CN101106167B - 光伏光热(pvt)集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可并入PVT集热器中的太阳能电池和热水器板组件。

Description

光伏光热(PVT)集热器
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其是产生热水和电的太阳能电池。
背景技术
传统的PVT集热器使用无定形的硅PV(光伏)模块，带有由玻璃制成的顶层作为受光器。当阳光传播至PV模块时，一些太阳能将转变为热量并被传导至阳光辐射板，该阳光辐射板与PV模块具有相同的尺寸，通过使用导热环氧树脂连接在PV模块下。然后热量被传导至在阳光辐射板下的铜管中流动的水，以产生热水。产生的电从直流电转变为交流电，用于马上与现有的配电系统直接连接。这种系统已经公开在国家科技发展署(National Science and Technology DevelopmentAgency)的泰国申请第058163号中，题目为“无定形硅PVT集热器”，其中使用无定形的太阳能电池膜直接连接在受热板上，以将热量传导至热水管道，这样热水可用于各种应用中。
在以后的时间，为改进PVT集热器和安装方法进行了尝试，即日本专利申请第7169986号“无定形太阳能电池的密封方法”，其目的是通过提供带有玻璃板的PV模块，无定形太阳能电池在其一侧，EVA(乙烯醋酸乙烯酯)板放置在顶部，安装在支撑板上，从而降低安装无定形硅PV模块的成本。然后整个组件通过使用轧辊在70℃左右经层压工艺以消除气泡，并软化EVA板。之后，组件在130℃和5巴的压力下热处理大约1小时，然后使其在室温下冷却。但，将用于生产热水的铜管安装至支撑板上仍然是一个棘手的工艺。
已公布的日本专利申请第2000241030号“太阳能热的热电转换热水器面板”，的目的是通过将太阳能电池板和用于从太阳能生产热水的系统的导热铜管板结合成相同框架内的一个单元以便更容易地安装，从而简化了PVT集热器的安装。但，在工作一段时间后可能会发生漏水，导致电气系统的短路。
已公布的日本专利申请第58-095147号“太阳能热收集装置的制造”显示根据已公布的日本专利申请第57-041838号中的方法，通过直接加压焊接至铝板上来安装带有集热铝板的铜管，后一篇申请题为“制造含铜管的铝板”，其显示了将铜管安装至集热铝板的方法，该方法是通过辊压铝条，将其缠绕在铜管上制成环形，然后在将其连接在导热铝板之前将支撑腿焊接在一起。在该发明的安装过程中需要焊接，这是一种复杂的工艺，并且耗时。
上面的发明，尽管其产生了所需的热水和电，但其缺点是各部件通过环氧树脂层或焊接相互连接，从而产生热损失。粘结材料的成本也使人关注。这已经限制了该设备的实际应用。除此之外，其安装仍然有点复杂，并且由此产生的费用较高。
因此，仍然需要开发容易安装，安装成本低的PVT集热器。
发明内容
本发明的目的是开发高效PVT集热器，能有效地利用太阳能，并很容易地以低安装成本进行安装。
在本发明的一个实施方式中，PVT集热器包括太阳能电池板，和热水器装置，该装置由安装在玻璃制成的基板上的用于从太阳能产生电的相当数量的无定形硅太阳能电池组成。也有一层透明聚合物如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)用作将玻璃和太阳能电池粘结在金属板上的胶，所述的金属板用于从太阳光收集热量进行水的加热。这种金属板的太阳能电池一侧涂布有透明的电绝缘体如Unithane(一种聚氨酯)来防止短路，而在金属板另一侧是一层透明聚合物如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)，该聚合物用于将该金属板固定在由金属制成的管道紧固件上，同时，一些锁紧机构以半圆形垂直于这些紧固件，以便通过将铜管与金属板夹持在一起而固定铜管。一旦水流过铜管，太阳热将被传导给水，水将被储存在热水箱中备用。
在本发明的另一个实施方式中，如上所述的PV模块组件可连接在三层铝框架上。顶层是安装玻璃板以建立温室效应的空间。框架的中层是用于安装太阳能电池板和热水器单元。下层是用于热绝缘体位置。所有都固定在铝框架内，在框架侧面有孔洞用于水管和电线从框架中进出。
还是在本发明的另一个实施方式中，PVT集热器包括安装在玻璃制基板上的用于从太阳能产生电的一些无定形硅太阳能电池。此外，PVT集热器可包括一层透明聚合物如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)以将玻璃和太阳能电池粘合在金属板上，该金属板从太阳能收集热量以产生热水。连接太阳能电池的金属板的一侧涂布有一层透明的电绝缘体如Unithane以防止短路。金属板的另一侧涂布有一层透明的聚合物如EVA(乙烯醋酸乙烯酯)以便将该金属板与金属制成的锁板固定。锁板包括一些半圆形的与锁板垂直的管道锁定部件，用于将铜管固定在金属板上。在一个实施例中，铜管通过夹持铜管的方式与锁板连接。当水流过铜管时，热量从太阳能传导至水以进一步使用。在一个实施例中，上述热水器和产生电的组件将被安装在一个框架中，框架的顶侧安装了玻璃以建立温室效应，下侧安装有热绝缘体。
还是在本发明的另一个实施方式中，提供了用于连接装有液体的管道的太阳能电池和热水器组件。太阳能电池和热水器组件包括用作基板的透明板；固定在透明板上的太阳能电池；和由涂布有电绝缘体的导热金属制成的集热金属板。配置电绝缘体以防止短路和腐蚀。太阳能电池和热水器组件进一步包括第一层聚合物胶，其将透明板和集热金属板粘结在一起；紧固板，其包括保持管道的夹具，该紧固板是由导热材料制成的；和第二层聚合物胶，其将集热板和电绝缘体的组合粘结在紧固板上，这样太阳的热量能被传导至导热管道中的液体中。
仍然在本发明的另一个实施方式中，提供了一种PVT集热器。该PVT集热器包括一个安装框架，其具有顶部、中部和底部；安装在安装框架顶部以建立温室效应的受光器玻璃板；安装在框架中部的太阳能电池和热水器板组件，太阳能电池和热水器板组件被配置成将太阳能转变成电能和热能；安装在框架底部的热绝缘体；和固定在底部以隔绝水分的盖板。太阳能电池和热水器板组件包括用作基板的透明板；固定到透明板上的太阳能电池；和由涂布有电绝缘体的导热金属制成的集热金属板。配置电绝缘体以防止短路和腐蚀。太阳能电池和热水器组件进一步包括第一层聚合物胶，其使透明板和集热金属板粘结在一起；紧固板，其包括固定管道的夹具，该紧固板是由导热材料制成的；和第二层聚合物胶，其将集热板和电绝缘体的组合粘结在紧固板上，这样太阳的热量可被传导至导热管道中的液体中。
仍然在本发明的另一个实施方式中，提供了一种PVT集热器。PVT集热器包括一个框架；，经框架的外部进入框架的内部，并再次回到框架的外部的载液导管；和与框架连接的太阳能电池和热水器板组件。太阳能电池和热水器板组件包括透明基板；固定到透明基板上的太阳能电池；紧靠太阳能电池定位的集热板；第一层聚合物固定材料，其使透明板和集热金属板粘结在一起；紧固板，其包括与框架内部的载液导管接合的第一部分，该部分将载液导管与紧固板连接；和第二层聚合物固定材料，其将集热板粘结在紧固板上，这样在工作过程中，太阳热从集热板被传导至载液导管中的液体。
在了解了下面对实施本发明的最佳方式的详述之后，本发明的其他特征对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
参考附图进行附图的详细描述，其中：
图1：根据本发明的太阳能电池和热水器板组件的各层的横截面图。
图2：根据本发明的铜管紧固件。
图3：用于将图1中的太阳能电池和热水器板组件固定在一起以构成根据本发明的PVT集热器的框架。
图4：根据本发明的所有部件的安装框架的方法。
图5：根据本发明的PVT集热器的所有部件。
图6：根据本发明的PVT集热器。
在几个视图中对应的参考符号表示对应的部件。尽管附图代表本发明的实施方式，但附图不需要按比例放大，某些特征可被放大以便更好地说明和理解本发明。在此提出的实例以几种形式说明了本发明的实施方式，但这种举例不应被解释为以任何形式限制本发明的范围。
具体实施方式
通过由使用说明性的附图涉及的本发明的实施例对本发明进行描述。在这些附图中的相同元件或部件由相同的参考数字来表示，而不是为了进行限制。本发明的范围应根据所附带的权利要求书。下面所讨论的实施方式不应被认为是穷尽的，或不应将本发明限制于下面详述中所公开的具体形式。另外，选择和描述这些实施方式以便使本领域其他技术人员能够利用其专业知识来理解。
图1图示了根据本发明的一个实施方式的是PVT集热器的一部分的太阳能电池和热水器管道组件各层的横截面。
根据图1，太阳能电池和热水器板组件10包括用于保护太阳能电池14的用作基板的透明玻璃12，该玻璃由无定形硅制成，因为这种材料在高温下具有稳定的功能。但，也可使用其他类型的太阳能电池。第一层聚合物胶15由EVA(乙烯醋酸乙烯酯)制成，例如用于将透明玻璃板12固定至集热金属板17上，该金属板由导热金属如锌、铁、铜、铝等制成。金属板17最好用电绝缘体16涂布以防止由大气中的水分冷凝引起的短路和腐蚀。电绝缘体16的实例包括Unitane，一种聚氨酯。涂布绝缘体的金属16、17用第二层聚合物胶18固定在管道紧固件20上。用于将传热管(见图4中的管道43)固定至涂布绝缘体的集热金属板16、17的管道紧固件20将太阳光的热量传导至传热管43中的水。管道紧固件20的图示细节显示在图2中，后面将进一步描述。
图2图示了热水器管道紧固件的布局图。
图示的管道紧固件20是具有良好导热能力的金属板，如铜、铝、镀锌铁等。在一个实施方式中，其具有矩形形状，长度为大约180mm，宽度为大约125mm。如果需要，管道紧固件20的尺寸可以改变。在一个实施方式中，每个管道紧固件20都由用于固定21、22，如边缘端(the edge end)22和带凹口的凹槽21的装置组成，在一个实施方式中，边缘端22和带凹口的凹槽21通常与板一样长。边缘端22能非常合适地安装在带凹口的凹槽21内以在邻近的管道紧固件20之间准确地啮合。在一个实施方式中，紧固件板20由夹具或固定管道23的元件或至少一段安装在板中部附近的固定轨道组成。对于更好的方案，这些用于固定管道的元件与紧固件板最大程度的接触以便最大程度地将热量从紧固件板传导至管道和管道内的载热液体。例如它们可被制成“S”形。但，这会造成更复杂的安装，因为需要将导热管道弯曲成与固定至管道23上的元件相同的形状。在一个实施方式中，管道固定元件23可以是“U”形或半圆形横截面的直轨，其与板的平面是垂直的。在一个实施方式中，管道固定元件23的宽度通常在0.5英寸左右，这样它可与直径为0.5英寸的导热铜管固定在一起。在一个实施方式中，为了通过夹持在这种“U”形轨中来安装导热管道，管道固定元件23与紧固件板20一样长。在一个实施方式中，管道固定元件23应由可与板20焊接的金属制成。在另一个实施方式中，管道固定元件23用螺丝固定，或是与金属板在一起铸成一片的铝板。
在一个实施方式中，两块紧固件板20相互贴近连接安装在一起，两块板的长边平行。然后将第一块紧固件板20的边缘端22插入进第二块紧固件板20的带凹口凹槽21中，并啮合在一起。进一步重复使用紧固件板20直至达到所需的尺寸。
太阳能电池和热水器板组件的组装
太阳能电池和热水器板组件10是本发明的PVT集热器的一部分。在一个实施方式中，太阳能电池和热水器板组件10的组装是通过下述步骤进行的：将所有的受光器连接至由安装在玻璃板12上的PV模块14组成的一块工件上，施加上第一层聚合物胶EVA 15和电绝缘体以形成涂布绝缘体的金属板16、17(在一个实施方式中是Unitane)，施加第二层聚合物胶EVA 18，并施加管道紧固件20，每个部件的组装显示在图1中。在一个实施方式中，EVA15、18层通过热压工艺或层压将每层的各个部件粘结在一起，因为EVA的熔点为250℃，其作用类似于内部真空产生的压力压制的胶。
在一个实施方式中，PV模块14是与玻璃结构12装配在一起的无定形硅型PV模块(在一个实施方式中，基本尺寸为635×1.245mm左右)。在一个实施方式中，背面是盒形，在中部有终端盒，顶部有一个锥(bit)(未图示)。
金属板17被涂布有电绝缘体16(在一个实施方式中是Unitane)以防止短路和腐蚀。
图2中显示的管道紧固件板20用于固定管道。在一个实施方式中，管道紧固件20的长度为大约180mm，宽度为大约125mm。在一个实施方式中，管道紧固件20由连接在一起的多个部分或多个零件组成。在一个实施方式中，其中管道紧固件20的长度为大约180mm，宽度为大约125mm。总共使用30块。应该理解的是，对于管道紧固件20，其尺寸和数量可根据需要改变以得到足够的跨度适合主导热管道和框架的尺寸。也有用于安装终端盒的孔，该终端盒用于阻止水分和湿气。在如下所述的建立真空的方法中，铜镶接板(copper splice lock)的边缘锉平以避免在下述的产生真空的过程中损伤密封垫(在一个实施方式中，使用橡胶板如氟橡胶，如VITRON(Dupont Dow Elasomers的注册商标)，其耐热性达到400°F/200℃，并耐燃和化学品)，并防止在层压机的加热室内损坏各种部件，如紧固件。
在一个实施方式中，用于固定管道20的镶接板是在板的中部，垂直于板具有“U”形或半圆形部分的金属平板，通过夹持保持管道。在一个实施方式中，镶接板边缘20的一端是凹口21，另一端是突出的元件22，其能与另一块镶接板的凹口良好地配合，从而对管道进行固定。
图3图示了将太阳能电池和热水器板组件10固定在一起以构造成PVT集热器的框架的一个实施方式。
图4图示了所有部件的组装框架的方法。
图6图示了PVT集热器的一个实施方式。
在图3中，框架30分别由第一空间32、第二空间34、第三空间36和第四空间38组成。在一个实施方式中，第一空间32具有被调节的尺寸用于安装透明玻璃以便在内部建立温室效应。
第二空间34是安装PV模块和热水器板10的空间。第三空间36是安装镶接板固定管道20和导热管道的空间。在安装前，在安装框架之前，橡胶密封垫如Buthyl Rubber贴附在太阳能电池和热水器板组件10和玻璃的边缘以阻止水分，太阳能电池和热水器板组件10要被置放在第二空间34中，玻璃要被置放在第一空间32中在所有的四个边上(见图4)。第三空间包括粗糙表面的聚合板。第四空间38是用于提高热效率的热绝缘的空间。
制备太阳能电池和热水器板组件10
在一个实施方式中，在制备工件后，开始进行如下的层压处理工艺：
1.在层压工艺之前通过如图1的排列，对布局结构进行排列。
2.放上粗糙表面聚合板，然后将Viton橡胶板放在粗糙表面聚合板的顶部。
3.将太阳能电池和热水器板组件放在4个托架中，2个托架在顶部，2个在底部。这些托架支撑太阳能电池和热水器板组件。
4.通过打开与托架连接的真空开关，在准备工作的托架中建立真空。托架包括一个小孔，适用于将托架的内容与要施加的真空相连通。
5.检查在太阳能电池和热水器板组件处是否有空气泄漏。
如果有泄漏，检查粗糙表面聚合板，看看是否它占据真空系统的路线，并检查Viton橡胶看看是否它是不是良好地附着在O-环上。
如果没有泄漏，则进行下一步。
6.检查确保真空在大约2-4托左右。
7.一旦到达所需的真空，将托架推车推进层压机加热室内。
8.在热处理工艺之前，将加热室加热器的计时器设定在22分钟，将加热室的循环风扇的计时器设定在27分钟。
9.打开所有3台加热器，将温度设定在250℃，并打开循环风扇和排气风扇。
10.开始热处理直至加热器计时器到时，关闭所有3台加热器。
11.等待直至循环风扇的计时器到时，然后关闭循环风扇。
12.之后打开加热室，等待5分钟，同时使排气风扇处于工作状态直至加热室内的温度接近室温。
13.将托架推车推出加热室。使制品自然冷却。
14.关闭真空泵，取出工作托架。
15.检查工件的缺陷。
在层压工艺后，将太阳能电池和热水器板组件10放置在框架30中(如图4和5中所示)并如下安装玻璃：
1.在框架30的一侧(在一个实施方式中，长度为1.245米)，调节并钻孔以用于在四个边上的主铜管(main copper pipe)，并将铜管固定在框架30中。然后，通过焊接连接头部铜管(header copper pipe)42和铜管43。在一个实施方式中，在将铜管安装至锁定镶接板20上之前通过焊接完成连接，以避免热量对玻璃的损坏。
2.在安装框架之前，在所有的四个侧边上，将Buthyl Rubber贴附在PV模块边缘和玻璃边缘。
3.首先在长的一侧将PV模块和玻璃安装进框架30中。然后将铜管放置在铜管的锁定镶接板上，然后在宽的一侧开始安装框架，排列好框架的布局位置，用螺丝在四个角固定，为结构增加一些强度。
4.用硅树脂密封主管道的钻孔以防止水分进入。
5.检查工件的缺陷。最终的工件类似于图4。
之后，放置2英寸厚，绝缘体密度为24kg/m3，在一侧有铝箔的玻璃纤维热绝缘体或玻璃丝绝缘体，将玻璃纤维绝缘体成行排列在每一侧上(可能做不到)直至完全覆盖。有铝箔的一侧在PV模块的下侧。最终，将铝罩门48安装在最下部。在用螺丝固定之前，将所有4侧用硅树脂密封以防止水分进入。各部件显示在图5中，全部组装完毕的形式显示在图6中。
尽管本发明已经以实例的设计进行了描述，但本发明可在本发明的构思和范围之内进一步进行修改。因此本申请要涵盖使用本发明的基本原料做出的任何变化、应用或改型。进一步，本申请还要涵盖与本发明不同，但在本发明所属领域中公知或习惯使用的范围内的变化形式。

Claims (20)

1.一种用于连接其中装有液体的管道的太阳能电池和热水器组件，其包括：
用作基板的透明板；
固定在所述透明板上的太阳能电池；
由涂布有电绝缘体的导热金属制成的集热金属板，配置所述电绝缘体以防止短路和腐蚀；
第一层聚合物，其是透明的且位于所述透明板和所述集热金属板之间；
紧固板，其包括保持管道的夹具，该紧固板是由导热材料制成的；和
第二层聚合物，其位于所述集热金属板和所述紧固板之间，
其中，所述透明板、所述太阳能电池、所述集热金属板和所述紧固板通过热压工艺层压在一起，以使所述第一层聚合物和所述第二层聚合物将所述透明板、所述太阳能电池、所述集热金属板和所述紧固板粘结为层压结构，并且
其中，采用所述夹具将所述管道连接到所述层压结构，以促进所述太阳能电池和热水器组件的安装并将热量从所述层压结构传导至液体。
2.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述第一层和第二层聚合物由乙烯醋酸乙烯酯制成。
3.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述集热金属板被涂布有一层由EVA(乙烯醋酸乙烯酯)聚合物胶制成的电绝缘体。
4.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述电绝缘体由Unithane制成。
5.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述紧固板是一平板，所述夹具被固定在所述平板的中部附近，大约与平板垂直。
6.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述紧固板进一步包括位于所述紧固板第一端的第一固定部件，所述太阳能电池和热水器组件还包括包含第二固定部件的邻近的紧固板，所述第二固定部件与所述第一固定部件相配合，从而将所述邻近的紧固板与所述紧固板固定在一起，其中在所述紧固板与所述邻近的紧固板固定在一起之后，将所述管道连接到紧固板的夹具上。
7.根据权利要求6的太阳能电池和热水器组件，其中所述的第一固定部件是带凹口的凹槽，第二固定部件是一边缘端。
8.根据权利要求1的太阳能电池和热水器组件，其中所述夹具包括一根直轨，其横截面为“U”形和半圆形之一。
9.一种PVT集热器，其包括：
具有顶部、中部和底部的安装框架；
安装在所述安装框架顶部以建立温室效应的受光器玻璃板；
安装在所述框架中部的太阳能电池和热水器板组件，配置所述太阳能电池和热水器板组件以将太阳能转变成电能和热能，所述太阳能电池和热水器板组件包括多个部件；
安装在所述框架底部的热绝缘体；和
固定在所述底部以隔绝水分的盖板，
其中：所述太阳能电池和热水器板部件包括：
用作基板的透明板；
固定于所述透明板上的太阳能电池；
由涂布有电绝缘体的导热金属制成的集热金属板，配置所述电绝缘体以防止短路和腐蚀；
第一层聚合物，其位于所述透明板和所述集热金属板之间；
紧固板，其包括保持管道的夹具，该紧固板由导热材料制成；和
第二层聚合物，其位于所述集热金属板和所述紧固板上之间，
其中，所述太阳能电池和热水器板部件通过应用热和压力层压在一起，以使所述第一层聚合物和所述第二层聚合物将所述透明板、所述太阳能电池、所述集热金属板和所述紧固板粘结而形成所述太阳能电池和热水器板组件，并且
其中，采用所述夹具将所述太阳能电池和热水器板组件连接到传递液体的管道，以使太阳的热量能从所述太阳能电池和热水器组件传导至导热管道中的液体中。
10.根据权利要求9的PVT集热器，其中所述集热金属板被涂布有由聚氨酯制成的电绝缘体。
11.根据权利要求9的PVT集热器，其中所述第一层和第二层聚合物由乙烯醋酸乙烯酯制成。
12.根据权利要求9的PVT集热器，其中所述紧固板是一平板，所述夹具被固定在所述平板的大致中部，并与所述平板是大约垂直的。
13.根据权利要求12的PVT集热器，其中所述紧固板进一步包括位于所述紧固板第一端的第一固定部件和位于所述紧固板第二端的第二固定部件，所述第二固定部件被配置成与邻近的紧固板的第一固定部件相配合，从而将邻近的紧固板与所述紧固板固定在一起。
14.根据权利要求13的PVT集热器，其中所述第一固定部件是带凹口的凹槽，所述第二固定部件是一边缘端。
15.根据权利要求9的PVT集热器，其中所述夹具包括一根直轨，其横截面为“U”形和半圆形之一，所述横截面在与所述紧固板的平面大约垂直的方向上延伸。
16.一种PVT集热器，其包括：
框架；
载液导管，其从所述框架的外部通向所述框架的内部，并再次回到所述框架的外部；和
与所述框架连接的太阳能电池和热水器板组件，该太阳能电池和热水器板组件包括：
透明基板；
固定于所述透明基板上的太阳能电池；
位于所述太阳能电池附近的集热板；
第一层聚合物固定材料，其使所述透明基板和所述集热金属板粘结在一起；
紧固板，其包括与所述框架内部的载液导管啮合的第一部分，所述框架将所述载液导管与所述紧固板连接，所述紧固板具有位于所述紧固板第一端的第一固定部件和位于所述紧固板第二端的第二固定部件；
与第一紧固板相同配置的邻近的紧固板，其中所述紧固板的第一固定部件与邻近的紧固板的第二固定部件连接在一起；和
第二层聚合物固定材料，其将所述集热板粘结在所述紧固板和所述邻近的紧固板上，以在工作过程中，太阳的热量从所述集热板被传导至所述载液导管中的液体。
17.根据权利要求16的PVT集热器，其中所述紧固板的第一部分大体被成形为与所述载液导管的第一外侧和所述载液导管的第二外侧接触。
18.根据权利要求17的PVT集热器，其中所述第一部分的横截面大体为U形和半圆形之一，其中所述透明基板、所述集热板和所述紧固板每个都是平板。
19.根据权利要求16的PVT集热器，其中所述第一层聚合物固定材料和第二层固定材料每层都包括乙烯醋酸乙烯酯。
20.根据权利要求19的PVT集热器，其中所述集热板是金属板，至少在其一侧上涂布有聚氨酯电绝缘体。
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