CN101826819A - 一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置 - Google Patents

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一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置属于太阳能利用装置领域，解决太阳能集热与发电兼容、合二为一；一壳体(8)内装有太阳能发电集热板，其由太阳能吸热板芯(1)和太阳能发电兼集热板芯(2)组成，或者全部由太阳能发电兼集热板芯(2)组成，该板芯采用全胶密封式将硅太阳能电池片(3)通过粘接层(4)紧密地封装式贴附在吸热金属板(5)的向阳采光面上，吸热金属板(5)为表面经过阳极氧化处理的铝合金型材，其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管(7)连接在一起的传热工质通道金属管(6)，壳体(8)内具有配套的密封式隔热保温层(9)，还装有配套的密封式透明盖板10，该板与硅太阳能电池片(3)之间的有效间距h为15～25mm；有益之处，集热和发电双功能一体化，一机两用，太阳能利用效率高，性价比高，成本低，便于批量生产，推广应用。

Description

一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置
技术领域
本发明属于太阳能利用装置领域，涉及一种同步产生和输出电能和热能的太阳能利用装置。
背景技术
太阳能利用的两大领域是太阳能光热利用和太阳能光电利用，前者利用设备应用最为广泛的是太阳能集热器，后者利用设备应用最为广泛的是太阳能光伏电源；在太阳能集热器中，太阳能平板集热器是一种当今广泛应用于热水、采暖、空调及干燥等领域的太阳能利用设备，主要由透明盖板、吸热体(包括吸热金属板及传热工质通道金属管及其内的传热工质)、保温层、壳体及热利用辅助装置，其核心组件为太阳能吸热板芯，起着吸收太阳辐射能转换为热能、集热并传递热量的双重作用，主要由吸热金属板及配套的传热工质通道金属管及其内的传热工质组成，吸热金属板的向阳面涂敷有选择性吸收涂层——即吸热膜，依据传热工质通道金属管的结构型式分为常规的双端开口式(含直管和蛇管式)，热管式，并且我国均已实现标准化、规模化生产，技术成熟、产业链完整，其突出优点是承压性能好、寿命长、安装美观，容易与建筑物结合，但平均日效率为45～50％，只利用了太阳能的一半，其余的太阳能均发散于环境；在太阳能光伏电源中，应用最广泛、技术最成熟的太阳能光伏电池是以硅材料为基体的硅太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池，通常使用硅太阳能电池封装层压机，采用全胶密封式封装好的硅太阳能电池组件，在紧挨电池片的上、下两侧面上具有乙烯——醋酸乙烯酯(EVA)绝缘膜，同时上侧面上还粘贴着透明玻璃，下侧面上粘接着聚氟乙烯(PVF)复合膜，然后，四周边密封式嵌装入铝合金外框，能满足防雹、防雨、防风、防尘、防湿、防腐等要求，保证在户外条件下的使用寿命在20年以上，目前商品硅太阳能电池的光电转换效率一般在15～17％，而上限理论值为33％左右，但很难达到，最好的高效硅太阳能电池的光电转换效率为19％左右，因此其只能将辐射在它上面的太阳能的一小部分转换为电能，其余80％以上的太阳能大多转换为热能，白白地耗散到环境中，并且硅太阳能电池在设计和使用中都特别注意其散热，否则会影响发电效果；硅太阳能电池组件温度升高10度，其开路电压下降0.3％，升高50度开路电压下降15mV(即14％)，光电转换效率也相应下降。
从上述可知，无论是太阳能集热器——包括太阳能平板集热器，还是以硅材料为基体的硅太阳能电池组成的太阳能光伏电源，均已作为成熟技术，各作为互不相干具有单一功能的产品而广泛应用，至今没有二者兼融、合二为一、集热与发电双功能一体化的太阳能利用装置面市，故从太阳能有效利用及低碳经济角度出发颇显缺憾。
发明内容
解决的技术问题：
将太阳能平板集热器与硅太阳能电池组成的太阳能光伏电源二者兼融、合二为一，集热和发电双功能一体化，能克服现有技术中存在的不足，将硅太阳能电池片封装在吸热金属板上构成太阳能发电兼集热板芯，并能与普通太阳能平板集热器中的太阳能吸热板芯组合使用，实现一机两用，同时作为太阳能光伏电源及太阳能集热器使用，产品性价比高，太阳能利用效率高，节约材料，降低消耗，提高生产率。
采用的技术方案：
一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，具有太阳能平板集热器的基本结构组成，包括透明盖板、吸热体、汇集管、隔热保温层、壳体、机架及热利用辅助装置，还具有太阳能光伏电源的基本结构组成，包括硅太阳能电池及电极引线，其特征在于：所述太阳能利用装置的壳体内装有太阳能发电集热板，该板由太阳能吸热板芯和太阳能发电兼集热板芯组成，或者全部由太阳能发电兼集热板芯组成；所述太阳能发电兼集热板芯的结构为，用硅太阳能电池封装层压机，采用全胶密封式硅太阳能电池组件封装技术，将通过导电互连条相互规则的连接在一起的硅太阳能电池片通过粘接层紧密地封装式贴附在吸热金属板的向阳采光面上，并有对外电极引线；所述吸热金属板为表面经过阳极氧化处理的铝合金型材，其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管连接在一起的传热工质通道金属管；壳体内具有配套的密封式隔热保温层，配套的透明盖板密封式装在壳体上，透明盖板与硅太阳能电池片之间的有效间距h为15～25mm；壳体上装有电源接口。
有益效果：
所述太阳能利用装置，由于太阳能发电集热板的作用，由硅太阳能电池及吸热金属板组成的太阳能发电兼集热板芯，既能发电又能集热，使太阳能平板集热器与硅太阳能电池组成的太阳能光伏电源二者兼融、合二为一，能同步产生并输出电能和热能，集热和发电双功能一体化，一机两用，仅就太阳能发电兼集热板芯而言，太阳能利用总效率能高达57％以上，装置的性价比高，同时鉴于所述太阳能利用装置，就整机而言，便于调节发电量，从而便于调节整机成本，有利于产品适销，满足不同需要；制造及安装成本低，节约安装空间，节约材料，减少能耗，有利提高生产效率，并且使用稳妥、方便，便于批量生产、推广应用，在发展低碳经济、大力推广应用绿色能源的现代社会潮流下，具有良好的经济效益、社会效益和生态环境效益。
附图说明
图1、总体组装结构示意图；
图2、按图1中所示的A-A剖视图；
图3、按图1中所示的B-B剖视图；
图4、按图2中所示的放大I图；
图5、双端开口式传热工质通道金属管6的结构示意图，(a)主视，(b)后视；
图6、热管式传热工质通道金属管6的结构示意图，(c)主视，(d)后视；
具体实施方式
结合附图进一步详加说明；
图中，13示为机架，11示为储热水箱，12示为电源接口；
如图1～3所示，所述太阳能利用装置的壳体8内装有太阳能发电集热板，该板由太阳能吸热板芯1和太阳能发电兼集热板芯2组成，或者全部由太阳能发电兼集热板芯2组成；所述太阳能发电兼集热板芯2的结构为，用硅太阳能电池封装层压机，采用全胶密封式硅太阳能电池组件封装技术，将通过导电互连条相互规则的连接在一起的硅太阳能电池片3通过粘接层4紧密地封装式贴附在吸热金属板5的向阳采光面上，并有对外电极引线14；所述吸热金属板5为表面经过阳极氧化处理的铝合金型材，其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管7连接在一起的传热工质通道金属管6；壳体8内具有配套的密封式隔热保温层9，配套的透明盖板10密封式装在壳体8上，透明盖板10与硅太阳能电池片3之间的有效间距h为15～25mm；壳体8上装有电源接口12。
如图1所示，所述太阳能利用装置提供的热能用于提供热水，包括太阳能吸热板芯1在内的全部传热工质通道金属管6均与汇集管7连接在一起，汇集管7与储热水箱11连接，传热工质通道金属管6内的传热工质，对外传输热能，获得储热水箱11中的热水；各太阳能发电兼集热板芯2分别以其电极引线14相互并联和/或串联后，对外引出电源接口12；整机装在机架13上。
如图1～4所示，铝合金型材及其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管7连接在一起的传热工质通道金属管6的结构为，铝合金型材的向阳采光面为平面型，其背阳阴面上中央部位具有与传热工质通道金属管6配套对应的并且带板条式锁肩15的槽道16，还具有加强筋17，配套的传热工质通道金属管6装在槽道16中，并以带连接肩的配套的铝合金卡条18包封传热工质通道金属管6；所述连接肩的一边为钩条连接肩19，与锁肩15的一侧边配套钩搭连接在一起，连接肩的另一边为板条连接肩20，与锁肩15的另一侧边配套，并通过间隔分布的弹簧卡或螺栓21锁紧相互固定式夹紧在一起；为有利于热传导及稳妥配装，传热工质通道金属管6与槽道16及铝合金卡条18之间涂敷有导热硅胶；也可以用卯接替代弹簧卡或螺栓21锁紧；铝合金型材通过挤压拉制而成。
如图5、6所示，传热工质通道金属管6的结构为，双端开口直通式，其两端分别与相应的冷、热汇集管7焊接式连接在一起，或者为热管式，其一端与汇集管7插接式连接在一起；传热工质通道金属管6及汇集管7均选用优质铜管，前者在结构型式及规格尺寸上应与组合使用中的太阳能吸热板芯1中的传热工质通道金属管相匹配。
如图2、3所示，发电兼集热板芯2稳定的贴靠在壳体8内底部的隔热保温层9上，四周的隔热保温层9的表面上还粘贴有具有反光特性并能进一步提高隔热保温性能的薄膜，如：镀铝聚酯膜。
如图1所示，所述太阳能利用装置内的太阳能发电集热板由太阳能吸热板芯1和太阳能发电兼集热板芯2组成，两种板芯规则的相互间隔的组拼在一起为一个平面形的整体，各太阳能发电兼集热板芯2分别以其电极引线14相互并联和/或串联后，对外引出电源接口12；或者太阳能发电集热板全部由太阳能发电兼集热板芯2组成，各板芯组拼在一起为一个平面形的整体，各板芯分别以其电极引线14相互并联和/或串联后，对外引出电源接口12；前一种组拼形式便于调节整机的发电量，同时在硅太阳能电池价格较高的情况下，也便于调节整机成本，因此便于灵活选择，对扩大产品适销，推广应用满足不同消费群体具有实际意义。
本发明的技术方案中所述“硅太阳能电池”中的硅是指单晶硅或者多晶硅，不包括非晶硅。
传热工质通道金属管6与吸热金属板5——即铝合金型材的槽道16的配装工作，应在硅太阳能电池片封装式贴附在吸热金属板5的向阳采光面上后进行，以利于保证质量，提高工效。
材料选用：
粘接层4所用的粘接剂要求固化干燥后，①在可见光范围内具有高透光性，并抗紫外线老化；②有一定的弹性，可缓冲不同材料间的热胀冷缩；③有良好的电绝缘性和化学稳定性，不危害硅太阳能电池；④具有良好的气密性，能阻止外界湿气和有害气体对硅太阳能电池的侵蚀；⑤适用于自动化封装；如选用乙烯-聚醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚氟乙烯(PVF)及室温固化硅橡胶等。
透明盖板10的作用是保护太阳能发电集热板不受有害介质危害、侵蚀，应有良好的物理、机械及光学性能，其透光率应大于0.90，选用低铁平板玻璃或钢化玻璃。
隔热保温层9的材料，应导热系数小、不易变形、不易挥发，更不能产生有害气体，选用岩棉、矿棉或聚氨酯发泡料。
太阳能发电兼集热板芯2的工作原理：
接受太阳能辐射时，硅太阳能电池通过光生伏特效应发电，转换为电能以外的大部分太阳能转换为热能，并通过吸热金属板5及传热工质通道金属管6集热并传递热能，并通过管内的传热工质，对外传输热能；基于以下的科学实验事实，本发明的技术方案是完全可行的。
①硅太阳能电池可以作为吸热材料
硅太阳能电池具有良好的太阳能选择吸收表面，半导体硅的能带间隙Eg＝1.1(ev)(能隙波长λ0＝1.13υm)，太阳光照射到半导体的向阳采光表面，半导体吸收光波长小于能隙波长的光子，而激发半导体内价带跃迁到导带的导带电子返回价带时，其释放的能量转换成晶格的振动，进而转换成热能，于半导体的背阳阴面配以吸热、导热效果好且低发射比的金属——铝合金作为底层，即构成选择性吸收表面；硅电池表面的减反射层减少了光线反射损失，改善了底层的光学性能。晶体硅电池的吸收比可达0.80，具有明显的太阳光谱选择性，即在太阳光谱范围内有高的吸收比，而发射比较低。
②温升对硅太阳能电池光电转换效率的影响可以控制
如前“背景技术”中所述，硅太阳能电池度升高，其开路电压下降，光电转换效率也相应下降，本发明的技术方案中，控制硅太阳能电池与吸热金属板之间的良好热接触，尽量减少接触温差，从而使硅太阳能电池采集的热能尽快顺利的传给吸热金属板，并经传热工质通道金属管，由管内的传热工质对外传输，即可避免硅太阳能电池温升过高，能一举两得。

Claims (9)

1.一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，具有太阳能平板集热器的基本结构组成，包括透明盖板、吸热体、汇集管、隔热保温层、壳体、机架及热利用辅助装置，还具有太阳能光伏电源的基本结构组成，包括硅太阳能电池及电极引线，其特征在于：所述太阳能利用装置的壳体内装有太阳能发电集热板，该板由太阳能吸热板芯和太阳能发电兼集热板芯组成，或者全部由太阳能发电兼集热板芯组成；所述太阳能发电兼集热板芯的结构为，用硅太阳能电池封装层压机，采用全胶密封式硅太阳能电池组件封装技术，将通过导电互连条相互规则的连接在一起的硅太阳能电池片通过粘接层紧密地封装式贴附在吸热金属板的向阳采光面上，并有对外电极引线；所述吸热金属板为表面经过阳极氧化处理的铝合金型材，其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管连接在一起的传热工质通道金属管；壳体内具有配套的密封式隔热保温层，配套的透明盖板密封式装在壳体上，透明盖板与硅太阳能电池片之间的有效间距h为15～25mm；壳体上装有电源接口。
2.根据权利要求1所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：铝合金型材及其背阳阴面上可卸性地装有能与汇集管(7)连接在一起的传热工质通道金属管(6)的结构为，铝合金型材的向阳采光面为平面型，其背阳阴面上中央部位具有与传热工质通道金属管(6)配套对应的并且带板条式锁肩(15)的槽道(16)，还具有加强筋(17)，配套的传热工质通道金属管(6)装在槽道(16)中，并以带连接肩的配套的铝合金卡条(18)包封传热工质通道金属管(6)；所述连接肩的一边为钩条连接肩(19)，与锁肩(15)的一侧边配套钩搭连接在一起，连接肩的另一边为板条连接肩(20)，与锁肩(15)的另一侧边配套，并通过间隔分布的弹簧卡或螺栓(21)锁紧相互固定式夹紧在一起。
3.根据权利要求1或2所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：传热工质通道金属管(6)的结构为，双端开口直通式，其两端分别与相应的冷、热汇集管(7)焊接式连接在一起，或者为热管式，其一端与汇集管(7)插接式连接在一起；传热工质通道金属管(6)及汇集管(7)均选用优质铜管，前者在结构型式及规格尺寸上应与组合使用中的太阳能吸热板芯(1)中的传热工质通道金属管相匹配。
4.根据权利要求1或2所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：发电兼集热板芯(2)稳定的贴靠在壳体(8)内底部的隔热保温层(9)上，四周的隔热保温层(9)的表面上还粘贴有具有反光特性并能进一步提高隔热保温性能的薄膜。
5.根据权利要求3所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：发电兼集热板芯(2)稳定的贴靠在壳体(8)内底部的隔热保温层(9)上，四周的隔热保温层(9)的表面上还粘贴有具有反光特性并能进一步提高隔热保温性能的薄膜。
6.根据权利要求1或2所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：所述太阳能利用装置内的太阳能发电集热板由太阳能吸热板芯(1)和太阳能发电兼集热板芯(2)组成，两种板芯规则的相互间隔的组拼在一起为一个平面形的整体，各太阳能发电兼集热板芯(2)分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)；或者太阳能发电集热板全部由太阳能发电兼集热板芯(2)组成，各板芯组拼在一起为一个平面形的整体，各板芯分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)。
7.根据权利要求3所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：所述太阳能利用装置内的太阳能发电集热板由太阳能吸热板芯(1)和太阳能发电兼集热板芯(2)组成，两种板芯规则的相互间隔的组拼在一起为一个平面形的整体，各太阳能发电兼集热板芯(2)分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)；或者太阳能发电集热板全部由太阳能发电兼集热板芯(2)组成，各板芯组拼在一起为一个平面形的整体，各板芯分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)。
8.根据权利要求4所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：所述太阳能利用装置内的太阳能发电集热板由太阳能吸热板芯(1)和太阳能发电兼集热板芯(2)组成，两种板芯规则的相互间隔的组拼在一起为一个平面形的整体，各太阳能发电兼集热板芯(2)分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)；或者太阳能发电集热板全部由太阳能发电兼集热板芯(2)组成，各板芯组拼在一起为一个平面形的整体，各板芯分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)。
9.根据权利要求5所述的一种同步产生并输出电能和热能的太阳能利用装置，其特征在于：所述太阳能利用装置内的太阳能发电集热板由太阳能吸热板芯(1)和太阳能发电兼集热板芯(2)组成，两种板芯规则的相互间隔的组拼在一起为一个平面形的整体，各太阳能发电兼集热板芯(2)分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)；或者太阳能发电集热板全部由太阳能发电兼集热板芯(2)组成，各板芯组拼在一起为一个平面形的整体，各板芯分别以其电极引线(14)相互并联和/或串联后，对外引出电源接口(12)。
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Assignor: Beijing Tianpu Solar Energy Industry Co., Ltd.

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