CN101902161A - 一种太阳能石英盲管光电光热转化器件 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是提供一种太阳能石英盲管光电和光热转化器件，采样石英盲管透光材料，在石英盲管器件的内部、外部表面上加工上太阳能光电和光热转换材料，将太阳能转换为电能和热能，将开口端进行密闭就可以直接使用，不需要再对其进行封装，降低了现有的太阳能光电和光热转换材料的成本；同时可以石英盲管透光器件的腔体内部设置流体或热管实现对太阳能光电和光热转换材料的温度的控制，使其始终保持高效的转换效率，其热能通过流体或热管进行传递后加以综合利用，从而实现太阳能发电、温控、提高太阳能转换效率、太阳能热利用综合一体化的利用。为了提高太阳能利用效率，在器件的外部还设置有太阳能镜，将太阳能进行反射、折射、投射等聚焦，以提高效率，为了减少热损，在器件的外部增加了保温层。

Description

一种太阳能石英盲管光电光热转化器件

技术领域

本发明涉及太阳能的利用，将太阳能转化为电能和热能的器件，涉及利用石英盲管透光器件将太阳能转换为电能和热能的器件。

背景技术

太阳能成熟的应用技术为太阳能的低温热水利用，主要采用真空玻璃管技术将太阳能转化为热能，在此种技术上，有采用将热管插入到真空玻璃管内部将热量传递到外部获得太阳能的技术，以及在真空玻璃基础上进一步的完善而开发的各种器件，其中真空玻璃管中设置有真空层进行保温，在真空层的内部设置选择性涂层对太阳能进行吸收转化，虽然真空玻璃层很好的实现了保温，选择性涂层很好的实现了太阳能的转化，但是，其转化后的热能利用起来很不经济，如采用现有的方法将水直接流入到真空玻璃管内部直接进行换热，但到了冬季就无法使用，虽然采用热管技术在冬季实现了传热，但增加了成本、降低了热能的利用率，目前这种技术应用于低温的热水应用，而无法实现太阳能的中高温的应用，如太阳能热电的应用；

现有的技术太阳能中高温的发电技术，主要是采用塔式、槽式、及蝶式，槽式太阳能是已经商业化的太阳能光热转换器件，主要采用外不为玻璃管，内部为不锈钢金属管，内部抽真空，实现太阳能的采集；但是该种吸收器价格高，只有少数的企业可以掌握其生产技术；同时蝶式太阳能与塔式太阳能应用的主要技术难题也在于光热转化太阳能转换器件，特别是塔式太阳能，主要由于光热转换器需要在600-1500度的区间进行工作，由于高温所采用的金属器件无法长时稳定的工作，因而塔式的太阳能电站就无法长期的进行工作，因而需要对高温的太阳能光热转换器件改进。

石英玻璃的光学性能有其独到之处，它既可以透过紫外光谱，是所有透紫外材料最优者，又可透过可见光和近红外光谱。用户可以根据需要，从185-3500mμ波段范围内任意选择所需品种。由于石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，气泡、条纹、均匀性、双折射又可与一般光学玻璃媲美，所以它是在各种亚劣场合下工作具有高稳定度光学系统的必不可少的光学材料。石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10^-7/℃，只有普通玻璃的1/12-1/20。部标准规定将试样的灼烧到1200℃后急速投到冷水中，反复三次以上不允许炸裂，石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料，由于石英器件的众多的优势，将石英器件应用于太阳能利用，特别是中高温的太阳能光热转化，将是解决中高温太阳能采集的可行的技术方法。

随着太阳能镜技术的发展，可以采用普通的光学镜或菲涅尔光学镜对太阳能进行收集，但是，有太阳能镜技术将太阳能进行收集后，将产生很高的热流密度，采用普通的传热材料进行转换将无法实现高热流密度的热能的传递，因而需要一种新型的材料实现耐温与高效。

现有的太阳能光电和光热转换器件为单晶硅、多晶硅、以及薄膜电池三大类型，在一种平面的金属、非金属的平面基板上加工上一种太阳能光电和光热转换涂层，将太阳能转换为电能，平面基板可以弯曲的薄膜而成为薄膜电池，涂层主要采样单晶硅、对晶硅以及薄膜的非晶硅电池。但目前太阳能电池用硅材料大多来自半导体硅材料的外品和单晶硅的头尾料，不能满足光伏工业发展的需要。同时硅材料正是构成晶体硅太阳能电池组件成本中很难降低的部分，因此为了适应太阳能电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是不采用由硅原料、硅锭、硅片到太阳能电池的工艺路线，而采用直接由原材料到太阳能电池的工艺路线。从原理上讲，几μm厚就可以吸收大部分的能量，但实际多晶硅薄膜的厚度一般是50μm。正因为如此，人们研制了薄膜型太阳能电池，太阳能电池的薄膜化是以降低地面用太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体电池结构材料为目的的。为了从机械强度上支撑电池薄膜活性层，就需要衬底。当然，衬底材料也应该是便宜的。所以，在大部分的实例中，衬底都不是半导体材料。在衬底上形成的半导体薄膜是多晶体或非晶体，而不必是单晶体。衬底上的半导体薄膜，可以通过各种途径形成：物理的和化学的生长法以及把衬底在熔融半导体材料中浸渍等方法。薄膜电池的转换结构与单晶电池的结构一样，有p-n结型、肖特基型、MIS型及异质结型等。

但是现有的太阳能光电和光热转换的电池，将太阳能光电和光热转化材料加工在一个衬底材料上后在外部增加玻璃等封装，同时由于没有进一步的温度控制器件，使得光伏电池在使用过程中受温度的影响，通常的电池在中午时的发电效率反而降低，如果增加温控装置又增加了太阳能电池板的成本，同时也不能实现光伏光热综合利用，仅可以将太阳能电池板采集电能，不能同时提供点能和热能，影响太阳能的综合利用效率。

发明内容

本发明的目的就是提供一种太阳能石英盲管光电和光热转化器件，采样石英盲管透光材料，在石英盲管器件的内部、外部表面上加工上太阳能光电和光热转换材料，将太阳能转换为电能和热能，将开口端进行密闭就可以直接使用，不需要再对其进行封装，降低了现有的太阳能光电和光热转换材料的成本；同时可以石英盲管透光器件的腔体内部设置流体或热管实现对太阳能光电和光热转换材料的温度的控制，使其始终保持高效的转换效率，其热能通过流体或热管进行传递后加以综合利用，从而实现太阳能发电、温控、提高太阳能转换效率、太阳能热利用综合一体化的利用。

为了提高太阳能利用效率，在器件的外部还设置有太阳能镜，将太阳能进行反射、折射、投射等聚焦，以提高效率，为了减少热损，在器件的外部增加了保温层。

具体发明内容如下：

一种太阳能石英盲管光电和光热转化器件，其特征是：至少包括一个透光石英盲管器件，在透光石英盲管器件上设置有一个太阳能光电和光热转换涂层，将太阳能转化为电能和热能。

透光石英盲管器件为含有至少一个开口的腔体，其至少一端为石英盲管，另一端开口，其腔体的形状可以为任何形状，但是优选为圆柱、球形、椭圆形、多面体的一种或多种，或腔体沿着一个轴线旋转而成的至少一端开口的腔体。

石英盲管器件选择石英材料生产盲管。

任何将太阳能转换为电能和热能的涂层材料适合于本发明的要求，太阳能光电和光热转换涂层加工在透光石英盲管器件的内部和/或外部的至少一部分表面上，优选为加工在太阳光可以照射的区域。

优选的太阳能光电和光热转换涂层选择下列至少一种：

A、单晶硅涂层；

B、多晶硅涂层；

C、非晶硅薄膜涂层；

D、晶硅薄膜涂层。

将所述太阳能光电的光热转换涂层分割为多个区域，每个区域内为一个独立的太阳能转换涂层单元，对于太阳能光电涂层，每个单元上设置有正负极电导线，多个单元的正负极相互连接，根据需要设置太阳能光电以及光热涂层的比例。

在透光石英盲管器件的内部和/或外部还设置有换热器件和/或换热流体。

换热器件选择自下列一种：

A、金属、非金属、金属和非金属复合管件；

B、热管的蒸发端。

含有一个开口的石英盲管部件，其一端为石英盲管，另一端开口，其内部插入金属管，金属管为石英盲管或设置有进口和出口的金属管，流体从金属管的石英盲管或从金属管的进口和出口流出，或者含有一个开口的石英盲管部件，其一端为石英盲管，另一端开口，其内部插入热管，热管的蒸发端设置在器件的内部，冷凝端设置在石英盲管管的外部，热管与器件紧密连接。

所述的流体为液体、气体、固液混合物、气液混合物、气液固混合物中的一种或多种。

任何种类的结构，主要符合换热的要求，都可以用于进行换热，通常换热部件的热管为至少下列一种热管：

A、普通热管；

B、整体热管；

C、分离式循环热管；

D、可连接热管；

F、脉冲热管。

针对不同的温度区间，可以采用不同的连接方式，换热器与石英盲管器件的连接方式采用下列一种：

A、过度材料连接，包括可伐合金连接、金属或陶瓷的过度材料；

B、内或外波纹管连接；

C、非金属软连接，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。

因而针对不同的应用温度，可以采用适合的封闭方式，通常石英盲管器件与换热器构成下列器件之一：

A、真空器件；通过抽真空或加热排气使得石英盲管器件与换热器件构成一个密闭腔体，内部可以保持真空度。

B、非真空期间；石英盲管器件与换热器件非真空密闭，气体可以进入或排出；

C、半真空期间；石英盲管器件与换热器件构成一个密闭腔体，但是不是采用真空密闭，随着使用内部的真空度将逐渐降低。

经过抽真空或填充惰性气体、保护气体后，将开口端进行密闭，密闭端可以使导线或换热器穿过。

在石英盲管器件外部、石英盲管器件与换热器件之间或/和在石英盲管器件的外部设置有太阳能镜；在石英盲管器件外部采用投射的各种太阳能镜将太阳光射入到腔体的内部，优选采用菲涅尔透镜；石英盲管器件与换热器件之间的器件，优选采用反射或折射的太阳镜，将进入到腔体的太阳光聚焦到换热器件上；对于在石英盲管器件的外部可以设置反射或透射镜，实现聚焦或者二次聚焦，即首先采用一种太阳能镜进行聚焦，如果需要再进行二次聚焦或多次聚焦，直到复合设计要求；对于高温的太阳能利用，辐射换热将成为关键换热，因而需要增加反辐射的太阳能镜，如可以采用低价的锡箔实现反辐射换热；无论采用哪种方式，只要可以将太阳光进行透射、反射、折射后聚焦于石英盲管上，都是本发明可以采用的方法，太阳能镜选自下列一种或其组合：

A、复合抛物面反射镜；

B、菲涅尔镜，包括透镜或反射镜；

C、凹、凸透镜；

D、盘式抛物面反射镜；

E、柱、槽状抛物面反射镜；

F、平面反射镜；

G、对热辐射进行反射的材料，包括锡箔。

在石英盲管器件或换热器件的太阳光不能照射到的部位上还是设置有保温材料，以便于减少热损，根据不同的应用温度，可以采用不同的保温方式，对于高温应用，首先需要石棉、纤维、水泥等实现高温的保温，然后还需要低温的聚氨酯、聚苯材料等保温材料，通常可以采用至少选择下列一种或多种的组合材料：

A、含有真空层的金属或非金属材料；

B、石棉、纤维保温材料；

C、保温水泥；

D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龙保温材料；

E、保温涂料；

可以采用任何形状实现本发明的目的，但是石英盲管器件及换热部件的形状通常可以为圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形、带有凹或凸孔的多面体的一种或多种，圆柱的器件适合于线聚焦的太阳能采集，如石英盲管、或内外部都是石英盲管管的器件，球形、椭圆形、多面体、扇形；以及带有凹或凸孔的圆柱、球形、椭圆形、多面体、扇形适合于蝶式及塔式太阳能的采集及利用，可以根据不同的太阳采集，采用不同的形状；带有凹或凸孔的圆柱用于增加太阳能的利用效率。

发明的有益之处：

1、通过一体化的设计，使得太阳能涂层可以直接的被加工盲管上后，通过直接封装后进行使用，进少了封装环节，从而减少了整体的成本。

2、通过一体化的设计可以实现光伏和光热综合应用，提高了太阳能整体的应用效率，降低了太阳能应用的成本；

3、通过一个器件，实现了光伏和光热采集，实现了光伏和光热的一体化的设计，减少了成本；

4、采样石英器件，增加了综合利用效率，降低了成本。

附图说明

图一：石英盲管太阳能光电和光热转化器；

图二：热管太阳能光电和光热转化器；

图三：六边形石英盲管光电和光热转化器；

图四：半圆形石英盲管光电和光热转化器。

图中标号具体说明如下：

1：石英盲管器件，2：换热器件，3：太阳能光电和光热转化涂层，4：连接方式，5：开口端，6：盲端，7：外部腔体，8：太阳能透镜，9：太阳能反射镜，10：保温材料。

具体实施方式

实施例一：石英盲管太阳能光电和光热转化器

按照图1所示，石英盲管器件的形状为圆柱体(1)，在圆柱体内部的腔体上加工上太阳能光电和光热涂层(3)，石英盲管为透光性好的石英，太阳能光透过白玻璃照射到内部的涂层从而将太阳能转换为电能。

可以将器件直接使用，也可以通过开口端(5)设置一种流体，流体将石英盲管内部的热能传递到外部，实现对器件的温度控制以及热能的采集。

实施例二：热管太阳能光电和光热转化器

按照图2所示，石英盲管器件的形状为圆柱体(1)，在圆柱体内部的腔体上加工上太阳能光电和光热涂层(3)为单晶硅和太阳能选择涂层，石英盲管为透光性好的石英，太阳能光透过塑料照射到内部的涂层从而将太阳能转换为电能和热能。

热管的蒸发端设置在石英盲管器件的腔体内部，热管通过连接结构(4)与石英盲管器件进行连接，冷凝端设置在石英盲管的外部；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；这样对于任何需要的工作温度，都可以采用石英盲管器件实现太阳能转换为电能和热能，采样热管实现温度的控制以及热能的采集，从而可以实现光电和光热与光热的综合利用。

实施例三：六边形石英盲管光电和光热转化器

按照图3所示，在圆柱体的石英盲管器件(1)的外部还设置有为六边形外部腔体(7)，在石英盲管器件的太阳光入射部位设置有太阳能透镜(8)，石英盲管器件上的换热器(2)是不锈钢的圆柱体器件，在石英盲管器件的腔体上设置有太阳能转换为电能的涂层，玻璃基板上的硅层的特性为p+层：10靘～40靘厚，电阻率2～3？0-8欧姆厘米；p层：8靘～10靘，电阻率：0.2～2欧姆厘米；n+层：0.2靘～0.4靘厚，电阻率1～2？0-3欧姆厘米；基板被分为3cm？cm的多个区域，太阳能光热转换涂层以及太阳能光电转换涂层的面积各种总面积的50％。

换热器件设置在石英盲管器件的内部，同时在换热器件上设置有进口(5)和出口(5)，流体从进口进入，从出口流出；对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；但是无论何种应用，通过流体的换热作用，始终保持将太阳能光电和光热转换涂层的温度控制在60度以下。这样可以实现光伏与光热的综合利用。

实施例四：半圆形石英盲管光电和光热转化器

按照图4所示为截面侧视图，石英盲管器件(1)设置在一个更大的金属半圆形器件的内部，在金属半圆器件上设置有太阳能透镜(8)，可以使太阳能光入射到腔体内(7)，在腔体内部与石英盲管器件外部设置有太阳能反射镜(9)，采用锡箔实现对辐射的反射，特别是是实现高温的太阳能采集时，需要针对辐射换热进行特别的反射处理；在石英盲管器件的太阳光不能照射的部位设置有保温材料(10)，内部的换热器(2)是一个热管，热管的蒸发端设置在石英盲管器件的内部，冷凝端设置在热管器件的外部，太阳能转换为电能的涂层(3)和太阳能光热涂层设置在石英盲管器件的外部壳体上，热管器件与石英盲管器件通过连接结构(4)进行连接。

对于低温的应用，可以采用非跟踪的太阳能采集，对于中温的应用，可以采用槽式线聚焦的太阳能采集，对于高温的应用，可以采用蝶式或塔式的太阳能跟踪技术；本结构特别适合于塔式及蝶式的太阳能采集，对于高温的太阳能利用更具备高效率和低成本；这样对于任何需要的工作温度，都可以实现太阳能的光伏与光热的采集和利用。

Claims (10)

1.一种太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：至少包括一个透光石英盲管器件，在透光石英盲管器件上设置有一个太阳能光电和光热转换涂层，将太阳能转化为电能和热能。

2.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：透光石英盲管器件为含有至少一个开口的腔体，腔体的形状为圆柱、球形、椭圆形、多面体的一种或多种，或腔体沿着一个轴线旋转而成的至少一端开口的腔体。

3.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：经过抽真空或填充惰性气体、保护气体后，将开口端进行密闭，密闭端可以使导线或换热器穿过。

4.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：太阳能光电和光热转换涂层加工在透光石英盲管器件的内部和/或外部的至少一部分表面上，优选为加工在太阳光可以照射的区域。

5.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：将所述太阳能光电的光热转换涂层分割为多个区域，每个区域内为一个独立的太阳能转换涂层单元，对于太阳能光电涂层，每个单元上设置有正负极电导线，多个单元的正负极相互连接，根据需要设置太阳能光电以及光热涂层的比例。

6.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：太阳能光电转换涂层选择下列至少一种：

A、单晶硅涂层；

B、多晶硅涂层；

C、非晶硅薄膜涂层；

D、晶硅薄膜涂层。

7.根据权利要求1所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：在透光石英盲管器件的内部和/或外部还设置有换热器件和/或换热流体，其中换热器件选择自下列一种：

A、金属、非金属、金属和非金属复合管件；

B、热管的蒸发端。

8.根据权利要求7所述的太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：换热器与透光石英盲管器件的连接方式采用下列一种：

A、过度材料连接，包括可伐合金、金属或陶瓷的过度材料；

B、内或外波纹管连接；

C、非金属软连接，包括采用橡胶胶圈、密封垫、硅胶圈、软木塞。

9.根据权利要求1-7所述的任一太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：在透光石英盲管器件外部、透光石英盲管器件与换热器件之间或/和在透光石英盲管器件的外部设置有太阳能镜，将太阳光进行反射、透射、折射后聚焦于石英盲管上，太阳能镜选自下列一种或其组合：

A、复合抛物面反射镜；

B、菲涅尔镜，包括透镜或反射镜；

C、凹、凸透镜；

D、盘式抛物面反射镜；

E、柱、槽状抛物面反射镜；

F、平面反射镜；

G、对热辐射进行反射的材料，包括锡箔。

10.根据权利要求1-7所述的任一太阳能石英盲管光电光热转化器件，其特征是：在透光石英盲管器件或换热器件的太阳光不能照射到的部位上还是设置有保温材料，为至少选择下列一种或多种的组合材料：

A、含有真空层的金属或非金属材料；

B、石棉、纤维保温材料；

C、保温水泥；

D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龙保温材料；

E、保温涂料。

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