CN101849294A - 用于光伏模块的控温体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光伏模块的控温体，在该控温体中，载热管(3)埋入由压缩的膨胀石墨制成的层(4)内并与光电池层(1)的背向太阳辐射的表面相连。此外，本发明涉及一种层复合体半成品，该半成品包括由密度在0.02g/cm3与0.5g/cm3之间的压缩的膨胀石墨制成的层(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光伏模块的控温体以及用于制造这种构件的半成品。
背景技术
光伏模块以及由光伏模块接在一起形成的光伏设备用于将日光直接转换成电流。为此使用专用的半导体、所谓的光电池，所述专用的半导体诸如太阳能硅材料(Solarsilizium)、硫化锌(ZnS)或者砷化镓(GaAs)，在所述这些半导体中，通过光子撞击而释放电子。这种光伏系统的效率主要依赖于入射的光量和设置在光电池层内的光电池的温度。所释放电子的热重组将提供给能量获取的温度范围限制在最大约70℃。特别是在南北纬45°之间日照充足的地区，光伏模块很容易被加热到70℃以上的温度。
由文献DE 199 23 196 A1公开了如下的光伏装置，在该光伏装置中，至少一个液体通流的冷却装置与辐射方向相关地设置在光电池层的前面。在此，冷却装置应当通过将光电池的温度限制在最大50℃以及通过对所使用的冷却液体以及日光可利用光谱范围用的透明包封材料进行光学过滤作用来提高电能收得率。在此，总效率通过对由冷却介质吸收的热能进行利用而得到改善。
文献DE 10 2004 043 205 A1也介绍了一种设有温度调节器的光伏元件。在此，温度调节通过安设在光电池上温度传感器和固定在光电池的背侧和底侧的、优选液体通流的控温器进行。温度输出应当通过控温介质来进行。
在J.S.Coventry等的文章″Thermal and electrical Performance of aconcentrating PV/Thermal collector：results from ANU CHAPS collector″，Proceedings of Solar 2002，Australian and New Zealand Solar EnergySociety，conferencepaper，Newcastle，Australia中，介绍了一种产生组合的热能和电流的太阳能系统，在该太阳能系统中，日光利用呈抛物线形的和镜面化的沟槽转向到沿聚焦线安设的光伏模块上。光伏模块由固定在铝支架上的光电池层组成。支架在其背侧上具有用以导出热能的水通流的铜管用的容纳处，以便将光电池保持在约65℃的温度范围内并同时对所获得的热能加以利用。日光通过镜子集中到光伏模块表面上的优点在于，电能收得率在光伏模块相同面积的情况下高于不进行集中的系统。另一方面，日光的集中导致光伏模块内更高的温度并因此导致在将辐射能量转换成电能时的较低效率。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于光伏模块的控温体，该控温体可以使吸收面与载热液体之间的热传递变得容易。在此，无论是在不进行集中的系统(平面收集器)中，还是在入射的太阳辐射通过镜子、透镜或者类似装置集中到光伏模块表面上的系统中，均可以使用装备有根据本发明控温体的光伏模块。此外，对在依据本发明的控温体中由光伏模块输出的热量的利用也是可行的。
该任务以如下方式得以实现，即，由控温介质2通流的载热管3埋入由压缩的膨胀石墨制成的层4内并与光电池层1的背向太阳辐射的表面相连。由于载热管3埋入压缩的膨胀石墨内，整个管表面可供用于热传递，因此明显降低热传递阻力。压缩的膨胀石墨是指密度在0.02g/cm3与0.5g/cm3之间在压力作用下压实的膨胀石墨。其他具有优点的构造方案在权利要求2至13中予以说明。
另一任务在于，提供一种如下的半成品，该半成品主要可以用于制造依据本发明的控温体。依据本发明，以如下方式解决该任务，方法是：层复合体半成品包括由密度在0.02g/cm3与0.5g/cm3之间压缩的膨胀石墨制成的层4。该半成品具有优点的构造方案在权利要求15和16中予以说明。
附图说明
由下面的详细说明和附图得出本发明的优点、细节和变动方案。在附图中：
图1a和b示出依照现有技术的光伏平面收集器用的控温体；
图2a-2c示出光伏平面收集器用的依据本发明的控温体的实施方式。
具体实施方式
图1a和1b示出依照现有技术的、冷却的光伏模块。在光电池层1内发生从太阳辐射能到电能的转换。未转换成电能的那部分太阳能作为热量出现，该热量导致光电池层1的温度上升。因为随着光电池层1的温度上升，电能的收得率下降，也就是输出的电能与射入的太阳能之比下降，所以设置有冷却装置，该冷却装置应当防止光电池层1的升温超出确定的最大工作温度。
图1a中示出带有整合到外壳中的冷却装置的光伏模块，该冷却装置由具有散热片的冷却体7组成，散热片将多余的热量传递到控温介质2上。图1b示出一种依照现有技术另选的结构。光电池层1与热量散布层6保持导热接触，该热量散布层6将多余的热量传递到以控温介质2通流的载热管3上。冷却体7与载热管3之间的热传递通过大多为熔焊连接部或者钎焊连接部的线状连接部8产生。
图2a至2c示出依据本发明的控温体不同的实施方式。将由控温介质2通流的载热管3埋入由压缩的膨胀石墨制成的层4内。
在光电池层1背向太阳辐射的表面与层4之间可以选择性地设置有其他功能层6，该功能层6的功能还要在下面进行阐述。在层4的背侧上同样选择性地存在由绝热材料制成的层5。
石墨由于其由重叠层组成的结构而具有的特征是传导性很强的各向异性；沿着层的导电性和导热性明显大于垂直于层的导电性和导热性。石墨越是程度更强地压实，也就是说各个石墨片彼此平行程度更强地取向，各向异性就越显著。但如果石墨仅受到少量压实，则这样各个片不完全平行地取向并因此传导性的各向异性不那么强地显著。
膨胀石墨的制造是公知的。石墨插层化合物(石墨盐)，例如硫酸石墨(Graphithydrogensulfat)，在炉内或者借助微波急剧加热。在此，颗粒的体积扩大了200至400个因数，并且松散密度下降至2至20g/l。这样获得的膨胀石墨由蠕虫状或者手风琴状的聚集态组成。如果对膨胀的石墨重新压实的话，那么各个聚集态彼此交织成固定的复合体，该复合体无需添加粘结剂便可以形成自支承的平面型体，例如薄片、幅料或者例如板的成型体。用于制造压缩的膨胀石墨的成型体的、同样由现有技术公知的另选的可能性在于，石墨插层化合物或石墨盐在相应设计的模制工具内进行热膨胀。在此，需要注意的是，模制工具必须能够排出气体。对依据本发明构件用的膨胀石墨纯度的要求大致类似于膨胀石墨例如像在密封技术中公知的应用。在这里通常使用碳含量为至少98％的材料。但对于依据本发明的构件来说，也可以使用约90％的低碳含量的膨胀石墨。
为了制造层4，将膨胀的石墨相对低程度地压实并因此仅具有导热性相当弱的各向异性。在对压缩过程进行调整时，需要在一方面需要尽可能低的压缩以减少各向异性的要求与另一方面过低压缩会形成不再可靠的机械强度的要求之间进行折衷。对于用于冷却光伏模块的根据本发明的应用来说，事实证明特别适用的是密度在0.02与最大0.5g/cm3之间的由压缩的膨胀石墨制成的层4。
提供不同的方法用于制造依据本发明的控温体使用。
按照第一方法，将通过膨胀的石墨插层化合物的热膨胀获得的膨胀石墨压实成一个平面型体。压实过程可以不连续地或者连续地进行。在不连续的工作方式中，由压实的膨胀石墨获得单个平面型体。优选成型出接近最终轮廓的平面型体，也就是具有控温体所要求尺寸的板。否则所获得的平面型体必须根据所要求的尺寸切割。在连续工作方式中，压实过程在轧机或者压延机(Kalander)上进行。在此，由压实的膨胀石墨制得无尽的幅料，由该幅料切割出所要求尺寸的板。
由压紧的膨胀石墨制成的这种板在本发明的第一方案中形成依据本发明控温体的层4。基于该层4的低程度压实，板材料具有明显的压缩潜力(Kompressionsreserve)并能很容易地变形。因此可以很容易地将控温介质2用的载热管3压入板表面中去。膨胀石墨的长处在于与相邻表面的高配合能力，从而保证板材料与管壁之间的紧密连接进而还有很小的热传递阻力。通过管的压入使板材料被压实。因此，板在膨胀石墨的致密性方面以如下程度获得，即，管压入后的板密度处于0.02到0.5g/cm3之间。载热管3能够以如下深度压入板内，即，载热管3与板表面齐平。这种实施方式在图2a和2b中示出。在图2a所示的实施方式中，载热管3被压入板朝向太阳辐射的表面内。在光电池层1背向太阳辐射的表面与板表面之间可以选择性地设置有其他功能层6，对其他功能层6的功能进行如下说明。
与此相反，在图2b的实施方式中，载热管3被压入板的背侧内。这种实施方式的优点在于，闭合的连贯的面可被提供用于与光电池层1背向太阳辐射的表面发生接触。另一方面，该实施方式中光电池层1与载热管3之间由垂直于板平面的热传导克服的距离大于图2a的实施方式中的距离。因此，载热管3与光电池层1的背向太阳辐射的表面之间保留的石墨层应尽可能薄。但出于稳定性原因，剩余厚度需要1至2mm。当可以将扩大载热管3与光电池层1之间间距的选择性的功能层6取消时，载热管3埋入板背侧内优选用于这种情况。作为另选地，管也可以置于由膨胀石墨制成的两个相叠的层4′、4″之间，随后将它们挤压在一起。层4在这里由两个彼此相叠的、彼此压紧的层4′、4″组成，在这两个层4′、4″之间埋入管3(图2c)。已经表明，由压缩膨胀石墨制成的两个压制在一起的层4′、4″组成的复合主体是非常稳定的，该复合体在层4′、4″的界面上不会再分开。由压缩的膨胀石墨制成的层(板)典型地可以采用2与50mm之间的厚度来加工。在依据本发明的控温体中，板厚度基本上根据所要埋入的管的直径和就此而言需要按照稳定性要求进行设定。此外，需要考虑的是，管是应根据图2a或者2b埋入板的表面内，还是应根据图2c将管埋入两个层4′、4″之间。
在一种另选的方法中，层4通过膨胀的石墨插层化合物(石墨盐)的热膨胀在可以排气的模制工具内形成，管也装入该模制工具内。要么先将管装入模具内并且随后利用膨胀的石墨插层化合物填充，要么先至少部分填充模具并且随后装入载热管3。加热在这种做法中由于模制工具的热惰性优选借助微波进行。作为选择地，模制工具也可以感应式加热。依据本发明的控温体这种方案的层4由在模制工具内连同里面所装入的载热管3的膨胀石墨组成。
最后在第三方案中，层4直接在光电池层1的背侧上产生。为此放上载热管3并将膨胀的石墨压制到所要求的层厚。膨胀石墨的量这样设定，即，压缩后使材料的密度处于0.02至0.5g/cm3的范围内。
为了制成载热管3，可以应用按照现有技术公知的材料，也就是基本上是铜。有赖于包围管的膨胀石墨的高导热性以及可供用于层4的膨胀石墨与载热管3之间热传递的面积，在依据本发明的控温体中，也可以容忍低导热性的管材料。例如采用塑料管也可以取得足够的热过渡。在此，存在的可能性是，相当昂贵的铜管通过需要时廉价和便于加工的非金属材料来替代，所述金属材料例如是塑料或者石墨填充的塑料管。
如果光伏模块的废热应当进一步在热技术上加以利用，例如用于提供热水或者用于建筑物供暖，那么层4的背向太阳辐射的表面选择性地设有绝热层5作为背板。具有优点的是，为此例如设置有由矿物纤维、聚氨酯泡沫或者石膏板制成的层。绝热的隔绝层5在层4背向太阳辐射的面上的安设借助粘接或者压紧进行。如果绝热材料的机械稳定性允许如上所述的话，绝热的隔绝层5的压紧和载热管3的压入可以在一个操作步骤中进行。
光电池层1例如涂覆到已经埋入载热管3的层4上。作为另选地，在制备控温体时首先可以制造出半成品，方法是：层4的朝向光电池层1的表面需要时设有增附剂层。随后，将载热管3埋入该半成品的压缩膨胀石墨层4内。
本发明特别具有优点的方案的特征在于，由压缩的膨胀石墨制成的层4的朝向光电池层1的表面之间设置有层6，用于进行横向热量散布。特别适合形成层6的是石墨薄片，因为石墨薄片的长处在于优选在平面内进行导热并因此非常适合于将从光电池层1排出的热量横向地均匀散布。石墨薄片如同上述的板那样通过压实膨胀石墨来制造，但石墨薄片内膨胀石墨的压实度更高。依据本发明所使用的石墨薄片的密度至少为0.5g/cm3，优选至少为0.7g/cm3。利用实践中可使用的压力，可以压实直至2.0g/cm3。理论上限由2.25g/cm3情况下理想结构化石墨的密度产生。特别优选的是密度在1.0与1.8g/cm3之间石墨薄片。通过更高程度的压实，与层4的压实程度较低的膨胀石墨相比，石墨薄片内的层平面彼此明显更强地平行定向，并由此产生石墨薄片内热传导更为显著的各向异性。
由于厚度方向上的导热性相当低，需要的是，用于进行横向热量散布的石墨薄片尽可能薄。薄片的厚度应不超过1.5mm，优选层6内的薄片厚度低于0.7mm。需要时已经埋入载热管3的层4的表面和形成层6的石墨薄片相互通过层压或者利用在光伏模块的工作温度下持久耐用的胶粘剂粘接来连接。例如基于丙烯酸酯树脂、环氧树脂、聚氨酯或者氰基丙烯酸酯的相应的耐热胶粘剂在市面上可以买到。
依据目的，已粘接的复合体在使用之前至少加热到工作温度并持续保持在该温度上，直至胶粘剂会对光伏模块的工作产生不利影响的可能的排气过程完全停止。
特别适用于产生层4的表面与形成层6的石墨薄片之间连接的是导通性胶粘剂，也就是含有导通性颗粒的胶粘剂。这种胶粘剂特别适用于产生电子导电的粘接连接并在市面上可以买到。因为总体上具有导电性的这种添加剂(例如像炭黑(Ruβ)或者金属粉末)的长处也在于高导热性，所以这些胶粘剂也适用于改善粘接连接的导热性。但也可以使用其他能导热的添加剂。还可以产生导热连接的方式是，向由于其耐热强度虽然具有优点但本身导热性很低的胶粘剂添加高导热性的颗粒，例如石墨絮状物或者研碎石墨薄片获得的颗粒。
另选地，使用树脂或者粘合剂作为胶粘剂，树脂或者粘合剂在石墨层4与石墨薄片连接后热解(碳化)。热解后剩下的残留物形成层4彼此邻界的表面与形成层6的薄片之间导热的碳桥。可碳化的、也就是在保留高碳收得率情况下可热解的树脂或粘合剂例如为酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚氨酯树脂和沥青。这种方案的另一优点在于，热解时树脂的全部挥发性组分被除去，从而工作时不再存在排气的危险。由于热解时很高的热负荷，这种方法仅能在载热管3尚未埋入层4内的情况下使用。
取代常规的胶粘剂，也可以使用选自硅有机化合物、全氟化合物、金属钠、钾、镁或者钙的皂化物的组的界面活性物质，所述界面活性物质以薄层(10至1000nm，优选100至500nm)涂覆到所要连接的表面上。所要连接的面相互接触并在30到最大400℃之间的温度下和1至200MPa的挤压压强下相互连接。试验表明，这种在专利文献EP 0616 884 B1中特别用于在石墨薄片表面与金属表面产生连接所介绍的方法同样适用于两个石墨表面的连接。如果使用该方法，那么必须同时将载热管3压入层4内，这是因为否则会压缩程度过强。
对层4的表面利用石墨薄片的层6进行涂覆的另一个优点在于，石墨薄片由于对膨胀石墨更高程度的压实而比层4低程度压缩的膨胀石墨空隙更少，并因此具有闭合的、相当光滑的表面。由此保证：获得与光电池层1非常良好的连接。
对于石墨薄片的另选地，可以将进行横向热量散布的功能层6的金属薄片层压或者粘接到层4的朝向光电池层1的表面上。通过电镀沉积制造的金属层或者通过化学沉积、溅射或者蒸镀产生的金属层或者陶瓷层也适用于进行横向热量散布。适用于进行横向热量散布的功能层6用的陶瓷材料例如为碳化硅、氮化铝和氧化铝。功能层6也可以将陶瓷层通过热解有机前驱体化合物的很薄的薄膜制造。由热解的有机前驱体制成的陶瓷层的示例是由热解的聚硅烷或者聚硅氮烷制成的二氧化硅层、碳化硅层或者碳氮化硅层。
本发明的主题还有提供一种用于依据本发明控温体的层复合体半成品。这种半成品包括由密度在0.02g/cm3与0.5g/cm3之间的压缩的膨胀石墨制成的层4或者石墨薄片6与压缩膨胀石墨层4的层复合体，其中，石墨薄片6处于光电池层1与膨胀石墨层4之间。石墨薄片6具有至少0.5g/cm3、优选在1.0与1.8g/cm3之间的密度。石墨薄片6与层4的连接借助前面为制造控温体而介绍的方法进行。
如果需要，半成品在光电池层1与石墨薄片6或压缩的膨胀石墨层4之间包括增附剂层。
附图标记列表
1 光电池层
2 控温介质
3 载热管
4 由压缩的膨胀石墨制成的层
5 绝热的隔绝层
6 用于进行横向热量散布的层
7 散热板片
8 线状的连接部
Claims (15)
1.用于光伏模块的控温体，其特征在于，由控温介质(2)通流的载热管(3)埋入由压缩的膨胀石墨制成的层(4)内并且与光电池层(1)的背向太阳辐射的表面连接。
2.按权利要求1所述的控温体，其特征在于，层(4)内的压缩的膨胀石墨的密度处于0.02g/cm3至0.5g/cm3的范围内。
3.按权利要求1所述的控温体，其特征在于，所述层(4)由压制成板的膨胀石墨组成。
4.按权利要求3所述的控温体，其特征在于，所述载热管(3)埋入所述层(4)的朝向所述光电池层(1)的表面内并与该表面齐平。
5.按权利要求1所述的控温体，其特征在于，所述层(4)由两个彼此相叠的、彼此压紧的层(4′、4″)组成，在所述两个彼此相叠的、彼此压紧的层(4′、4″)之间埋有所述载热管(3)。
6.按前述权利要求之一所述的控温体，其特征在于，所述载热管(3)由非金属材料组成，特别是由塑料组成。
7.按前述权利要求之一所述的控温体，其特征在于，所述层(4)的背向所述光电池层(1)的表面具有绝热层(5)。
8.按权利要求7所述的控温体，其特征在于，所述绝热层(5)包括矿物纤维板、聚氨酯泡沫或者石膏板。
9.按前述权利要求之一所述的控温体，其特征在于，在所述层(4)的朝向所述光电池层(1)的表面与所述光电池层(1)之间设置有用于进行横向热量散布的层(6)。
10.按权利要求9所述的控温体，其特征在于，所述层(6)为蒸镀的、喷镀的或者以电镀或者化学的方式沉积的金属层、金属薄片或者石墨薄片。
11.按权利要求10所述的控温体，其特征在于，所述层(6)为蒸镀的、喷镀的或者通过有机前驱体化合物的热解制造的陶瓷层。
12.按权利要求10所述的控温体，其特征在于，所述层(6)是密度至少为0.5g/cm3，优选至少为1g/cm3并且厚度最高为1.5mm，优选最高为0.7cm的石墨薄片。
13.按前述权利要求12所述的控温体，其特征在于，所述层(6)的所述石墨薄片与所述层(4)的朝向所述光电池层(1)的表面通过如下方式连接：
-胶粘剂
-其中分散有导热的颗粒的胶粘剂，所述导热的颗粒由金属、炭黑、石墨絮状物或者研碎的石墨薄片或者其他导热材料制成
-酚醛树脂的、环氧树脂的、聚氨酯树脂的、呋喃树脂的、沥青的或者其他能碳化的树脂的或者粘合剂的碳化残留物
-选自硅有机化合物、全氟化合物、金属钠的皂化物、金属钾的皂化物、金属镁的皂化物或者金属钙的皂化物的组中的界面活性物质
-层压。
14.层复合体半成品，所述层复合体半成品包括由密度在0.02g/cm3与0.5g/cm3之间的压缩的膨胀石墨制成的层(4)。
15.层复合体半成品，所述层复合体半成品包括由密度在0.5与2.0g/cm3之间，优选在1.0与1.8g/cm3之间的石墨薄片制成的层(6)。
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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 | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100929 |