CN101902162A - 一种黑体太阳能光电转化器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是提供一种黑体的太阳能光电转换器件，将太阳能转换器件设置为黑体结构，即设置为具有一个开口的腔体，太阳能光电转换涂层设置在黑体的内部壳体表面上，太阳光通过开口部位照射进入到黑体内，实现太阳能的转换与利用。这样可以实现将太阳光通过开口部位射入到腔体后最大程度的将太阳光进行吸收和转化，减少现有其他结构的反射、折射、透射等损失，提高转换效率。采样石英材料、塑料、金属、玻璃等不同的材料制造黑体，将现有的低温太阳能光电转换采真空玻璃管技术的材料可以选择更多种类，进而可以降低成本，提高效率。采样设置不同的太阳能镜将太阳能光进行反射、折射、投射，将太阳能光摄入到黑体中，可以实现不同温度的太阳能采集，特别是适合于中高温的太阳能采集及利用，更适合于槽式、塔式、蝶式太阳能的采集和利用。

Description

一种黑体太阳能光电转化器

技术领域

本发明涉及太阳能的电利用，将太阳能转化为电能的器件，涉及利用黑体器件将太阳能转换为电能。

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；

现有的对太阳能的中高温度利用的太阳灶，主要采用反射板对太阳光进行反射，将太阳能直接聚焦到一个灶具上，实现对太阳能的利用，此种技术很好的达到了太阳能的中高温收集，但其热能接受方式单一，仅是采用直接在其上面放置简单的灶具，而无法进行大规模的采集和利用；同时也无法实现对太阳能进行收集以便于夜间及阴雨天应用；

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电转换器件，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电转化太阳能转换器件，特别是塔式太阳能，主要由于光电转换器需要在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电转换器件改进。

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电转化，将是解决中高温太阳能采集的可行的技术方法。

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体枛黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑洞也许就是理想的黑体.基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff)，在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关，只与波长和温度有关。绝对黑体：只有吸收，没有反射。只开有一个小口的空腔，对于射入其中的光，可以完全吸收，故该空腔的开口可以作为绝对黑体。

结合石英以及黑体的特性，可以设计出新的更高效率的太阳能转换器件。

发明内容

本发明的目的就是提供一种黑体的太阳能光电转换器件，将太阳能转换器件设置为黑体结构，即设置为具有一个开口的腔体，太阳能光电转换涂层设置在黑体的内部壳体表面上，太阳光通过开口部位照射进入到黑体内，实现太阳能的转换与利用。这样可以实现将太阳光通过开口部位射入到腔体后最大程度的将太阳光进行吸收和转化，减少现有其他结构的反射、折射、透射等损失，提高转换效率。

采样石英材料、塑料、金属、玻璃等不同的材料制造黑体，将现有的低温太阳能光电转换采真空玻璃管技术的材料可以选择更多种类，进而可以降低成本，提高效率。

采样设置不同的太阳能镜将太阳能光进行反射、折射、投射，将太阳能光摄入到黑体中，可以实现不同温度的太阳能采集，特别是适合于中高温的太阳能采集及利用，更适合于槽式、塔式、蝶式太阳能的采集和利用。

具体发明内容如下：

一种黑体太阳能光电转化器，其特征是：至少包括一个开口部位的一个封闭腔体的黑体，在黑体的内部设置有太阳能涂层可以将太阳能转换为热能，太阳光可以从黑体的开口部位射入到腔体内部的涂层上，从而实现将太阳能转化为热能。

能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体，采样不透明的材料制成带小孔的的空腔，可近似看作黑体，就是本发明中的黑体器件.

可以采用任何形状实现本发明的目的，但是黑体器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，如石英管、或内外部都是石英管的器件，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。

黑体的形状优选为圆柱体、球形、锥体、多面体，或截面为抛物面、复合抛物面、双曲抛物面的一种或多种。将其设计成为利于光线在黑体内部进行吸收的结构，可以提高太阳光的吸收效率。

黑体材质为下列一种：

A、金属：不锈钢、铁管；

B、非金属：包括石英、玻璃、塑料；

C、复合材料，包括金属与非金属、金属与金属，非金属与非金属的复合管。

黑体或/和黑体的一部分腔体，被设计成为热管的蒸发端，或在黑体腔体的内部设置有热管的蒸发端，热管选择自下列至少一种：

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；

G、循环自激震荡热管。

黑体或/和黑体的内部的一部分被设计成为换热装置，或者黑体腔体的内部设置有换热装置，所述换热装置为至少含有一个进口(5)或/和一个出口(6)的部件，一种流体通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换，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。

在黑体的外部壳体上还设置有涂层，其至少选择自下列一种：

A、太阳能涂层，将辐射的太阳能转换为热能；

B、热辐射反射材料，将热辐射的热能反射进入到黑体；

C、保温涂料；

D、防腐涂层；

E、耐热涂层。

为了增加黑体的光电转化性能，还在黑体的内部和/或外部设置有含有多个凹、凸结构的粗糙表面、翅片、槽道。

在黑体的外部还设置有保温材料，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；

太阳能光电转换涂层为：

A、一种设置在黑体内部的涂层，可以将太阳能转换为电能，优选为单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜的至少一种涂层；

B、一种太阳能电池片，将太阳能转换为电能，优选为单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池片；

太阳能涂层分为光电电池板和光电转换涂层，光电电池板为已经制作完毕的太阳能电池板，将太阳能电池板设置在黑体内部，可以在黑体的内壁上，如采用薄膜电池设置在黑体内部，也可以将电池板设置在腔体中间，也可以采用在黑体的内表壁上设置光电涂层，而在腔体中间设置太阳能电池板，可以根据需要采样上述二类物质进行具体的组合。

但是无论采样何种光电涂层，都是将太阳能转换为电能，都是本发明的范围。

任何将太阳能转换为热能的涂层都适合于本发明的黑体，通常太阳能涂层为：金属及金属氧化物，包括；银、铜、三氧化二铝；聚合物；纳米材料；包括氧化锌纳米。

在黑体器件外部和/或黑体开口部位和/或开口部位周围设置有太阳能镜，将太阳光进行反射、透射、折射后聚焦于黑体入口和/或黑体外部壳体上，优选采用菲涅尔透镜；对于黑体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、折射后聚焦于黑体的开口部位上，都是可以采用的方法，通常太阳能镜选自下列一种：

A、复合抛物面反射镜；

B、菲尼尔镜，包括或反射镜；

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。

可以根据需要进行多种的组合而成为黑体阵列，通常可以通过串联、并联、或串并联组成一个阵列，以适合于50-1300度的非跟踪、槽式、蝶式、塔式的各种应用；

在黑体器件的外部，还设置有一个腔体，腔体内有至少一个黑体器件，黑体器件与腔体构成为一个可以封闭连接的器件，在腔体上设置有一个可以使太阳光射入到腔体内部的太阳能镜，太阳光射入到腔体内部黑体器件的开口部位。

有益的效果；

1、采样本发明的黑体结构进行太阳能的采集，减少了现有结构的反射、折射、投射，最大化的实现了太阳能的转换和利用；

2、采样二次反射黑体结构的转化器，可以实现跟踪的太阳能采集和利用，实现中温以及高温的太阳能利用。

3、可以实现太阳能光电与光热的一体化采集和利用。

4、采样石英等特殊材料，可以减少辐射、提高换热器件的效率。

附图说明

图一：椭圆黑体太阳能光电转化器

图二：圆柱体黑体太阳能光电转化器

图三：圆柱体黑体热管反射光电转化器

图四：外腔体圆柱黑体光电转化器

图五：矩形黑体投射聚光光电转化器

图中标号具体说明如下：

1：黑体器件，2：开口部位，3：太阳能涂层，4：热管换热器，5：流体进口，6：流体出口，7：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：椭圆黑体太阳能光电转化器

按照图1所示，采样石英材料制作而成的椭圆型黑体(1)，在黑体内部设置有太阳能转换涂层，将太阳光转换为电能，涂层采样单晶硅涂层。

实施例二：圆柱体黑体太阳能光电转化器

按照图2所示，采样玻璃管制作而成的圆柱黑体太阳能光电转换器，在其内部涂有太阳能转换涂层(3)，采样多晶硅太阳能涂层。在一段设置有圆柱的开口区域(2)，可以使太阳光射入到黑体内部，实现太阳能转换为电能。

实施例三：圆柱体黑体热管反射光电转化器

按照图3所示，采用石英管生产而成的圆柱体黑体，在石英管的内部设置有太阳能光电转换涂层(3)，采样非晶硅的薄膜电池涂层，黑体器件的太阳光入射部位设置有太阳能反射镜(9)，内部的换热器是热管(4)，热管的蒸发端设置在黑体的内部，冷凝端设置在黑体的外部，在热管的蒸发段设置有太阳能涂层(3)，换热器件与石英管通过连接结构进行连接。

实施例四：外腔体圆柱黑体光电转化器

按照图4所示，采用石英管生产而成的圆柱体黑体，在石英管的内部设置有太阳能光电转换涂层(3)，黑体被设置在一个六面体内部，六面体的太阳光入射面上设置有菲涅尔透镜，透镜与黑体开口部位之间设置有反射镜，太阳能光通过透镜和反射镜进入到黑体内，在黑体上内部设置有流体的换热器，设置有流体的进口管道和出口管道，换热器件与石英黑体通过连接结构进行连接；采样水为换热流体介质，将黑体内部的温度进行控制，保持太阳能光电转换涂层的温度在设定的温度范围，使其可以正常的工作，这样实现了光电与光热的综合利用。

实施例五：半圆形光电转化器

按照图5所示为截面侧视图，外部玻璃器件为一个半圆形的柱体(2)，石英黑体器件为一个矩形管(1)，太阳能转换涂层设置在矩形管内部，黑体被设置在半圆形器件的内部，黑体的开口部位(2)设置在顶部，并在其上设置有菲涅尔透镜(8)，为了减少辐射损失，在矩形黑体的外表面设置有放射镜(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；在黑体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(1)为一个热管，在热管上(1)设置有薄膜电池板，热管器件与外石英管通过连接结构进行连接，热管的蒸发端设置在黑体器件的内部，通过热管保持电池板以及黑体内部的温度，保证内部及电池板在正常的温度范围内进行工作，同时也增加了太阳能余热的利用，实现了光电与光热综合利用。

Claims (11)

1.一种黑体太阳能光电转化器，其特征是：至少包括一个开口部位的一个封闭腔体的黑体，在黑体的内部设置有太阳能涂层可以将太阳能转换为电能，太阳光可以从黑体的开口部位射入到腔体内部的涂层上，从而实现将太阳能转化为热能。

2.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：黑体的形状为圆柱体、球形、锥体、多面体，或截面为抛物面、复合抛物面、双曲抛物面、椭圆形、扇形、三角形、塔形、棱形的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：黑体材质为下列一种：

A、金属：不锈钢、铁管；

B、非金属：包括石英、玻璃、塑料；

C、复合材料，包括金属与非金属、金属与金属，非金属与非金属的复合管。

4.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：太阳能光电涂层为下列一种：

A、一种设置在黑体内部的涂层，可以将太阳能转换为电能，优选为单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜的至少一种涂层；

B、一种太阳能电池片，将太阳能转换为电能，优选为单晶硅、多晶硅、非晶硅、薄膜电池片。

5.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：黑体或/和黑体的一部分腔体，被设计成为热管的蒸发端，或在黑体腔体的内部设置有热管的蒸发端，热管选择自下列至少一种：

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；

G、循环自激震荡热管。

6.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：黑体或/和黑体的内部的一部分被设计成为换热装置，或者黑体腔体的内部设置有换热装置，所述换热装置为至少含有一个进口(5)或/和一个出口(6)的部件，一种流体通过进口进入，达到出口后流出，流体与部件中太阳能转化的热能进行热交换，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。

7.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：在黑体的外部壳体上还设置有涂层，其至少选择自下列一种：

A、太阳能涂层，将辐射的太阳能转换为热能；

B、热辐射反射材料，将热辐射的热能反射进入到黑体；

C、保温涂料；

D、防腐涂层；

E、耐热涂层。

8.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：为了增加黑体的光电转化性能，还在黑体的内部和/或外部设置有含有多个凹、凸结构的粗糙表面、翅片、槽道。

9.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：在黑体的外部还设置有保温材料，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。

10.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：在黑体器件的外部，还设置有一个腔体，腔体内有至少一个黑体器件，黑体器件与腔体构成为一个可以封闭连接的器件，在腔体上设置有一个可以使太阳光射入到腔体内部的太阳能镜，太阳光射入到腔体内部黑体器件的开口部位。

11.根据权利要求1所述的黑体太阳能光电转化器，其特征是：在黑体器件外部和/或黑体开口部位和/或开口部位周围设置有太阳能镜，将太阳光进行反射、透射、折射后聚焦于黑体入口和/或黑体外部壳体上，太阳能镜选自下列一种：

A、金属、非金属抛物面、符合抛物面反射镜；

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。

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