多国家都注重开 发新能源、可再生能源、而太阳能是可再生能源的家族中资源量最大分布最为普遍的高度 清洁能源，我国太阳能资源十分丰富，70％的国土面积日照度都在1KW/m2以上，如果能 大力开发使用用之不竭的太阳能来解决人们的生产生活用能是有重大现实意义的。虽然太 阳能光伏发电成本逐年下降，但仍然远高于常规电力，目前太阳能光伏发电1千瓦时要2 元以上的成本，而水电、火电只要0.5元，因此，普及太阳能光伏发电的主要障碍是成本 高。

现在我国可耕地面积日益减少，已接近满足中国人民温饱的18亿亩耕地底限，430亿 m2的既有建筑，18-20亿m2的年新增建筑、闲置可利用屋顶面积相当于几十万亩土地资源， 这还不包括窗、墙的利用，这些闲置建筑物的屋顶、窗、墙之处的利用对我国现有可耕地 面积保住底限具有十分重要意义。由于太阳能量密度低，使得光伏发电系统的占地面积大， 1MW的光伏电站占地约需1万平方米，利用建筑物屋顶和墙面与太阳能电池相结合是解决 太阳能接收面积的主要途径。

关于太阳能光伏发电/光热联用装置的研究，世界上已在前个世纪80年代就开始了， 后来一些学者也提出一些技术方案，且经过实验、计算已达到了较好的热电联用效果，但 在同类技术中的玻璃盖板基本上都是采用透明平板玻璃，由于这种平板玻璃没有聚光能 力，其缺点有如下两点：首先是在入射太阳光大面积范围内要使用大量昂贵的太阳能电池， 从而导致太阳能光伏发电价格成本高，其次是为了防止太阳能电池工作电压和输出功率因 温度升高，而降低造成的损失，同时兼顾“废热”利用的目的，必须在入射太阳光面积范 围内的每块太阳能电池的背面都要覆盖热换装置，这就产生了热换装置覆盖面大，热能温 度低等有关问题，因而其推广应用前景很不乐观。

本发明的目的是为解决上述存在的缺陷，提供一种集太阳能光伏发电、获取生活用热 能、采光、及建筑构件于一体的设备利用率高、生产成本低、易于推广普及的安全环保多 功能新型大面积透射聚光太阳能光电光热采光建筑构件四联用装置。

本发明的技术方案如下：

一种大面积透射聚光太阳能光电光热采光建筑构件四联用装置主要由传光玻璃(1)、 太阳能电池(2)、矩形集热管(3)、内板(4)、外框(5)、调节太阳赤纬角变化的变角机 构(10)和平移机构(11)组成，所述的传光玻璃(1)是一种大面积透射聚光由透明玻 璃做成的多组多条平行条纹构成的聚光透镜，传光玻璃(1)的上下两面是相互平行的， 上面部分是光滑面，下面部分横断面除等于太阳能电池(2)宽度尺寸大小的每组条纹中 心宽度尺寸大小是光滑面外，其它外围部分都是根据光的折射定律原理设计的由许多不同 角度形成的锯齿形结构。在太阳光照射下传光玻璃(1)下面的聚光面上形成了只有入射 太阳光照射面积的几分之一到十几分之一的多条平行条形聚光带，而太阳能电池(2)放 在该聚光带位置上，以便达到减少太阳能电池(2)用量的目的。也就是说现有技术中的 平板透明玻璃换成传光玻璃(1)为盖板后，后者所使用的太阳能电池(2)的数量只有前 者所使用的太阳能电池数量的几分之一到十几分之一。为了防止太阳能电池工作电压和输 出功率因温度升高而降低造成的损失，通过本发明的传光玻璃(1)后使较大面积的入射 太阳光会聚在一个较小的范围内，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，这样可以成倍提高太 阳能电池(2)的短路电流，从而大大提高每单位的太阳能电池(2)的输出功率。为了使 太阳能电池(2)充分散热，在太阳能电池(2)背面设有矩形集热管(3)，矩形集热管(3) 中装有流动的水(或空气)，由于太阳能电池(2)和其背面的矩形集热管(3)都是平面 接触，接触面积大，传热效果好，当太阳能电池(2)在光伏发电时所积累的热能被矩形 集热管(3)中的水(或空气)收集迅速传输出来，避免了太阳能电池(2)在几倍至十几 倍太阳光强工作条件下，温度不致过高，而影响光伏特性的充满因子，从而提高了太阳能 电池(2)的转换效率，因此既减少光电部分投资，又为热能利用升高了温度。本发明作 为采光屋顶，墙、窗等建筑构件使用时，内板(4)材料采用透明平板玻璃，本发明作为 非采光屋顶、墙、窗等建筑构件使用时内板(4)采用金属板等不透明的材料。

实现本发明的技术方案采用如下几点措施：

一、是在本发明中设有太阳能电池(2)使太阳能转化为电能。

二、是本发明的玻璃盖板采用传光玻璃(1)，可以在相同的入射太阳光照射面积情况 下，减少了太阳能电池(2)的用量又提高了光热温度。

三、是在本发明太阳能电池(2)背面设有矩形集热管(3)将太阳能转为热能收集起 来，获得热能(热水或热风)。

四、是本发明作为采光屋顶、幕墙、窗等建筑构件使用时，其内板(4)材料采用透 明平板玻璃，这样便可使室外太阳光经过两片透明玻璃和太阳能电池(2)、矩形集热管(3) 间隙进入室内、达到自然采光的目的。

五、是在本发明安装时，传光玻璃(1)直线条纹方向平行于地球东西方向水平布置， 这样可以做到跟踪机构简单，使用方便，价格低廉。

六、是在本发明的外侧和背面设有外框(5)内板(4)起着支撑和保证作用。

七、是本发明根据人们不同需求，做成固定式、开启式和固定开启式三种形式：

1、本发明作为固定式屋顶、幕墙、窗等建筑构件使用时，本发明可在一年四季相对 于建筑物的墙体、支架等固定不动情况下，用调节太阳赤纬角变化的平移机构(11)移动 太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)位置，使入射的太阳光经传光玻璃(11)后 形成的聚光带落在太阳能电池(2)及背面的矩形集热管(3)位置上，这样便可在室内正常 接收太阳能进行光伏发电和获得生活用热能。

2、本发明作为开启式屋顶，窗等建筑构件使用时用调节太阳赤纬角变化的变角机构 (10)改变本发明的倾斜角，使入射太阳光经传光玻璃(1)后开形成的聚光带落在太阳 能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)位置上，这样便可正常接收太阳能进行光伏发电 和获得生活用热能。

3、本发明作为开启固定式屋顶、窗等建筑构件使用时，开启状态用调节太阳赤纬角 变化的变角机构(10)改变本发明的倾斜角。固定状态用调节太阳赤纬角变化的平移机构 (11)移动太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)位置使入射的太阳光经传光玻璃 (1)后形成的聚光带落在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)位置上，这样两 种状态下都能正常接收太阳能进行光伏发电和获得生活用热能。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

一、总造价低。本发明为太阳能光电光热采光建筑构件四联用装置，同时具有获取电 能和热能，采光建筑构件四种功能，与光电、光热、采光、建筑构件分开计算投资的和相 比，总投资大为减少。

二、本发明的传光玻璃、太阳能电池、内板生产原料的硅材料资源量丰富，达地壳丰 度的26％之多。

三、节约昂贵的太阳能电池的用量。本发明采用有聚光能力的传光玻璃为盖板，使在 相同的入射太阳光照射面积情况下和现有技术产品相比的太阳能电池用量明显减少，前者 只有后者的几分之一到十几分之一。

四、获得生活用热能，并提高了太阳能光电转换效率。太阳能电池(2)背面设有矩 形集热管(3)，矩形集热管(3)中装有水(或空气)，将太阳能电池在光伏发电时所积累 的热能收集并迅速传输出来获得热能并使太阳能电池(2)不致温度过高，因此提高了太 阳能光电转换效率。

五、节约大量原材料。本发明实现一装置四用，与光电、光热、采光、建筑构件四种 分开相比，只有1/4的玻璃盖板、外框、内板的用量。

六、本发明属于太阳能光电光热建筑一体化技术，其主要优点有：

1、太阳能资源零成本，取之不尽，用之不竭。

2、不污染周围环境。本发明的太阳能光电光热转换过程没有燃烧物不排放温室气体、 废气、废水、无噪音。

3、应用范围广。地球上无论何处都有太阳，都可以使用本发明进行太阳能发电，获 取热能。

4、不占地。本发明太阳能光伏发电获取热能是利用建筑物平时闲置之处的屋 顶、窗、墙等，不占另外土地。

5、本发明的产能地和使用能地合为一处，减少中间环节的费用和能耗。使用 户使用更加方便。

6、本发明一次投资多年受益，并省去单独为光电、光热设备提供的支架结 构。使用寿命长，维护管理简单。

7、本发明模块化结构，太阳能光伏发电规模大小随意，具备第三代能源微电 力系统的主要特征。

8、使用本发明作新型建筑维护材料，可使建筑物外观更有魅力，室内更加清 洁。

图1是本发明作为固定式屋顶、幕墙等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电获 取热能的工作原理图。

图2是本发明作为固定式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是本发明作为开启式屋顶、窗等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电获取热 能的工作原理图。

图5是本发明作为开启式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。

图6是图5的D向视图。

图7是本发明作为开启固定式屋顶、窗等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电获 取热能的工作原理图。

图8是本发明作为开启固定式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。

图9是图8的F向视图。

图中：

1-传光玻璃；2-太阳能电池；3-矩形集热管；4-内板；5-外框；6-合 页；7-固定孔；8-集热管冷水入口；9-集热管热水出口；10-调节太阳赤纬角 变化的变角机构；11-调节太阳赤纬角变化的平移机构；12-变角机构摆动支撑； 13-建筑物屋顶椽子；14-天窗边框；15-防漏密封圈。

a1-冬至太阳光线；b1-春、秋分太阳光线；c1-夏至太阳光线；

a2-冬至时太阳能电池及其背面的矩形集热管所在位置；

b2-春、秋分时太阳能电池及其背面的矩形集热管所在位置；

c2-夏至时太阳能电池及其背面的矩形集热管所在的位置；

e-平移机构为跟踪太阳赤纬角变化，移动太阳能电池及其背面的矩形集热管 作往复平移运动的轨迹。

f-变角机构为跟踪太阳赤纬角变化，使本发明作转角运动的轨迹。

A-冬至时本发明所在的位置；B-春、秋分时本发明所在的位置；

C-夏至时本发明所在的位置；

0-太阳光经传光玻璃上的各组条纹后形成的多组条形聚光带的中心点位置。

下面结合附图对本发明的工作原理、工作过程和具体实施方式作进一步说 明。

图1是本发明作为固定式屋顶、幕墙等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电、获 取热能的工作原理图。图1所示冬至太阳光线a1，经传光玻璃(1)后会聚在太阳能 电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在的位置a2上，春、秋分太阳光线b1经传 光玻璃(1)后会聚在太阳能电池(2)及其背面矩形集热管(3)所在的位置b2 上。夏至太阳光线c1，经传光玻璃(1)会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集 热管(3)所在位置c2上。靠调节太阳赤纬角变化的平移机构(11)，移动太阳能 电池(2)及其背面的矩形集热管(3)如图1符号e所示的作平行于传光玻璃(1) 的光滑面又垂直于传光玻璃(1)的直线条纹方向往复平移运动，使不同季节的太 阳光经传光玻璃(1)后形成的聚光带都落在太阳能电池(2)及其背面的矩形集 热管(3)位置上，以便在室内正常接收太阳能进行光伏发电和获取热能。

图2是本发明作为固定式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。图3是图2的俯视 图。图2、图3所示的本发明是靠固定孔(7)用螺栓和建筑物屋顶椽子连在一起， 即用本发明取代了常规的屋顶复盖物。本发明用装有金属板条的衬垫材料密封， 安装的屋顶朝向要使传光玻璃(1)的直线条纹方向平行于地球东西方向，倾角要 适合于太阳光照射的方向使用。本发明能在一年四季相对于建筑物屋顶椽子、墙 体、支架等固定不动情况下，用调节太阳赤纬角变化的平移机构(11)移动太阳 能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)作平行于传光玻璃(1)的光滑面又垂直 于传光玻璃(1)的直线条纹方向往复平移运动。使不同季节入射的太阳光经传光玻 璃(1)后，形成的聚光带都落在太阳能电池(2)及其背面的矩形聚热管(3)所 在的位置上，这样本发明便可一年四季在室内正常接收太阳能进行光伏发电和获 取生活用热能。

图4是本发明作为开启式屋顶、窗等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电获取热 能的工作原理图。图4所示的本发明冬至时所在位置A的太阳光线a1，经传光玻璃 (1)后会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在的位置a2上。本 发明在春、秋分所在位置B的太阳光线b1，经传光玻璃(1)后，会聚在太阳能电池 (2)及其背面的矩形集热管(3)所在的位置b2上。本发明在夏季时所在位置C的太 阳光线c1，经传光玻璃(1)后会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管 (3)所在的位置c2上。靠调节太阳能赤纬角变化的变角机构(10)，使本发明作 如图4符号f所示的转动情况，改变本发明的倾斜角，使不同季节入射的太阳光经传 光玻璃(1)后形成的聚光带都落在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3) 的位置上，以便接收太阳能进行光伏发电并获得生活用热能。

图5是本发明作为开启式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。图6是图5的D向视 图。图5、图6所示的本发明外框(5)的一端用合页(6)和建筑物屋顶椽子(13) 相连，而本发明外框(5)的另一端两边和固定在建筑物的另一根屋顶椽子的变角 机构摆动支撑(12)的一双调节太阳赤纬变化的变角机构(10)相连。由于其变 角机构(10)的连杆可以上下伸缩和摆动(绕变角机构摆动支撑中心点转动)， 这样可使本发明的倾斜角随季节不断变化，保持每天中午12时太阳光和传光玻璃 (1)相垂直，即在这种情况下，入射的太阳光经传光玻璃(1)后形成的聚光带 便会落在太阳能电池(2)及其背面和矩形集热管所在位置上，使本发明能正常接 收太阳能进行光伏发电，并获得生活用热能。本发明和一般现有开启天窗一样可 以在下雨、刮风、夜晚、寒冷等人们不要开窗情况下，随意关上，本发明和天窗 边框(14)之间有防漏密封圈(15)，可以做到不受外界的风、雨、声音、温度等 影响。

图7是本发明作为开启固定式屋顶、窗等建筑构件使用，利用太阳能光伏发电 获得热能的工作原理图。图7所示的本发明在开启状态冬至时所处位置A的太阳光线 a1经传光玻璃(1)后，会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在位 置a2上，本发明在开启状态春、秋分时所处位置B的太阳光线b1，经传光玻璃(1) 后，会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在位置b2上，本发明在 开启状态夏至时所处位置C的太阳光线c1，经传光玻璃(1)后，会聚在太阳能电池( 2)及其背面的矩形集热管(3)所在位置c2上，靠调节太阳赤纬角变化的变角机构 (10)，使本发明作如图(7)符号f所示的转动，改变本发明倾斜角，使不同季节 的太阳光线经传光玻璃(1)后形成的聚光带都能落在太阳能电池(2)及其背面的 矩形集热管(3)的位置上，以便正常接收太阳能进行光伏发电获取生活用热能。 图7所示的本发明固定状态冬至时太阳光线a1经传光玻璃(1)会聚在太阳能电池民 (2)及其背面的矩形集热管(3)所处位置a2上，本发明在固定状态春、秋分时太 阳光线b经传光玻璃(1)后会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所 在位置b2上，本发明固定状态夏至时太阳光线c1，经传光玻璃(1)后会聚在太阳能 电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在位置C2上，靠调节太阳赤纬角变化的平 移机构(11)，移动太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)作图7符号e所示 的平行于传光玻璃(1)的光滑面，又垂直于传光玻璃(1)的直线条纹方向的往复 平移运动，使不同季节的太阳光经传光玻璃(1)后形成的聚光带都能落在太阳能 电池(2)及其背面的矩形集热管(3)所在位置上，以便在室内正常接收太阳能进 行光伏发电，并获得生活用热能。

图8是本发明作为开启固定式屋顶等建筑构件使用的结构示意图。图9是图8的 F向视图。图8、图9所示的本发明外框(5)的一端用合页(6)和建筑物屋顶椽子 (13)相连，而本发明外框(5)另一端两边和固定在建筑物相应的另一根屋顶椽子上的 变角机构摆动支撑(12)的一双调节太阳赤纬角变化的变角机构(10)相连，由于变角 机构(10)的连杆可以作上下伸缩和摆动(即绕变角机构摆动支撑(12)中心点转 动)。这样可使本发明的倾斜角改变，随不同季节的太阳光不断变化，保持每一 天中午12时太阳光与传光玻璃(1)相垂直，即在这种情况下，入射的太阳光经传 光玻璃(1)后形成的聚光带便会落在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管( 3)位置上，使本发明能正常接收太阳光进行光伏发电并获得生活用热能。当气候 寒冷或人们不需要开启情况下便关上。此时本发明相对于建筑物的墙体、支架等 是可以看成固定状态，靠调节太阳赤纬角变化的平移机构(11)移动太阳能电池 (2)及其背面的矩形集热管(3)使入射的太阳光经传光玻璃(1)后形成的聚光 带落在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)的位置上。便可在室内正常接 收太阳能进行光伏发电，并获得生活用热能。本发明和普通开启天窗一样可以在 下雨、刮风、夜晚或其他人们不需要开启情况下关上，不受外界的风、雨、声 音、温度等影响。本发明在开启状态使用时，必须首先用调节太阳赤纬角变化的 平移机构(11)移动太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)处在o位置上， 即是如图7所示的太阳光线经传光玻璃(1)的各组条纹后形成的多组条形聚光带的 中心点o位置上。

本发明太阳能光电部分运行过程为：太阳光经传光玻璃(1)后，会聚在太阳 能电池(2)上，产生的光电流，通过控制器供给直流负载或接入蓄电池或与逆变 器连接，将直流变成交流，给建筑物负载供电或给建筑物以外其他负载供电。

本发明太阳能光热部分使用热水的运行过程为：太阳光经传光玻璃(1)后， 会聚在太阳能电池(2)及其背面的矩形集热管(3)上，加热由集热管冷水入口 (8)引进的自来水变成热水后，通过集热管热水出口(9)流出的热水，经热水管 网进入热水储存箱，供用户使用。

自然采光过程为：室外光线经传光玻璃(1)后，穿过多条太阳能电池(2)及其背 面的矩形集热管(3)之间的间隙和由透明平板玻璃做成的内板(4)，进入室内。