集成式太陽能利用裝置及系統的製作方法

2023-07-28 17:06:56

本發明涉及清潔能源技術領域，具體涉及一種對太陽能進行利用的集成式太陽能利用裝置及系統。

背景技術：

隨著對環境保護的日益重視，太陽能系統得到了越來越廣泛的應用。目前使用的太陽能系統基本可分為供電和供熱兩大類。

在用於供電的太陽能系統中，又可分為採用光電轉換來發電的系統和採用光熱轉換來發電的系統。其中，採用光電轉換來發電的系統主要是利用光伏板直接將所吸收的太陽能部分轉換成電能。而採用光熱轉換來發電的系統主要是利用太陽能對工作介質進行加熱使之汽化，再由汽化的介質驅動汽輪機等發電設備進行發電。此外，也有直接利用熱能來發電的太陽能系統，例如使用斯特林（Stirling）發電機或其他直接熱電轉換裝置的太陽能系統。

不管是哪種類型的太陽能發電系統，目前的能量轉換效率仍有待提升。

技術實現要素：

依據本發明的一方面提供一種集成式太陽能利用裝置，包括至少一個光電轉換元件和至少一個熱電轉換元件。其中熱電轉換元件包括至少一個用於熱量流入的第一熱傳導端，光電轉換元件與第一熱傳導端導熱連接。熱電轉換元件可以是溫差式發電元件或儲能式發電元件。當熱電轉換元件為溫差式發電元件時，其還包括至少一個用於熱量流出的第二熱傳導端，當第一熱傳導端的溫度高於第二熱傳導端的溫度時，熱電轉換元件輸出電能。當熱電轉換元件為儲能式發電元件時，其還包括工作物質，工作物質用於將從第一熱傳導端流入的熱量直接儲存或轉換為化學能進行儲存，以及將所儲存的能量轉換為電能輸出。熱能的直接儲存包括工作物質的溫度升高或者相變，例如液化和汽化。化學能可包括物質分子的化學變化（例如電離、電解、化合和分解等）所儲存的能量。

依據本發明的另一方面提供一種太陽能利用系統，包括上述集成式太陽能利用裝置和第一循環系統。第一循環系統為開放式的或封閉式的循環系統，其包括用於加熱第一工質的容器，第一管道系統，至少一個閥門和至少一個節點設備。容器上設置有至少一個第一工質入口和至少一個第一產物出口，至少集成式太陽能利用裝置中的第二熱傳導端與容器中的第一工質導熱連接。第一管道系統至少與第一產物出口連接，或者，至少與第一工質入口和第一產物出口連接。閥門用於控制第一管道系統中的一段管道的接通和關閉。節點設備連接在第一管道系統中，用於儲存，或者用於能量轉換，或者用於能量交換。

依據本發明的集成式太陽能利用裝置將光電轉換元件與熱電轉換元件集成在一起，利用熱電轉換元件對光電轉換元件產生的熱能進行進一步地電能轉換，使得未被光電轉換元件利用的太陽能能夠再次得到利用，從而可以有效提升利用太陽能發電的能量轉換效率。

依據本發明的太陽能利用系統，將集成式太陽能利用裝置作為熱源置入循環系統中，對循環系統的工質進行加熱，不僅能夠更充分地利用太陽光的能量，也有利於擴展更多的功能，例如可通過循環系統將太陽能轉換為可以利用的其它方式的能量，如蒸汽提供的動能或可供長期儲存的熱能或化學能等。

以下結合附圖，對依據本發明的具體示例進行詳細說明。

附圖說明

圖1是依據本發明的集成式太陽能利用裝置的結構示意圖；

圖2是本發明中用於生成菲涅爾折射面的兩種共軸面的示意圖；

圖3是本發明中具有兩個齒面的聚光元件的示意圖；

圖4是本發明中反射式菲涅爾透鏡的結構示意圖；

圖5是依據本發明的多個熱電轉換元件的一種導熱連接方式示意圖；

圖6是依據本發明的太陽能利用系統的一種結構示意圖；

圖7是實施例1的集成式太陽能利用裝置的示意圖；

圖8是實施例1中熱電轉換元件的等效電路示意圖；

圖9是實施例1中集成有連接電路和導熱元件的PCB示意圖；

圖10是實施例1中連接電路的一種開關布置方式的示意圖；

圖11是實施例1中熱電轉換元件在電路切換後的等效電路示意圖；

圖12是實施例2的集成式太陽能利用裝置的示意圖；

圖13是實施例3的太陽能利用系統的示意圖；

圖14是實施例4的太陽能利用系統的示意圖；

圖15是實施例5的太陽能利用系統的示意圖。

具體實施方式

依據本發明的集成式太陽能利用裝置的一種基本結構可參考圖1，包括光電轉換元件110和熱電轉換元件120。

光電轉換元件110可採用各種能夠直接將光能轉換為電能的元件，例如光伏板、光電薄膜等。所稱光伏板例如可以是單晶矽光伏板、多晶矽光伏板、非晶矽光伏板、複合半導體材料光伏板等。裝置中的光電轉換元件的數量、種類以及布置方式可根據需要進行設計，例如以串聯或並聯或混合的方式進行布置。

優選地，裝置中還可包括至少一個聚光元件（未圖示），用於會聚太陽光以提供給光電轉換元件。聚光元件具有至少一個聚光折射面，其可以具有較大的面積，以接收更多的太陽光。此外，聚光折射面（或者該折射面所在的光學元件的另一面）還可以鍍有用於抗反射、增強透射率的膜，以減少太陽光在聚光元件中的反射損失，提高聚光效率。抗反射鍍膜在一定程度上還能增強聚光元件的抗腐蝕性，從而提高聚光元件的壽命。此外，為提高裝置對極端環境的適應性，還可在聚光元件的鏡片上設置電加熱元件，例如電熱絲，用於除雪或除冰。

將聚光式的光電轉換元件與熱電轉換元件集成，是特別有利的。事實上，熱電轉換效應的發現遠早於光電轉換效應，利用熱能直接發電也比利用光能發電要早。但目前對光電轉換的利用遠遠多於對熱電轉換的利用，一個重要的原因在於，當熱能強度較低時，只能採用直接的熱電轉換方式，而當前光電轉換的效率遠超直接熱電轉換的效率，並且，在相同功率輸出的情況下，光伏板的成本也遠低於熱電轉換器的成本。然而，在使用聚光元件對大面積的太陽光進行會聚後，能夠成倍縮減光伏板的使用量，從而使得產生的熱能更為集中。在這種情況下，只需要配置少量的熱電轉換元件就能夠大幅提高太陽能的直接發電效率，大大提升了使用熱電轉換元件的性價比。當熱能強度足夠強（即會聚的太陽能足夠強）時，還能採用相對高效率的熱能發電裝置，如眾所周知的斯特林（Stirling）發電機和蒸汽發電機等，從而進一步提高太陽能的利用效率。

優選地，聚光折射面可採用由菲涅爾透鏡提供的齒面，為便於理解，以下先對相關概念進行介紹。

菲涅爾（Fresnel）透鏡是一種薄型透鏡。通過將普通透鏡連續的原始曲面分割成若干段，在減少每段的厚度後將各段曲面置於同一平面或同一基本光滑的曲面上即形成為菲涅爾透鏡。這種由原始曲面演變而來的不連續的折射面可稱為菲涅爾折射面，一般呈階梯狀或齒狀。理論上菲涅爾折射面與相應的原始曲面相比具有近似的光學性能，但厚度卻大為減少。可以將由一個原始曲面（或原始曲面的一部分）生成的菲涅爾折射面稱為一個菲涅爾單元。

傳統的用於生成菲涅爾折射面的原始曲面一般為繞光軸對稱的曲面，例如球面、旋轉拋物面等旋轉曲面。傳統的原始曲面的焦點在一個點上，因此，可稱為「共點面」。在本發明中，原始曲面可以是任何形式的共軸面，可根據應用的需要具體設置。所稱共軸面是指焦點在同一直線上（而不一定是在同一個點上）的曲面，該直線可稱為「共軸線」。傳統的共點面可視為共軸面的共軸線退化為一個點時的特例。採用共軸但不共點的原始曲面，可以將用於設置在聚焦位置的感應元件從較小的面積（對應於焦點）擴展為長條形（對應於由焦點組成的共軸線），從而在不顯著增加成本的情況下，提升信號收集的能力並有助於解決局部過熱問題。典型的共軸面包括旋轉曲面（含二次或高階旋轉曲面）、柱面、錐面等。其中柱面又可稱為等截面共軸面，這種曲面沿著共軸線的垂直方向在任何一點切開，所得到的橫截面的形狀和大小都是一致的，圓柱面是柱面的一種特例。錐面沿著共軸線的橫截面則具有相似的形狀但大小不同，圓錐面是錐面的一種特例。圖2示出了以上兩種共軸面，其中圖2(a)為等截面共軸面，圖2(b)為錐形共軸面，其焦點F均位於各自的共軸線L上。

由一個或多個菲涅爾單元組成的宏觀折射面可稱為齒面，與之相對的基本光滑或平坦的面則可稱為背面。可將只含有一個菲涅爾單元的齒面稱為「簡單菲涅爾折射面」，而將含有兩個以上菲涅爾單元的齒面稱為「複合菲涅爾折射面」。一般而言，複合菲涅爾折射面上各個菲涅爾單元的基本參數（例如，面積、焦距、所對應的原始曲面的形狀、分割原始曲面所使用的同心環的數量等）均可以靈活布置，可以完全相同、部分相同或完全不同。在一種實施方式中，複合菲涅爾折射面上的每個菲涅爾單元各自有自己的光學中心，但焦點落在同一個點，或者一條直線，或者一個有限的區域內。這可以通過對構成該複合菲涅爾折射面的每個菲涅爾單元進行空間布置來實現。可以認為這些菲涅爾單元被布置在一個宏觀曲面上，例如平面、二次曲面（包括球面、橢球面、圓柱面、拋物柱面、雙曲柱面）、高階多項式曲面（非球面的通常實現方式）、以及由多個平面拼接成的折面以及梯臺面等。

齒面和背面可以靈活地組合以形成不同類型的元件。例如具有一個齒面和一個背面的菲涅爾透鏡可稱為「單面菲涅爾透鏡」，進一步的，若齒面為「簡單菲涅爾折射面」，則透鏡為「單面簡單菲涅爾透鏡」，若齒面為「複合菲涅爾折射面」，則透鏡為「單面複合菲涅爾透鏡」。兩面都是齒面的菲涅爾透鏡可稱為「雙面菲涅爾透鏡」，並同樣可根據齒面的類型進一步分為「雙面簡單菲涅爾透鏡」和「雙面複合菲涅爾透鏡」。若雙面菲涅爾透鏡的一個齒面為簡單菲涅爾折射面，而另一個齒面為複合菲涅爾折射面，則可稱為「雙面混合菲涅爾透鏡」。此外，作為一種變形，在雙面菲涅爾透鏡中，若齒面之一為「簡單菲涅爾折射面」，則該齒面可以由一個傳統的凸透鏡面或凹透鏡面來取代。

在同一光路上設置兩個或更多的齒面可以使聚光元件具有更好的會聚能力。圖3示出了一種具有兩個齒面的聚光元件，其中，複合菲涅爾折射面s3和簡單菲涅爾折射面s4既可以由一個雙面菲涅爾透鏡同時提供，也可以由兩個單面菲涅爾透鏡分別提供。

值得一提的是，系統中的兩個齒面可以通過設置反射面的方式由同一個物理界面來充當。參考圖4，元件FL1具有反射式的背面s1（內表面為鏡面），背面s1可採用例如在單面菲涅爾透鏡的光滑面鍍反射膜或者粘貼具有反射能力的貼片等方式形成。由於反射，入射光路兩次經過其物理折射界面s2，因此該物理界面等效於兩個齒面，元件FL1也可被稱為反射式菲涅爾透鏡，並且這兩個齒面的凹凸性質是一致的。通過設置反射式背面的方式，能夠簡便地增加光路中的齒面數，降低製作和安裝的成本，並且大大豐富了菲涅爾透鏡的使用形態。

本文中涉及的聚光元件及發散透鏡均可採用具有凸透鏡或凹透鏡光學特性的菲涅爾透鏡或菲涅爾透鏡組合來充當。菲涅爾透鏡可採用玻璃、樹脂、透明塑膠等材料來製作。在採用玻璃時，還可以對玻璃進行鋼化處理以提升其強度和安全性。

熱電轉換元件120包括至少一個用於熱量流入的第一熱傳導端121，光電轉換元件與第一熱傳導端121導熱連接。目前光電轉換元件的轉換效率一般不超過20%，同時會產生大量的熱能，依據本發明，這些熱能可以被傳導給熱電轉換元件以進一步利用。

在一些實施方式中，第一熱傳導端可以直接與光電轉換元件接觸以進行熱傳導，例如通常可設置在光電轉換元件與被太陽光照射的表面（如圖中箭頭所示）相對的另一面處。在另一些實施方式中，第一熱傳導端也可以通過導熱介質（例如導熱矽膠或者導熱液體）或導熱元件（例如金屬板）間接地與光電轉換元件進行熱交換。

熱電轉換元件可採用各種能夠將熱能轉換為電能的元件，例如溫差式發電元件或儲能式發電元件。參考圖1，若熱電轉換元件為溫差式發電元件，其還包括至少一個用於熱量流出的第二熱傳導端122，當第一熱傳導端的溫度高於第二熱傳導端的溫度時，溫差式發電元件輸出電能。溫差式發電元件具體可以是例如半導體熱電轉換器、鹼鹽金屬熱電轉換器（Alkali-metal thermal electric converter）等。若熱電轉換元件為儲能式發電元件，其還包括工作物質，例如正負電極以及電解液，這些工作物質用於將從第一熱傳導端流入的熱量轉換為化學能進行儲存，以及將所儲存的化學能轉換為電能輸出。儲能式發電元件具體可以是例如以加熱方式再生的熔鹽電池（melt salt battery）等。高溫產生的熱能還可用來驅動Stirling發電機、蒸汽發電機等，從而產生高於光伏板的電能轉換效率。需要說明的是，熔鹽電池也可以作為儲能元件設置於裝置中，用於儲存熱能或電能，使得裝置能具有長期能量儲存的能力，不僅能克服太陽能供電不穩定和多餘能量浪費的問題，也能夠進一步提高太陽能的利用效率。

熱能已經被證明是一種可長期(如半年)、高效率（如99%）保存的一種能量形式。熱能可通過熱容量大的物質（如石臘、硝酸鹽）及它們的相變來高密度地儲存，所儲存的熱能可直接利用熱電池（如熔鹽電池）、熱電轉換轉置來發電，也可用來驅動Stirling發電機、蒸汽發電機，餘熱還可用於作為熱水或供暖系統的熱源。

因此充分地利用太陽能所產生的熱能，是提高太陽能利用率、降低太陽能系統成本的一種非常重要和有效的方法，而當前的太陽能發電系統裡未能足夠地重視熱能。其重要原因之一是之前的太陽能聚光系統成本太高而效率不高。而本發明優選地使用菲涅爾透鏡，尤其具有至少兩層聚光折射面和/或有多個菲涅爾透鏡單元的菲涅爾透鏡聚光系統，從而在提高聚光效率的同時，降低了聚光系統的成本，使得對太陽能所產生的熱能的利用更加方便和有效。此外，本發明與之前的太陽能熱電系統（如Stirling太陽能發電機）的不同之處還在於，本發明首先用光電轉換元件接受太陽能，讓20%或更多的太陽能先直接轉換成電能，然後將未被轉換成電能的太陽能熱能（70%左右）通過熱電轉換元件以及進一步的儲存或利用裝置進行儲存和利用，從而大幅提高太陽能的利用效率，並同時解決能量的長期儲存和發電量不穩定的問題。

裝置中的熱電轉換元件的數量、種類以及布置方式可根據需要進行設計。在使用兩個以上的熱電轉換元件時，可以採用相同或不同的類型，並以串聯或並聯的方式與光電轉換元件導熱連接。參考圖5，熱源（光電轉換元件或者為其傳導熱能的導熱元件）210周圍設置有三個熱電轉換元件220a、220b、220c。其中，元件220a和220b以串聯方式與熱源導熱連接，所稱串聯是指前一元件的熱能流出端與後一元件的熱能流入端連接；元件220c與元件220a/220b以並聯方式導熱連接，所稱並聯是指元件以彼此獨立地導熱通路與同一熱源連接。在一些實施方式中，距離熱源最近的熱電轉換元件220a和220c可採用工作溫度較高的類型，例如鹼鹽金屬熱電轉換器、熔鹽電池、蒸汽發電機或Stirling熱能發電機，距離熱源較遠的熱電轉換元件220b可採用工作溫度較低的類型，例如半導體熱電轉換器。

此外，當採用溫差式發電元件時，為保持溫差以提高轉換效率，第二熱傳導端可以與冷卻介質131導熱連接。例如，第二熱傳導端（或者為其傳導熱能的導熱元件）可設置於裝置底部並被浸泡在液體池中。液體池具體可以是水箱、池塘、湖泊、河流或海洋。裝置底部的外表面可相應地進行防水或防腐處理，裝置的外形也可進行適應性設計，例如設計為盆形，以便安裝於水面。優選地，所使用的冷卻介質還作為熱能儲存器的工作物質，以便於對能量進行進一步的回收利用，例如用於提供熱水或房間供熱。

優選地，光電轉換元件和熱電轉換元件中的至少一者設置於一封閉腔體中，或者二者分別設置在兩個相互嵌套的封閉腔體中，位於內部的腔體可優選用於設置光電轉換元件。當光電轉換元件設置於封閉腔體中時，該封閉腔體上還設置有至少一個光線入口，太陽光由導光元件引導經過光線入口進入到封閉腔體內。

為更好地儲存和利用由太陽能轉換得到的電能，還可以附加配置或者在裝置中進一步集成以下列出的附加元件（未圖示）：

電能儲存器，其與發電元件（例如光電和熱電轉換元件）電連接，用於儲存電能。電能儲存器可選自超級電容、可充電電池、熔鹽電池和空氣壓縮機等。電能儲存器可通過連接的直流電壓輸出裝置直接向用戶提供各種電壓的直流輸出。

交流逆變器，其與電能儲存器電連接或直接與發電元件電連接，用於將發電元件輸出的直流電轉換為交流電，例如60赫茲的120V或50赫茲的220V，其既可以直接向用戶提供交流輸出，也可以外接連網開關櫃，將電能回饋到電網中。

狀態感應器和狀態顯示器，分別用於感應和顯示各種運行參數，這些運行參數可選自以下集合中的一種或多種：電壓、電流、功率、冷卻介質或其他工作物質的存量、壓力和溫度等。

控制器，用於根據狀態感應器的感應結果對裝置的工作狀態進行控制。例如，控制整個裝置的啟動和關閉，選擇工作模式，在感應到參數出現異常時進行自動報警等。

依據本發明的集成式太陽能利用裝置不僅能顯著增加太陽光直接轉換為電能的效率，還可以降低光電轉換元件的溫度，從而延長其使用壽命。

依據本發明的太陽能利用系統的一種結構示意圖可參考圖6，包括依據本發明的各種集成式太陽能利用裝置以及第一循環系統。

第一循環系統可以是開放式的或封閉式的循環系統。本文中所稱「開放式的」是指系統中的工質是開路循環的，工質可以流出到系統外並從系統外補充，例如，在以水作為工質時，從外部供水系統接入冷水，然後將加熱後的水提供給用戶使用的系統即為一種開放式的循環系統，或者將水電解為氫氣和氧氣釋放出去的系統也是一種開放式的循環系統。在開放式的循環系統中，管道並不需要構成迴路。所稱「封閉式的」是指系統中的工質為閉路循環的，工質在系統內部循環，基本不會產生損耗，例如，以製冷劑作為工質，使其在壓縮機內壓縮散熱，然後在換熱器處膨脹吸熱的系統即為一種封閉式的循環系統。在封閉式的循環系統中，管道需要構成迴路。一個循環系統也可以在開放式和封閉式之間切換，例如在管道構成迴路的情況下，通過關閉系統對外連接的閥門使得系統從開放式系統變為封閉式系統。

第一循環系統包括容器332、由若干管道333（未完全標識出，圖中的箭頭表示管道中流體的流向）組成的第一管道系統、若干個閥門334（未完全標識出）和若干個節點設備335a、335b、335c、335d。

容器332用於加熱第一工質。容器上設置有至少一個第一工質入口3321和至少一個第一產物出口3322。至少集成式太陽能利用裝置（未圖示）中的第二熱傳導端與容器中的第一工質導熱連接。例如，第二熱傳導端可浸泡在容器中。

在一些實施方式中，集成式太陽能利用裝置可整體或部分浸泡在容器中。在另一些實施方式中，容器同時也是集成式太陽能利用裝置的一部分，第一工質從集成式太陽能利用裝置中流過。對於開放式的循環系統而言，第一工質可以是水或空氣等。對於封閉式的循環系統而言，也可以根據需要選擇其他類型的第一工質，例如：酒精、製冷劑（氟利昂等）、液氮。

第一管道系統至少與第一產物出口連接，或者，參照圖3，至少與第一工質入口和第一產物出口連接。

本實施例中採用閥門來控制第一管道系統中的管道的接通和關閉，每個閥門控制一段管道，可以根據需要給全部或部分管道配置閥門。簡明起見，圖中省略了部分設置在管道上的閥門。閥門可以是自動閥門，例如由管道中的壓力控制開啟或關閉的閥門，也可以是按照控制系統的指令進行電動控制的閥門。所採用的閥門還可以具有控制流量的功能。

節點設備連接在第一管道系統中，用於儲存，或者用於能量轉換，或者用於能量交換。通過配置各種節點設備能夠實現豐富的功能。

圖6中，假定第一工質為淡水或海水，第一產物為水蒸汽。節點設備335a為汽輪發電機，可利用水蒸汽發電。節點設備335b為蒸汽儲存罐或空氣壓縮機，可用於儲存能量。節點設備335c和335d分別為按照產物流向順次連接的電解爐和反應爐。其中，電解爐用於接收水蒸汽並電解為氫氣H2和氧氣O2。電解產生的氧氣可以接入儲氣罐（未圖示）使之形成為工業用或醫用氧氣瓶。電解產生的氫氣可以經過壓縮機的壓縮後儲存起來，用作氫燃料電池或內燃機的燃料，可選地或替代地，還可以被用於生成進一步的可儲存的能源。反應爐用於接收電解爐生成的氫氣以及來自外部的含有二氧化碳CO2的氣體（例如空氣）並反應生成甲烷CH4（Methane）和水H2O。反應爐需要被加溫，例如可採用太陽能聚光加熱的方式來獲得反應需要的高溫，在一些實施方式中也可以採用完全電加熱或輔助電加熱的方式。反應爐所產生的甲烷可以被壓縮後儲存起來，或者也可經過一個安全的（無火花的）汽輪發電機後再被壓縮和儲存，以達到發電和冷卻的雙重效果。反應爐所產生的水則可回流到容器332，以實現水的循環以及餘熱的再利用。

在一些實施方式中，可選擇一種或幾種不同的節點設備。在另一些實施方式中，同一種節點設備也可以設置多個，例如，根據水蒸汽產生量的大小，可以串聯或並聯地設置多個汽體儲存裝置和汽輪發電機。通過配置各種節點設備，不僅能夠更充分地利用太陽能，還能夠實現能量短期或長期儲存、海水淡化、工業制氧等功能。

以下對依據本發明的裝置和系統的進行舉例說明。

實施例1

依據本發明的集成式太陽能利用裝置的一種實施方式可參考圖7至圖11，包括光電轉換元件410和熱電轉換元件420。

本實施例中，光電轉換元件採用光伏板，其可由若干個光伏模塊組成。熱電轉換元件採用半導體熱電轉換器，其由若干對P型和N型電臂連接而成，例如串聯或並聯或混合式連接。可以根據熱電轉換元件的設計需要為其配置連接電路，例如，可配置第一連接電路以用於提供熱電轉換元件位於第一熱傳導端處的部件之間的導電連接，或者用於提供熱電轉換元件與光電轉換元件之間的導電連接。還可配置第二連接電路，用於提供熱電轉換元件位於第二熱傳導端處的部件之間的導電連接。當然，若所選擇的熱電轉換元件並不具有第二熱傳導端，也可不必配置第二連接電路。

半導體熱電轉換器的一種等效電路示意圖可參考圖8，當溫度T1>T2時，熱量沿箭頭方向流動，即可在正極V+與負極V-之間輸出電能。每個電臂具有第一熱傳導端421和第二熱傳導端422。簡明起見，圖7中僅示出了一對P型和N型電臂。

本實施例中，光伏板410通過第一導熱元件441a與第一熱傳導端421導熱連接。並且，參考圖9，作為一種優選的實施方式，第一導熱元件與第一連接電路442a集成於同一基板440a。基板可以是剛性或柔性的，例如可採用印刷線路板PCB或者柔性印刷線路板FPC。需要說明的是，圖9僅示出了電路與導熱元件的一種簡單的集成方式，即，彼此隔離地布置在基板的不同區域，但是在其他實施方式中，若基板本身即具有良好的導熱性，例如採用具有絕緣包覆的金屬基板，此時基板自身即可視為導熱元件。

類似地，還可包括至少一個第二導熱元件441b，用於傳導第二熱傳導端422流出的熱量。同樣地，第二導熱元件也可以與第二連接電路442b集成於同一基板440b。並且，若第一連接電路和第二連接電路之間需要電連接，還可以在兩個基板之間設置額外的連接線442c。

為適應某些使用環境，裝置還可包括一個封閉腔體490（為便於說明，圖示為透明的，實際可以是透明或不透明的），光伏板設置在封閉腔體的一個外表面上，例如，光伏板可形成為該腔體的壁的一部分。熱電轉換元件設置在腔體內，第二熱傳導端通過腔體的另一外表面與外部環境進行熱交換。例如，可將第二熱傳導端或者第二導熱元件浸泡在不導電的導熱液體491中，從而與外部環境進行熱交換。為進一步地利用未被熱電轉換元件轉換的熱能，還可將封閉腔體490設置在水箱432中，以對其中的水431進行加熱，從而利用餘熱提供熱水（供水管道未圖示）。當然，水箱432也可以是水庫、湖泊或海洋等。

採用PCB將連接電路和導熱元件集成在一起是特別有利的。一方面，集成式的設計能夠保障裝置的熱通路和電通路的穩定性和可靠性。另一方面，也使得結構更為簡單和緊湊，更加有利於熱量的傳導。更重要的是，基於已有的豐富而成熟的PCB線路設計和製作技術，能夠方便地在基板上設計各種單層或多層的電路，以及集成各種測量、控制、開關器件，例如圖9中的開關443，以實現所期望的功能。

參考圖10，是一種示例性的開關布置方式，其中第一連接電路與第二連接電路之間導電連接，整個電路中設置有若干開關。顯然，通過控制開關的通斷，能夠容易地得到圖8所示的等效電路，以使得半導體熱電轉換器工作於常規模式下，即T1>T2，並輸出電能。

基於熱電轉換元件的功能的可逆性，在需要的情況下，例如需要利用第二熱傳導端作為加熱用的工作面的情況，可以通過連通正極V+和負極V-與外部電源相連的開關（未圖示）來向圖8所示的熱電轉換元件輸入電能，使得第一熱傳導端的溫度T1降低而第二熱傳導端的溫度T2升高。所稱外部電源例如可以是光電轉換元件410或者其他外部電源。

圖10所示的開關還可用於進行電路切換，例如得到圖11所示的等效電路，其適用於第一熱傳導端和第二熱傳導端的溫度發生逆轉的情況。這種情況下，第二熱傳導端還用於熱量流入，第一熱傳導端還用於熱量流出。當第二熱傳導端的溫度T2高於第一熱傳導端的溫度T1時，熱電轉換元件輸出電能。這種逆轉的發電模式的一個適用場景是：在白天被加熱的熱水431如果在晚上沒有被用完，則可切換至該模式，利用熱水的熱量繼續發電。另一適用場景是：在較為寒冷的地區，封閉腔體490被浸泡在海水或湖水中；白天，光伏板的溫度高於水溫，則裝置以正常模式工作，而晚上，水溫高於光伏板的溫度，則可切換為逆轉的發電模式繼續發電。

當然，根據需要，圖11所示的熱電轉換元件同樣也可以被輸入電能，使得第二熱傳導端的溫度降低而第一熱傳導端的溫度升高，例如可用於對光伏板進行加熱以除冰或除霜。

本實施例裝置在用於建造大型太陽能電站時，適合安裝於水面。由於太陽能系統通常需要佔用很大的面積，安裝在水面上能有效節省對陸地的佔用，而且能夠方便地對裝置進行冷卻，有利於提高能量轉換效率以及使用壽命。

本實施例中僅以半導體熱電轉換器為例進行說明，本領域技術人員應當理解，還可採用其他的溫差型熱電轉換元件，具體的電路設計以及開關控制方式均可根據實際元件的類型以及應用場景的需要進行變化。

實施例2

依據本發明的集成式太陽能利用裝置的另一種實施方式可參考圖12，包括光電轉換元件710，熱電轉換元件720和用作聚光元件的一透射式菲涅爾透鏡751和一反射式菲涅爾透鏡752。

光電轉換元件710採用能夠從正面和反面兩個方向吸收入射的太陽光的雙面元件，例如雙面雙層光伏板，其設置於透射式菲涅爾透鏡和反射式菲涅爾透鏡之間，使得兩面分別接收由所面對的透鏡會聚的太陽光。

熱電轉換元件720形成為光電轉換元件的支撐物，其第一熱傳導端721相對於光電轉換元件固定，其第二熱傳導端722相對於反射式菲涅爾透鏡固定。例如，參考圖12，第二熱傳導端可設置於反射式菲涅爾透鏡下方。在其他實施方式中，第二熱傳導端還可與反射式菲涅爾透鏡導熱連接。由於反射式菲涅爾透鏡的反射面通常為金屬鍍膜，因此可以提供很好的導熱效果。安全起見，反射面的鍍膜可採用導熱不導電的材質，例如氧化鋁等。

依據本發明的裝置中的第一熱傳導端和第二熱傳導端均可採用實施例一中所描述的集成式基板，以便於設置例如開關以及切換工作模式的控制電路等，以適用於不同的環境狀態。

本實施例裝置通過巧妙組合的聚光元件來增強會聚能力以減小光伏板的面積，並使用熱電轉換元件來充當光伏板的支撐物，因此結構簡單，在大規模使用時更具有成本優勢，尤其適合用於水面安裝。本實施例中的熱電轉換元件若具有在溫差方向逆轉時進行電路切換的功能，當水面溫度高於大氣溫度時，熱電轉換元件也能發電。

本實施例裝置也適用於作為路燈的一部分或安裝於停車場。

實施例3

依據本發明的太陽能利用系統一種實施方式可參考圖13，包括集成式太陽能利用裝置和第一循環系統。

本實施例系統中的集成式太陽能利用裝置包括光電轉換元件510、熱電轉換元件520、封閉腔體590、聚光元件550和導光元件553。

封閉腔體590上設置有一個光線入口。本文中「封閉」的含義是指，入射到腔體中的太陽光和/或存在於腔體中的物質（若有）不會自由散失。一方面，對於通過光線入口進入到腔體內的太陽光而言，不會穿過腔體的壁離開腔體而散失，例如可使用反光材料來製作腔體。另一方面，對於存在於腔體中的物質而言，或者被完全封閉在腔體中，或者採用可控的方式與外部連通，例如通過帶有閥門的管道與外部連通，由於連通的受控性，其不會破壞腔體「封閉」的含義。

光電轉換元件510，例如光伏板，設置在封閉腔體的內壁上，或者設置在封閉腔體的內部空間中。作為一種優選的實施方式，可以在封閉腔體的內表面設置光反射元件，例如，封閉腔體的內表面可以由光伏板和反射鏡鋪滿，使得進入腔體的太陽光能夠充分地被光電轉換元件利用。

熱電轉換元件520設置在封閉腔體的外壁，具體而言，其第一熱傳導端緊貼圍繞在封閉腔體外部，以充分地吸收封閉腔體內產生的熱量。在其他實施例中，熱電轉換元件的第一熱傳導端可以至少部分地圍繞封閉腔體。

聚光元件550用於將太陽光會聚到導光元件的光路入口。本實施例中，具有兩個沿光路方向依次設置的聚光折射面551、552，以獲得更強的會聚效果。

導光元件553與所對應的光線入口密閉配合，用於引導聚光元件收集的太陽光經過光線入口進入到封閉腔體內。導光元件可依據各種已有的光傳導技術來製作，例如，可採用實心透明材料或空心管道製作，其外表面或內表面鍍有反射膜，使得太陽光在進入導光元件後只能前行到光線入口併入射到腔體中。

優選地，本實施例中還包括發散透鏡554（例如凹形菲涅爾透鏡），設置於光線入口。使用發散透鏡可以使得進入光線入口的太陽光被發散開，以儘可能的避免太陽光在照射到光線入口所面對的壁（例如光伏板或反射鏡）後被反射回來，又通過光線入口射出腔體。在其他實施方式中，也可以不使用發散透鏡，而通過其他方式來減少或避免太陽光從光線入口散失，例如，可以將導光元件插入到腔體中適當的深度，或者可以使導光元件的出光方向與其面對的內壁的法線方向具有夾角，或者在腔體內正對導光元件的出光方向的位置設置散射元件等。這些不同的方式可以互相配合使用。

本實施例中示意性地示出了一個光線入口，以及對應的一個導光元件和一個聚光元件，在其他實施方式中，也可以為封閉腔體配置多個光線入口以及對應的多個導光元件和多個聚光元件。

與本文之前的描述類似，第一循環系統包括容器532、由若干管道533組成的第一管道系統、若干個閥門（未圖示）和節點設備（未圖示）。容器532上設置有至少一個第一工質入口5321和至少一個第一產物出口5322。本實施例中，集成式太陽能利用裝置的完全容納在容器532中，第一循環系統的工質為水，第一產物為水蒸汽。

工作時，冷水沿箭頭方向通過入口5321進入容器532，受熱汽化後沿箭頭方向通過出口5322流出，並在後續的節點設備中被儲存或利用。

在其他實施方式中，也可以省去容器532，而由封閉腔體590來替代。

採用本實施例的封閉式太陽能利用裝置，一方面太陽光被會聚在封閉的腔體中，其能量幾乎被完全轉換為熱能或電能，避免了能量的散失，另一方面，剩餘的未被熱電轉換元件轉換的熱能也通過加熱工質被利用，進一步提高了對太陽能的利用效率，並能夠獲得更豐富的功能，例如提供熱水，或者實現海水淡化，或者利用水蒸汽來進行再次發電等。此外，由於光伏板及反射鏡等元件均封閉在腔體中，不僅不會產生光汙染，也不會對周邊的生態環境產生不利影響。

本實施例與其它的太陽能發電系統或太陽能熱能利用系統有三個明顯的差別：其一，太陽能首先被用於直接轉換為電能，未被轉換為電能的太陽能被轉換為熱能後，被再次利用；其二，在將熱能傳導至工質的熱通道（在本實施例中即為封閉腔體590的壁）上設置有熱電轉換元件，換言之，熱能在被用於對工質進行加熱之前，又部分地被直接轉換成了電能；其三，光電轉換元件和熱電轉換元件都被設置在相對封閉的腔體或容器裡，因此，無論是光能還是熱能，都能得到充分地利用。

實施例4

依據本發明的太陽能利用系統的另一種實施方式可參考圖14，包括集成式太陽能利用裝置和第一循環系統。

本實施例系統中的集成式太陽能利用裝置與實施例3中的類似，包括光電轉換元件610、熱電轉換元件620、封閉腔體690、聚光元件650和導光元件653，除以下明確說明的特別之處以外，可參照實施例3中的描述。封閉腔體690內還可設置透明性較好、熱容量大的儲熱物質，如石蠟、矽膠、透明液體等。

光電轉換元件610為光伏板，設置在封閉腔體頂部的內表面上。熱電轉換元件620的第一熱傳導端621則緊貼封閉腔體頂部的外表面。其第二熱傳導端622形成的平面可用作工作面。本實施例中的熱電轉換元件為功能可逆的溫差式熱電轉換元件，既可以利用溫差發電，也能輸入外部電能進行製冷/制熱。

簡明起見，圖14中僅示出了第一循環系統的容器632（也可以是為容器傳導熱能的導熱元件），其餘詳細描述可參照本文中之前的內容。容器632可以是移動式的熱水箱。

當工作面空閒時，熱水箱632可放置在工作面上，用來吸收元件620未能轉換的熱量。當需要使用工作面時，例如使用工作面作為加熱面來進行烹飪時，則可將熱水箱632移開以便於操作。在太陽光不足或者工作面溫度達不到使用要求時，還可以逆轉熱電轉換元件的功能，即，向熱電轉換元件輸入電能以對工作面進行加熱。在某些實施例中，還可以直接在工作面上設置輔助電加熱的線路，使其在需要時成為電爐。

此外，為起到保溫以及安全防護的作用，還可以在封閉腔體的外表面設置隔熱護板（或額外的熱電轉換元件）636。圖14中僅示例性地示出了兩塊護板（或額外的熱電轉換元件），在實際使用中，可以使用護板包裹封閉腔體的四周。

本實施例的系統，不僅具有增強的光能直接發電效率，而且未被轉換的餘熱也能得到充分的利用。這種系統，尤其適用於寒冷的北方和野外工作使用。

實施例5

依據本發明的太陽能利用系統的另一種實施方式可參考圖15。本實施例是一個高效率、高能量密度的太陽能利用系統，並且還具備能量儲存以及供熱功能，尤其適合用於酒店、工廠、辦公樓、獨立住宅、發電廠等場所。

本實施例系統包括集成式太陽能利用裝置和第一循環系統。其中集成式太陽能利用裝置包括光電轉換元件（光伏板）810、熱電轉換元件820、封閉腔體890、聚光元件850、導光元件853和熱能儲存器891。

封閉腔體890的內表面由光伏板和反射鏡鋪滿，熱電轉換元件820鋪設在其外表面。封閉腔體內正對光線入口之處，可設置一錐形反射體855，用以改變入射光的方向，以避免其從光線入口處反射出去。太陽能通過由兩個菲涅爾聚光透鏡851和852組成的聚光元件850以及導光元件853被引入到封閉腔體內部。所使用的菲涅爾聚光透鏡可以為簡單菲涅爾透鏡，也可以為複合菲涅爾透鏡。

熱能儲存器891包裹在封閉腔體周圍，其內部填充有熱容量大的儲熱物質，例如可以是熔鹽、石蠟、低熔點金屬化合物等。熱能儲存器內部的熱能可通過一個熱流量可控制的熱交換通道與外部導熱連接。

示例性地，本實施例中的熱流量可控制的熱交換通道為一個可移動的隔熱板892。當隔熱板移開使得導熱通道越大時，熱能儲存器對外釋放的熱流量就越大。在其它實施方式中，熱交換通道也可以是帶有閥門的熱交換管道、電磁控制的金屬導熱開關等等。

簡明起見，圖15中僅示出了第一循環系統的容器832，其餘詳細描述可參照本文中之前的內容。容器832將熱能儲存器包裹在其中。第一工質自入口8321進入，而第一產物自出口8322流出。由於熱能儲存器所使用的儲熱物質通常是昂貴的，而且具有危險性，因此本實施例中將其封閉在熱能儲存器內，通過其與第一循環系統的工質在容器832中的熱交換來實現對熱能的利用。優選地，為了充分地利用熱能發電，在熱能儲存器與容器之間的熱交換通道上，還可進一步設置熱電轉換元件893。例如，為了提高熱能發電率，可以在所有的熱交換通道上設置熱電轉換元件。

根據實際應用的需要，出口8322可以與蒸汽發電機相連，也可與Stirling發電機或其它的熱能利用系統相連。

在日照充足的地區，如果將本實施例系統應用於新建的建築設施，即可實現該建築的能源自給以及能量的季節性儲存（比如夏能冬用）。

以上應用具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，應該理解，以上實施方式只是用於幫助理解本發明，而不應理解為對本發明的限制。對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，可以對上述具體實施方式進行變化。