CN101442281B - 光电光热同体同步转换利用太阳能的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用太阳能的方法及其装置，是光电光热同体同步转换利用太阳能的方法及其装置，是在改变聚光镜结构的基础上采用提高光电转换效率和提高光热转化效率的系列技术达到在提供电能的同时提供热水的目的，其结构由聚光器和光电光热一体化吸收转换器组成。包括至少一个新型聚光镜和由气体保温层，硅光电池保护涂层、硅光电池、导热胶、绝缘层、电池定位槽、热交换器、组成光电光热一体化吸收转换器。聚光镜的焦面设有由硅光电池单体封装好的带有连接导线的条形硅光电池组件，条形硅光电池组件的下表面紧密结合热交换器，热交换器的周边设有保温材料。通过聚光镜的聚光反射，光经反射聚集后全部集中在硅光电池组件工作面上以提高光电效率，在条形硅光电池组件下表面的热交换器有效地降低硅光电池组件工作面的工作温度，提高光电池转换效率和输出功率。通过光电光热一体化吸收转换器系统进行热交换后，被加热的水介质可以利用，在利用太阳能光发电的同时，利用太阳能提供热水，使光电光热同体、同步得到利用，提高了太阳能的利用效率。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种利用太阳能的方法和装置，具体的说是光电光热同体同步转换利用太阳能方法及其装置。
二、技术背景
地球上一切能源都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的有效能量为6×1017KW·H，被地球上有效利用不足0.02％。随着地球上石化能源的日渐枯竭，近年来人们竞相开发利用太阳能。但由于太阳能自身固有的弱点：一是单位面积的能量密度低，一般夏季阳光较好时，中午地面垂直于太阳光接受的太阳辐照度约500至1000W/M2，因此要开发利用太阳能必须要较大的采光面。二是由于夜晚、阴雨天气无阳光，需考虑配备储能设备，才能全天侯使用，从而增大了太阳能的利用成本和维修管理费用。三是太阳高度角随季节变化而变化，每天太阳在天空中的方位角随时都在变化，因此要高效、稳定利用太阳能，必须是太阳能利用设备配备跟踪系统。以上原因，阻碍了太阳能的发展和广泛应用。
经过多年来各国太阳能专家的攻关研究，太阳能的利用主要集中在光热、光电两个领域方面。太阳能的热利用主要是真空管太阳能热水器和太阳能温室大棚，光电利用主要是单晶、多晶硅平板硅光电池，其余如聚光型太阳灶等，至今无重大突破，真空管太阳能热水器和硅光电池板，由于固定安装，全年随着太阳高度角和方位角的变化，本身有效采光面全年平均约50％，因此其光转换效率很低。目前光伏电池组建能商品化的产品以单、多晶硅系列产品为主，光电转换率低，一般只有17～15％，高的18％左右。光伏电池的实际光电转换率还是低很多。真空管太阳能热水器的热效率也只有42％。
要提高硅光电池光电转换效率，可以通过以下几个措施来改善：第一个是改变硅光电池本身的品质；第二个是利用太阳能跟踪的方法；第三个是通过聚光反射的方法。要提高硅光电池本身光电转换效率很难。当今，国内外研究人员曾试图利用聚光反射增加光电池表面的光辐照强度来提高光电池的光电转换效率，但由于随着辐照强度的增加，光电池的表面工作温度将同步增加，使电池的电压降低，致使光电转换效率不能同步增加，于是人们为了降低光电池表面工作温度，采用冷却介质给聚光后的光电池表面降温。配备了一个冷却系统和一个跟踪系统。终因其系统复杂，成本高昂，管理复杂，使光热、光电的同步转换在概念和实践上都未有进展，极待突破。第四，改变现有光电或光热技术及常用的聚光镜(即U型镜)不能直接应用于本发明的光电光热同体同步装置。因为，当太阳光汇聚到硅光电池时，其本身就成了一个热体及散热体，除了自然向上释放掉一部分热能外，原本向下去的那部分热能，由于横亘在U型器底部的那堵墙--热阻的阻扰，无法进入下层的热转换器，只能沿两边的金属反光镜释放出去，使得热损耗严重。”第五，为了在提供电源的同时还要提供热水，无论是现有的太阳能发电技术或是太阳能热水器技术，都需进一步提高太阳能热量的吸收，保存和转换的技术，以达到高效利用太阳能的目的。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺点，提出一种既可以可增加硅光电池组件工作面的辐照强度，有效降低硅光电池组件表面的工作温度，成倍提高硅光电池的光电转换效率，又可以隔断散热通道的方法和装置，并且通过光电光热一体化吸收转换器使太阳能的热能得到高效利用。
四、本发明解决以上技术问题的技术方案
光电光热同体同步转换利用太阳能的方法，是通过以下步骤实现的：
(1)利用聚光镜被焦面上安装条型光电池板通过聚光反射增加硅光电池表面的光辐照强度，使硅光电池的光电转换效率提高；
(2)在条型硅光电池板的下表面采用循环的冷却介质降低硅光电池工作面的温度使硅光电池工作面的温度保持在正常工作温度范围之内。
(3)通过打通cpc聚光器底部的散热通道，将没有转化为电能的太阳能通过热转换器转为热能，为热水提供能量，同时将换热后被加热的介质存储工业或生活利用。
(4)通过由玻璃气体保温层、光电池保护层、导热胶、绝缘层、热交换器、保温层、底板等构成光电、光热一体化吸收转换器，大幅度地提高了太阳能综合利用率。
(5)太阳能过通硅光电池产生电能的同时，其产生的热能通过热电一体化转换器吸收、输送、储存和利用，太阳能的光电、光热吸收转换是在同一块复合板上进行，从而达到光电、光热同体同步转换，高效利用太阳能的目的。
光电光热同体同步转换利用太阳能的装置，包括至少一个新型聚光镜，每一个聚光镜的焦面设有由条形硅光电池单体组件并封装好的带有连接导线的硅光电池组件，条形硅光电池组件下表面紧密结合有热交换器，热交换器的周边设有保温材料，四周用金属或木质边框整体固定，即组成一个独立的应用单元。
在硅光电池单体组件上复合光电池保护层，保护层透明具有防氧化，防老化的作用，更有高透光率耐候耐磨性好的特点。为了使太阳能产生的能量尽量减少流失以更好地提高热转换效率，在硅光电池保护层上方设有气体保温层，其上方为高透明白玻。在硅光电池单体组件下方则复合导热胶(使硅光电池更密切地与热交换装置结合，减少热损，提高热效率)绝缘层(防止线路与热交换装置接触发生短路)经过以上工艺后，硅光电池单体组件由金属固定槽定位。
热交换器为换热片、换热管或热管等。聚光镜的聚光比是1.5～8。聚光镜的上平面复盖透明的玻璃板，可以保护聚光镜和硅光电池组件表面不被污染。聚光镜的复合抛物面由金属板、塑料板、玻璃、玻璃钢挤压而成，或由陶瓷、粘土坯等烧结模压而成，其表面真空喷涂金属铝或粘贴真空镀铝膜。
通过聚光镜的聚光反射，光经反射聚集后全部集中在硅光电池组件工作面上以提高光电效率，高效利用太阳能。通过增加硅光电池组件辐射强度同时，硅光电池组件表面工作温度增加，电压下降。在硅光电池的组件下平面，紧密结合热交换器有效地降低硅光电池组件工作面的工作温度，从而既提高光电池转换效率和输出功率，又可通过热电一体化转换器进行热交换后被加热的介质得到热能的利用，达到太阳能光电、光热同体、同步的等效利用。
五、本发明的优点
本发明通过太阳能光电、光热同体同步发电、供热。聚光反射系统在增加硅光电池组件表面辐照强度的同时又并通过热电一体化转换器，对硅光电池组件表面冷却降温，降低了其表面工作温度，成倍提高硅光电池组件的光电转换效率，同时还能减少热损耗将未转化成电能的太阳能转化为热能，达到光电、光热同体同步转换，高效利用太阳能的目的。本发明的优点具体为：
(1)聚光镜无须跟踪，结构简单，成本低廉，生成科学，采用聚光镜反射增加硅光电池组件的光辐照强度，成倍地提高了硅光电池的光电转换效率，从而并有效的降低了硅光电池的用量，成倍减少了光电池发电成本。
(2)新型聚光镜的下端是敞开的，呈AA型，硅光电池置于两相邻聚光镜中间，很好的将聚光镜与硅光电池组件分开，硅电池表面的温度可以较快的导向下面的集热器中，从而光电效率和光热效率都会明显提高。
(3)通过复合工艺和技术组成的光电光热一体化吸收转换器，提高太阳能综合转换效率，降低了硅光电池衰减速度，延缓了使用寿命。
(5)在与硅光电池下平面紧密结合的热交换器，采用循环冷却介质，如水、气等冷却，有效降低了硅光电池组件表面的工作温度，不但大大提高硅光电池组件光电转换效率，而且还增加了热能的利用，从而降低了投资成本，提高了光电利用的经济效益，有利于硅光电池的推广应用；
(6)拓展了硅光电池的应用领域，本发明可代替墙面砖、瓦应用于住宅建筑的屋面和墙体，可若干组件串、并联组成光伏电站和太阳能热水站，使有限的民用建筑层面空间实现了住宅建筑利用太阳能同步同体供电供热的目标。
六.附图说明
图1是本发明同体同步实现光电、光热转换，高效利用太阳能装置的结构图
图2是本发明热电一体化转换器单体剖面图
图3是本发明功能结构图
七、具体实施方式
本实施例是光电、光热同体同步转换利用太阳能方法及其装置，本发明的光电、光热同体同步转换利用太阳能的方法包括以下步骤：
(1)利用聚光镜的反射聚光增加硅光电池表面的光照强度。阳光经反射聚集后全部集中在位于焦面上的条形硅光电池组件工作面上，使硅光电池的光电转换效率提高；
(2)在条形硅光电池的下表面采用循环的冷却介质降低硅光电池工作面的温度，使硅光电池工作面的温度保持在正常工作温度范围之内，冷却介质可以是气或水，即采用气冷或水冷的方式使硅光电池工作面的温度得到降低，不至于使硅光电池工作面的温度不断提高而导致光电转换效率降低；
(3)通过打通cpc聚光器底部的传热通道，将没有转化为电能的太阳能通过热交换器转为热水或热气，同时将换热后被加热的冷却介质存储，供进行工业或生活利用。例如加热后的水可以用于人们的日常生活，使太阳能的热能得到有效利用，达到光电、光热同体同步转换，高效利用太阳能的目的。
本实施例的光电光热同体同步转换利用太阳能的装置的结构如图1所示，图2是其热电一体化转换器单体剖面图，图3是其功能结构图。光电光热同体同步转换利用太阳能的装置由多个聚光镜1-①组成，每一个聚光镜1-①的底面都设有热电一体化转换器1-②，硅光电池组件位于2-②，聚光镜1-①的聚光比是1.5～8，硅光电池组件2-②由硅光电池单体组装并封装好，其带有连接导线，用于连接蓄电池等，用于发电。在硅光电池的下表面紧密结合有热交换器2-⑥，本实施例的热交换装置是循环水管，上方接有进水管，下方接有出水管，在循环水管的周边设有保温材料1-⑤，起到保温作用。侧面四周为固定的边框1-⑥。聚光镜1-①的抛物面由金属板、塑料板、玻璃、玻璃钢压制而成，或由陶瓷、粘土坯烧结模压而成，上面涂有反光材料。
本实施例的光电光热同体同步转换利用太阳能的装置在具体使用时，通过聚光镜1-①的聚光反射，光经反射聚集后全部集中在硅光电池组件2-②工作面上以提高光电效率，高效利用太阳能。通过聚光镜1-①反射增加硅光电池组件2-②辐射强度同时，硅光电池组件2-②表面工作温度增加，开路电压下降，在硅光电池的下方采用热交换器2-⑥有效地降低硅光电池组件2-②工作面的工作温度，提高光电池转换效率和输出功率，通过热交换后的水又可得到利用，使太阳能的热能得到有效利用，达到光电、光热同体同步转换，高效利用太阳能的目的。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.光电光热同体同步转换利用太阳能的方法，包括：
(1)利用CPC复合抛物面聚光镜的聚光反射增加硅光电池表面的光幅照强度，使硅光电池的光电转换效率提高；
其特征在于：还包括以下步骤：
(2)在CPC复合抛物面聚光镜的下方采用循环的冷却介质降低硅光电池工作面的温度，使硅光电池工作面的温度保持在正常工作温度范围之内；
(3)将换热后的冷却介质存储后进行工业或生活利用。
2.如权利要求1所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法，其特征在于：所述冷却介质是固态、液态或气态。
3.如权利要求1所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法的装置，包括至少一个CPC复合抛物面聚光镜，所述每一个CPC复合抛物面聚光镜的底面设有由硅光电池单体组装并封装好的带有连接导线的硅光电池组件，其特征在于：所述CPC复合抛物面聚光镜的下方紧密结合有热交换装置，所述热交换装置内设有水或气的循环冷却介质，所述热交换装置的周边设有保温材料。
4.如权利要求3所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法的装置，其特征在于：所述热交换装置为换热片、换热管或换热盒。
5.如权利要求3所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法的装置，其特征在于：所述CPC复合抛物面聚光镜的聚光比是3～8。
6.如权利要求3所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法的装置，其特征在于：所述CPC复合抛物面聚光镜的上方和侧面设有连接为一体的玻璃板。
7.如权利要求3所述的光电光热同体同步转换利用太阳能的方法的装置，其特征在于：所述CPC复合抛物面聚光镜的抛物面由金属板、塑料板、玻璃、玻璃钢压制而成，或由陶瓷、粘土坯烧结模压而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NANJING NANZHOU NEW ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMEN Free format text: FORMER OWNER: XU SONGSHUN Effective date: 20130904 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130904 Address after: 211112, No. 39 Lake Road, Science Park, Jiangning District, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Nanjing Nanzhou New Energy Research and Development Co., Ltd. Address before: 211112, No. 39 Lake Road, Science Park, Jiangning District, Jiangsu, Nanjing Patentee before: Xu Songshun |
|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU XINHANWA GREEN BUILDING MATERIAL CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: NANJING NANZHOU NEW ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMENT CO., LTD. Effective date: 20131120 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 211112 NANJING, JIANGSU PROVINCE TO: 213300 CHANGZHOU, JIANGSU PROVINCE |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131120 Address after: 213300 Jiangsu city of Changzhou province Liyang City Industrial Park Tianmu Lake chating Road No. 9 Patentee after: Jiangsu new building materials Co., Ltd. green watts Address before: 211112, No. 39 Lake Road, Science Park, Jiangning District, Jiangsu, Nanjing Patentee before: Nanjing Nanzhou New Energy Research and Development Co., Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NANJING NANZHOU NEW ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMEN Free format text: FORMER OWNER: JIANGSU XINHANWA GREEN BUILDING MATERIAL CO., LTD. Effective date: 20150617 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150617 Address after: 211112, No. 39 Lake Road, Science Park, Jiangning District, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Nanjing Nanzhou New Energy Research and Development Co., Ltd. Address before: 213300 Jiangsu city of Changzhou province Liyang City Industrial Park Tianmu Lake chating Road No. 9 Patentee before: Jiangsu new building materials Co., Ltd. green watts |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120321 Termination date: 20181118 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |