CN101718475A - 太阳能光电光热转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光电光热转换装置，它包括底盘和顶层玻璃，特征是：在底盘和顶层玻璃之间的进行抽真空处理后的封闭腔体内设有陶瓷中空板，陶瓷中空板由相互隔开的热工介质流出管和热工介质流入管组成，在陶瓷接头上设有热工介质流出口和热工介质流入口，在封闭腔体内的顶层玻璃和底盘之间设有支柱。在陶瓷中空板的顶部固定有太阳能转换层。太阳能电池将收集到的太阳能转换为电力，而透过太阳能电池的辐射能量，被陶瓷中空板中的热工介质吸收，作为载热体输出有用能量。本发明具有将太阳能中的热能和电能进行综合利用、充分享受太阳能给人类带来的好处、提高太阳能电池的发电效率、延长太阳能电池的使用寿命等优点。

Description

太阳能光电光热转换装置

技术领域

本发明涉及太阳能利用设备，尤其是涉及一种将太阳能进行光电和光热综合利用的太阳能光电光热转换装置。

背景技术

太阳能是新能源与再生能源的重要组成部分。太阳能属于洁净的自然资源，能就地开发利用，具有取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳能的开发利用有着巨大的市场前景，不仅会带来很好的社会效益、环境效益，而且还有明显的经济价值。目前，太阳能利用方式有如下几种：

1、光-热转换：太阳能光热转换是太阳能利用的基本方式，它是利用太阳能中的热能将热工工质加热储于储热器中以便于利用的方式，这种热能可以广泛应用于采暖、制冷、干燥、温室以及工农业生产等各个领域。光热产品则是直接把太阳能转换为热能，如太阳能热水器、太阳能制冷空调系统、太阳能干燥、太阳房、太阳灶及太阳能热发电聚光集热器等装置。

2、光-电转换：太阳能光电转换是根据光伏效应将太阳能中的光能直接转换成电能，光电产品可以直接把太阳能转换成电能储存起来，成为随时可用的电源，如太阳能硅板。

根据上述两种利用方式制作出来的设备都是单一功能设备，要么只能利用热能，要么只能利用光能，使绝好的太阳能资源未得到充分利用，给白白浪费掉了，十分可惜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将太阳能进行光电和光热综合利用、提高太阳能电池的发电效率、延长太阳能电池组件使用寿命的太阳能光电光热转换装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种太阳能光电光热转换装置，包括“ㄩ”形底盘和由钢化玻璃制成的顶层玻璃，特征是：在底盘的底板顶端加工有真空排气孔，底盘和顶层玻璃经高温熔合后成为封闭的一体形成封闭腔体，再对封闭腔体通过真空排气孔进行抽真空处理；在封闭腔体内设有前后悬空的陶瓷中空板，陶瓷中空板由相互隔开的位于前部的热工介质流出管和位于后部的热工介质流入管组成，热工介质流出管和热工介质流入管在陶瓷中空板内的底端通过下集管相通，热工介质流出管由两个以上相互隔开的受热排管并列组成，两个以上相互隔开的受热排管在陶瓷中空板内的顶端通过上集管相通，陶瓷接头的左端露出于底盘外，陶瓷接头的右端穿过底盘的底板顶端的中间固定在陶瓷中空板顶端的中间，使陶瓷接头、底盘和陶瓷中空板联结为一体，从而使陶瓷接头起到悬挂陶瓷中空板于封闭腔体内的作用，在陶瓷接头上设有与上集管相通的热工介质流出口和与热工介质流入管相通的热工介质流入口；在陶瓷中空板的水平方向上加工有若干行若干列呈均匀排列的支柱孔，起支撑顶层玻璃作用的支柱穿过支柱孔顶在真空腔内的底盘和顶层玻璃之间。

所述抽真空处理是抽真空后构成真空腔，在真空腔内装有蒸散型或长效型两种吸气剂，使真空腔长期维持较高的真空度，真空腔内的真空度保持5*10^-3p；或，所述抽真空处理是抽真空后再充入惰性气体如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)，惰性气体的充入量控制在标准大气压的70％-90％，使封闭腔体保持为负压状态，封闭腔体内不装吸气剂。

在陶瓷中空板的外表面固定有太阳能转换层。

所述太阳能转换层是用真空绝缘胶粘贴在陶瓷中空板上的单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池，其层结构为：陶瓷中空板、真空绝缘胶、单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池。

所述太阳能转换层是通过包括低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积、液相外延法和溅射沉积法等方法制备在陶瓷中空板上的多晶硅太阳能薄膜电池，其层结构为：陶瓷中空板、衬底材料、多晶硅薄膜。

所述太阳能转换层是通过包括辉光放电法、反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等方法制备在陶瓷中空板上的非晶硅太阳能薄膜电池，其层结构为：陶瓷中空板、绝缘层、背反射层、PI N层、透明导电氧化物薄膜层。

所述太阳能转换层为吸收太阳辐射能并将其转换成热能的太阳能选择性吸收涂层，太阳能选择性吸收涂层是一种对太阳光谱范围具有高的吸收率，在红外波长范围具有低的发射率的吸收涂层。

所述陶瓷中空板为黑色陶瓷。

在陶瓷形底盘的底板顶端、真空排气孔的侧边设有太阳能电池的顶电极柱和背电极柱，顶电极柱和背电极柱分别与太阳能转换板上的两极相连接。

陶瓷接头上的热工介质流出口和热工介质流入口呈同心圆状，即热工介质流出口位于陶瓷接头的中间，热工介质流入口环绕热工介质流出口。

所述热工介质为水或导热油。

在封闭腔体内的底端、底盘和顶层玻璃之间设有由绝热材料制成的定位柱，定位柱从左右两面将陶瓷中空板夹紧固定。

所述底盘为陶瓷底盘，支柱为玻璃支柱或陶瓷支柱。

在顶层玻璃向阳的表面镀有纳米级二氧化钛自洁净膜。

众所周知，当太阳光照射到太阳能电池组件时，一部分被反射，一部分被吸收，其余则透过，即：A+R+T＝1。

式中：A为吸收率；R为反射率；T为透过率，这就为开发一种兼具发电和发热的太阳能光电光热转换装置提供了理论基础。本发明的工作原理是：太阳能光电光热转换装置中的硅材料电池将收集到的太阳能转换为电力，顶电极柱和背电极柱与太阳能蓄电池形成闭合回路，供家用电器使用，其余的存于蓄电池内供夜晚和白天使用。而透过太阳能电池的辐射能量，被陶瓷中空板吸收，陶瓷中空板再将热量传递给陶瓷中空板内的高效热工介质，使高效热工介质温度升高，作为载热体输出有用能量，为室内热水、采暖、太阳能空调提供大量的中、高温热源。其实用价值体现在以下几点：

第一、作为一种节能型绿色建筑材料，将在建筑领域将得到大规模应用。与其它封装类型的太阳能电池组件不同，新型太阳能光电光热转换装置由于采用了真空封装，使得太阳能电池组件本身具有保温、隔热、隔音、防结露效果，一片真空玻璃的保温性能相当于370毫米厚的黏土砖墙。用太阳能光电光热转换装置作为屋顶和玻璃幕墙使用，降低了太阳能与建筑一体化应用的利用成本。

第二、以商业化发电为目的的太阳能光伏发电阵列，主要分布在光照资源丰富，而环境比较恶劣的沙漠、沿海地带，这就要求太阳能电池热工介质流入口必须能够经受像灰尘、盐、沙子、风雪、潮湿、冰雹、湿气的冷凝和蒸发。大部分长时间湿气的渗入是太阳能电池组件失效的原因。由于真空密封上述因素对太阳能电池组件的影响可以降到最低。另外，新型太阳能光电光热转换装置内的太阳能电池组件背面的流体通道可以带走太阳能电池组件板面的热量，对于处在荒漠极端环境中的太阳能光伏发电阵列而言，由常规组件构建的太阳能电池阵列要维持最佳的工作温度几乎是一件实现不了的事情，而采用带有循环冷却装置的太阳能电池组件和太阳能电池阵列，可以恒温运行。仅此项技术对光伏发电阵列的贡献率约为10％。

第三、利用当前的封装技术，典型的晶体硅光伏组件的使用寿命一般是20年左右，而整个光伏产业正在努力寻求达成30年的组件寿命。理论与实践证明，真空玻璃腔的真空保持期可达50年，当本技术得以应用时，太阳能电池组件的使用寿命可以轻易地超过30年。

因此，本发明同现有技术相比具有如下优点：

1、同时具备了光----热转换和光----电转换两种功能。标准条件下硅材料电池板的转换效率约为12％--17％，可以看出照射到电池表面上的太阳能83％以上未能转换为有用能量，相当一部分能量转化为热能。本发明将太阳能电池发电后的剩余太阳能有效地收集在太阳能电池后面的陶瓷中空板(太阳能集热器)里，从而大幅度提高光电、光热的综合转换效率，使人类能充分享受太阳能给人类带来的好处。

2、提高了太阳能电池的发电效率。太阳能电池组件的实际发电量不仅取决于吸收和传输的太阳辐射，还取决于电池的实际工作温度。温度每升高1K，则光伏发电量将降低额定容量的0.5％。采用本技术封装的太阳能电池，其陶瓷中空板循环通道里的高效热工介质可以带走太阳能电池板面的热量，这就使得温度具有可控性，可以抑制夏季高温时太阳能电池发电量的减少，使太阳能电池运行在最佳的工作温度，使电池效率长期保持在较高水平。

3、提高了太阳能电池组件的使用寿命。封装是影响太阳能电池寿命的主要因素，由于太阳能电池封装在真空环境中，没有潮湿给太阳能电池带来的隐患。长时间湿气的渗入是太阳能电池失效的原因，水蒸汽在电池板或者电路上的冷凝会导致短路或者腐蚀，因此密封组件必须对气体、蒸汽或热工介质有很强的抵御性。用真空封装技术有效地阻止了外来物质对封装内部的渗入，降低了焊点、连线等器件受潮湿环境因素的影响，提高了太阳能电池组件的使用寿命。

4、减少热斑效应对太阳能电池组件的影响。在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，从而可能导致电池或玻璃开裂、焊料熔化、封装材料EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)熔化等破坏性的结果。而真空封装技术使得受光面上太阳能电池不与玻璃直接接触，这就规避了在“包覆式光伏发电模块”或“层压式光伏发电模块”等常规封装技术中，由于热斑效应引起的上述现象。

5、用新型太阳能光电光热转换装置作为屋顶和玻璃幕墙使用，降低了太阳能与建筑一体化应用的利用成本。在为建筑提供电力的同时，还能为室内热水、采暖、太阳能空调提供大量的中、高温热源。使建筑具有自我循环式的独立能源，全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能，是实现低能耗建筑、近零耗建筑的理想材料。

附图说明

图1为本发明平放时的结构示意图；

图2为实施例1--实施例4中图1的后视图；

图3为图2中A-A向的剖视示意图；

图4为图2中B-B向的剖视示意图；

图5为图2中C-C向的剖视示意图；

图6为图5中陶瓷中空板的左视图；

图7-为图6中D-D向的剖视示意图；

图8-为图6中E-E向的剖视示意图；

图9为图8中陶瓷中空板的俯视图；

图10为图9中F-F向的剖视示意图；

图11为实施例5、实施例6中图1的后视图；

图12为图9中G-G向的剖视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：热工介质：水

一种太阳能光电光热转换装置，包括由陶瓷制成的“ㄩ”形底盘1和由钢化玻璃制成的顶层玻璃2，在底盘1的底板6顶端加工有真空排气孔10，底盘1和顶层玻璃2经高温熔合后成为封闭的一体形成封闭腔体13，并对封闭腔体13通过真空排气孔10进行抽真空后构成真空腔；在真空腔内设有前后悬空的陶瓷中空板3，陶瓷中空板3由相互隔开的位于前部的热工介质流出管15和位于后部的热工介质流入管14组成，热工介质流出管15和热工介质流入管14在陶瓷中空板3内的底端通过下集管16相通，热工介质流出管15由两个以上相互隔开的受热排管18并列组成，两个以上相互隔开的受热排管18在陶瓷中空板3内的顶端通过上集管17相通，陶瓷接头7的左端露出于底盘1外，陶瓷接头7的右端穿过底盘1的底板6顶端的中间固定在陶瓷中空板3顶端的中间，使陶瓷接头7、底盘1和陶瓷中空板3联结为一体，从而使陶瓷接头7起到悬挂陶瓷中空板3于真空腔13内的作用，进而达到真空绝热的效果，在陶瓷接头7上设有与上集管17相通的热工介质流出口8和与热工介质流入管14相通的热工介质流入口9；在陶瓷中空板3的水平方向上加工有若干行若干列呈均匀排列的支柱孔20，起支撑顶层玻璃2作用的玻璃支柱4穿过支柱孔20顶在真空腔13内的底盘1和顶层玻璃2之间。

在陶瓷中空板3的外表面固定有太阳能转换层19。

所述太阳能转换层19是用真空绝缘胶粘贴在陶瓷中空板3上的单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池，太阳能转换层19的层结构为：陶瓷中空板3、真空绝缘胶、单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池。在陶瓷形底盘1的底板6顶端、真空排气孔10的侧边设有与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的正负电极连接的顶电极柱11和背电极柱12。

陶瓷接头7上的热工介质流出口8和热工介质流入口9呈同心圆状，即热工介质流出口8位于陶瓷接头7的中间，热工介质流入口9环绕热工介质流出口8。

在封闭腔体13内的底端、底盘1和顶层玻璃2之间设有由绝热材料制成的定位柱5，定位柱5从左右两面将陶瓷中空板3夹紧固定。

在顶层玻璃2向阳的表面镀有纳米级二氧化钛自洁净膜，能利用风雨或喷洒的水进行自我清洁的抗污表面。

在真空腔内装有钡铝镍蒸散型或锆石墨非蒸散型中的一种吸气剂，使真空腔长期维持较高的真空度，真空腔13内的真空度保持5*10^-3p。

在陶瓷中空板3和陶瓷接头7组成的循环通道里，设有两路管道，一路为热工介质流入管14，另一路为热工介质流出管15即两个以上相互隔开的受热排管18；高效热工介质经热工介质流入口9流入，再经热工介质流入管14进入下集16管，下集管16将高效热工介质分配到受热排管18，陶瓷中空板3吸收太阳辐射能量后使受热排管18中的高效热工介质的温度升高，在虹吸效应的作用下受热后的高效热工介质汇集到上集管17，最后经热工介质流出口8流出陶瓷中空板3。

实施例2：热工介质：导热油

实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

对封闭腔体13通过真空排气孔10进行抽真空后再注入一定量的惰性气体氩(Ar)作为保护气对太阳能电池进行保护，惰性气体氩(Ar)的充入量控制在标准大气压的80％，使封闭腔体13保持为负压状态，封闭腔体13内不装吸气剂。

热工介质为导热油。

实施例3：热工介质：水

实施例3的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述太阳能转换层19是以陶瓷中空板3为衬底，通过化学气相沉积法制备在陶瓷中空板3上的多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池。在陶瓷形底盘1的底板6顶端、真空排气孔10的侧边设有与多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池上的正负电极连接的顶电极柱11和背电极柱12。

所述支柱4陶瓷支柱。

实施例4：热工介质：水

实施例4的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

对封闭腔体13通过真空排气孔10进行抽真空后再注入一定量的惰性气体氦(He)作为保护气对太阳能电池进行保护，惰性气体氦(He)的充入量控制在标准大气压的70％，使封闭腔体13保持为负压状态，封闭腔体13内不装吸气剂。

所述太阳能转换层19是以陶瓷中空板3为衬底，通过化学气相沉积法制备在陶瓷中空板3上的多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池。在陶瓷形底盘1的底板6顶端、真空排气孔10的侧边设有与多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池上的正负电极连接的顶电极柱11和背电极柱12。

实施例5：热工介质：导热油

实施例5的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

所述太阳能转换层19为吸收太阳辐射能并将其转换成热能的太阳能选择性吸收涂层。太阳能吸收涂层可分为两大类：非选择性涂层和选择性涂层。非选择性吸收涂层是指光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。本例利用真空溅射技术在陶瓷中空板上镀制铝、不锈钢、铜三靶镀膜，制成太阳能选择性吸收涂层。

实施例6：热工介质：导热油

实施例6的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：

在陶瓷中空板3的外表面未固定有太阳能转换层19，陶瓷中空板3直接由能够吸收热量的黑色陶瓷制成。

Claims (11)

1.一种太阳能光电光热转换装置，包括由制成的“ㄩ”形底盘(1)和由钢化玻璃制成的顶层玻璃(2)，其特征在于：在底盘(1)的底板(6)顶端加工有真空排气孔(10)，底盘(1)和顶层玻璃(2)经高温熔合后成为封闭的一体形成封闭腔体(13)，再对封闭腔体(13)通过真空排气孔(10)进行抽真空处理；在封闭腔体(13)内设有前后悬空的陶瓷中空板(3)，陶瓷中空板(3)由相互隔开的位于前部的热工介质流出管(15)和位于后部的热工介质流入管(14)组成，热工介质流出管(15)和热工介质流入管(14)在陶瓷中空板(3)内的底端通过下集管(16)相通，热工介质流出管(15)由两个以上相互隔开的受热排管(18)并列组成，两个以上相互隔开的受热排管(18)在陶瓷中空板(3)内的顶端通过上集管(17)相通，陶瓷接头(7)的左端露出于底盘(1)外，陶瓷接头(7)的右端穿过底盘(1)的底板(6)顶端的中间固定在陶瓷中空板(3)顶端的中间，使陶瓷接头(7)、底盘(1)和陶瓷中空板(3)联结为一体，在陶瓷接头(7)上设有与上集管(17)相通的热工介质流出口(8)和与热工介质流入管(14)相通的热工介质流入口(9)；在陶瓷中空板(3)的水平方向上加工有若干行若干列呈均匀排列的支柱孔(20)，起支撑顶层玻璃(2)作用的玻璃支柱(4)穿过支柱孔(20)顶在真空腔(13)内的底盘(1)和顶层玻璃(2)之间。

2.如权利要求1所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：所述抽真空处理是抽真空后构成真空腔，在真空腔内装有钡铝镍蒸散型或锆石墨非蒸散型中的一种吸气剂，使真空腔长期维持较高的真空度，真空腔内的真空度保持5*10^-3p。

3.如权利要求1所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：所述抽真空处理是抽真空后再充入惰性气体如氦、氖、氩、氪、氙、氡，惰性气体的充入量控制在标准大气压的70％-90％，使封闭腔体(13)保持为负压状态。

4.如权利要求2或3所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：在陶瓷中空板(3)的顶部固定有太阳能转换层(19)。

5.如权利要求4所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：所述太阳能转换层(19)是用真空绝缘胶粘贴在陶瓷中空板(3)上的单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池，在陶瓷形底盘(1)的底板(6)顶端、真空排气孔(10)的侧边设有与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的正负电极连接的顶电极柱(11)和背电极柱(12)。

6.如权利要求4所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：所述太阳能转换层(19)是以陶瓷中空板(3)为衬底，通过化学气相沉积法制备在陶瓷中空板(3)上的多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池，在陶瓷形底盘(1)的底板(6)顶端、真空排气孔(10)的侧边设有与多晶硅太阳能薄膜电池或非晶硅太阳能薄膜电池上的正负电极连接的顶电极柱(11)和背电极柱(12)。

7.如权利要求4所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：所述太阳能转换层(19)为吸收太阳辐射能并将其转换成热能的太阳能选择性吸收涂层。

8.如权利要求2或3所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：陶瓷中空板(3)直接由能够吸收热量的黑色陶瓷制成。

9.如权利要求1--8中的任何一条所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：陶瓷接头(7)上的热工介质流出口(8)和热工介质流入口(9)呈同心圆状，即热工介质流出口(8)位于陶瓷接头(7)的中间，热工介质流入口(9)环绕热工介质流出口(8)。

10.如权利要求1--9中的任何一条所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：在封闭腔体(13)内的底端、底盘(1)和顶层玻璃(2)之间设有由绝热材料制成的定位柱(5)，定位柱(5)从左右两面将陶瓷中空板(3)夹紧固定。

11.如权利要求1--10中的任何一条所述的太阳能光电光热转换装置，其特征在于：在顶层玻璃(2)向阳的表面镀有纳米级二氧化钛自洁净膜。

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