CN102088255B - 太阳能发电装置及太阳能发电模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能发电装置，其包括一个基板，至少一个太阳能芯片及一个碳纳米管薄膜层。该基板开设至少一个通孔。该至少一个太阳能芯片安装在该基板上，该至少一个太阳能芯片覆盖该至少一个通孔且包括一个远离该基板的受光面及一个暴露于该至少一个通孔内的散热面。该碳纳米管薄膜层设置于该散热面上。上述太阳能发电装置，通过在太阳能芯片的散热面上设置碳纳米管薄膜层，因碳纳米管薄膜具备较佳的散热性能，可有效对太阳能芯片进行散热，提升了太阳能发电装置的散热性能，同时，碳纳米管具备导电性，也可作为将太阳能芯片转换的电能输出至外部电路的电性连接介质。本发明还涉及一种太阳能发电模组。

Description

太阳能发电装置及太阳能发电模组
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电装置及一种具有该太阳能发电装置的太阳能发电模组。
背景技术
随着工业的快速发展，石油燃料逐步耗竭与温室效应气体排放问题日益受到全球关注，能源的稳定供应已成为全球性的重大课题。
相较于传统燃煤、燃气式或者核能发电，太阳能发电装置是利用其内的太阳能芯片的光发电效应直接将光能转换为电能，因而不会伴随产生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等温室效应气体及污染型气体，并可减少对石油燃料的依赖而提供安全自主的电力来源。
目前，太阳能发电装置的一个发展瓶颈为太阳能芯片的光电转换的效率。以聚光型太阳能发电装置为例，其太阳能芯片能达到最高的光电转换效率为40.7%。因此，照射到太阳能芯片上的大部分的光能转变为热能，使太阳能芯片的工作温度升高。如不及时将太阳能芯片的工作温度降低，将会导致太阳能芯片使用寿命的大幅下降及光电转换效率的降低。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种散热性能良好的太阳能发电装置及一种具有该太阳能发电装置的太阳能发电模组。
一种太阳能发电装置，其包括一个基板，至少一个太阳能芯片、一个碳纳米管薄膜层及至少一个风扇。该基板开设一个至少通孔。该至少一个太阳能芯片安装在该基板上，该至少一个太阳能芯片覆盖该至少一个通孔且包括一个远离该基板的受光面及一个暴露于该通孔内的散热面。该碳纳米管薄膜层直接设置于该散热面上，且覆盖该至少一个通孔。该至少一个风扇设置于该基板上并覆盖该至少一个通孔，该至少一个风扇与该至少一个碳纳米管薄膜层位于该至少一个通孔的相对两端。
一种太阳能发电模组，其包括多个上述的太阳能发电装置，该多个太阳能发电装置以阵列形式排列。
与现有技术相比，本发明的太阳能发电装置及太阳能发电模组，通过在太阳能芯片的散热面上设置碳纳米管薄膜层，因碳纳米管薄膜具备较佳的散热性能，可有效对太阳能芯片进行散热，提升了太阳能发电装置的散热性能，同时，碳纳米管具备导电性，也可作为将太阳能芯片转换的电能输出至外部电路的电性连接介质。
附图说明
图1为本发明第一实施方式提供的一种太阳能发电装置的立体示意图。
图2为图1的太阳能发电装置沿II-II线的截面示意图。
图3为本发明第一实施方式中的碳纳米管薄膜层制备方法的装置示意图。
图4为图3中的碳纳米管薄膜层的部分放大示意图。
图5为本发明第二实施方式提供的一种太阳能发电装置的截面示意图。
图6为本发明第三实施方式提供的一种太阳能发电装置的截面示意图。
图7为本发明第四实施方式提供的一种太阳能发电装置的立体示意图。
图8为图7中的太阳能发电装置沿VIII-VIII线的截面示意图。
图9为本发明第五实施方式提供的一种太阳能发电装置的截面示意图。
图10为本发明第六实施方式提供的一种太阳能发电装置的截面示意图。
主要元件符号说明
太阳能发电装置   20、40、50、60、70、80
基板             21、41、51、61、71、81
太阳能芯片       22、42、52、62、72
聚光透镜         23、63、73
碳纳米管薄膜层   24、44、54、64、74
通孔             210、410、510、610、710、810
受光面           220
散热面           222、522
露出区域         224
碳纳米管阵列     116
基底             114
样品台           110
碳纳米管薄膜     118
碳纳米管束       142
碳纳米管         143
二次聚光器       25、65
风扇             26、56、66、76、86
大端             250
小端             252
第一开口         254
第二开口         256
内表面           25a
通孔群           512、712
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1及图2，本发明第一实施方式提供的一种太阳能发电装置20包括一个基板21、一个太阳能芯片22、一个聚光透镜23及一个碳纳米管薄膜层24。
该基板21大致呈长方体形，其可为陶瓷基板。基板21开设有一个通孔210。该太阳能芯片22设置在基板21上以接受太阳光并将太阳光转换为电能输出。太阳能芯片22覆盖通孔210。优选地，太阳能芯片22的材料选自III-V族半导体材料，如砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）或磷化铟（InP），其光电转换效率较高。
太阳能芯片22包括一个远离该基板21的受光面220及一个暴露于该通孔210内的散热面222。
聚光透镜23设置在太阳能芯片22的上方与受光面220相对，并用于将太阳光会聚至受光面220。优选地，该聚光透镜为菲涅耳透镜（Fresnel Lens）。
该碳纳米管薄膜层24设置于该散热面222上。本实施方式中，该碳纳米管薄膜层24是位于通孔210内，碳纳米管薄膜层24是设置于散热面222被通孔210暴露的露出区域224上。碳纳米管薄膜层24可利用导热胶贴附于该露出区域224上以加强碳纳米管薄膜层24的附著力。
碳纳米管薄膜层24的制备方法包括直接生长法、絮化法、碾压法或拉膜法等其它方法。所述直接生长法为用化学气相沉积法于一基板上生长获得碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为无序或有序碳纳米管薄膜，所述无序碳纳米管薄膜中包括多个无序排列的碳纳米管，所述有序碳纳米管薄膜中包括多个相互平行的碳纳米管。所述絮化法制备碳纳米管薄膜包括以下步骤：将直接生长得到的碳纳米管加入到溶剂中并进行絮化处理获得碳纳米管絮状结构；以及将上述碳纳米管絮状结构从溶剂中分离，并对该碳纳米管絮状结构定型处理以获得碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为无序碳纳米管薄膜，且包括多个相互缠绕且各向同性的碳纳米管。该无序碳纳米管薄膜可作为碳纳米管薄膜层24。所述碾压法制备碳纳米管薄膜包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列形成于一基底上；以及提供一施压装置挤压上述碳纳米管阵列，从而得到碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜为有序碳纳米管薄膜，且包括多个沿一个或多个方向择优取向排列的碳纳米管。
本实施方式中，碳纳米管薄膜层24包括多个相互平行排列的碳纳米管。该多个相互平行排列的碳纳米管的排列方向与该散热面222平行。
请参阅图3，以拉膜法制备本实施方式的碳纳米管薄膜层24的方法作为例子加以说明，该方法具体包括以下步骤：
（一）制备一个碳纳米管阵列116于一个基底114上。
本步骤中，所述碳纳米管阵列116为一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列116的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底114，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施方式优选为采用4英寸的硅基底114；（b）在基底114表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底114在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；（d）将处理过的基底114置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列116，其高度为200微米～400微米。该超顺排碳纳米管阵列116为多个彼此平行且垂直于基底114生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列116。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列116中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列116中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。本步骤中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
上述形成有碳纳米管阵列116的基底114可固定于样品台110上。具体地可以选用胶带、粘结剂或机械方式固定基底114于样品台110上。
（二）采用拉伸工具100从碳纳米管阵列116中拉取以获得碳纳米管薄膜118。
所述拉取获得碳纳米管薄膜118的方法具体包括以下步骤：从上述碳纳米管阵列116中选定一定宽度的多个碳纳米管片断，将该多个碳纳米管片段固定于拉伸工具100上，本实施方式优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列116以选定一定宽度的多个碳纳米管片断；以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列116生长方向拉伸该多个碳纳米管片断，以形成一连续的碳纳米管薄膜118。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片断在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底114的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片断分别与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成碳纳米管薄膜118。请参阅图4，碳纳米管薄膜118为定向排列的多个碳纳米管束142首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜118。该碳纳米管束142包括多个长度相等且相互平行排列的碳纳米管143。所述碳纳米管薄膜118中的碳纳米管束142的长度基本相同，碳纳米管束142之间通过范德华力紧密连接。该碳纳米管薄膜118中碳纳米管的排列方向基本平行于该碳纳米管薄膜118的拉伸方向。
该碳纳米管薄膜118的宽度与碳纳米管阵列116所生长的基底114的尺寸有关，该碳纳米管薄膜118的长度不限，可根据实际需求制得，厚度为0.001微米～100微米。本例子中，采用4英寸的基底114生长超顺排碳纳米管阵列116，该碳纳米管薄膜118的宽度可为1厘米～10厘米，厚度为0.01微米～100微米。
当然，碳纳米管薄膜层24可包括相互叠合在一起的多个上述碳纳米管薄膜118。碳纳米管薄膜层24中相邻的两个碳纳米管薄膜118中的碳纳米管排列方向具有一交叉角度α，0°≤α≤90°，具体可依据实际需求制备。相邻两个碳纳米管薄膜118之间通过范德华力紧密结合。
另外，在其它实施方式中，也可以将该超顺排碳纳米管阵列116沿该阵列116的生长方向贴附于该露出区域224而形成该碳纳米管薄膜层24。此时，碳纳米管薄膜层24的多个相互平行排列的碳纳米管的排列方向与该散热面222垂直。
在本第一实施方式中，为了进一步提高光线利用率及散热性能，该太阳能发电装置还包括二次聚光器25及风扇26。
该二次聚光器25呈中空的方形漏斗状，其包括大端250及小端252。该大端250与该聚光透镜23相对，且开设有方形的第一开口254。该小端252与该太阳能芯片22的受光面220相对，且开设有方形的第二开口256。该第一开口254比第二开口256大。该第一开口254与第二开口256相通。第二开口256在受光面220上的正投影面积与受光面220的面积相当，或比受光面220的面积小，以保证从二次聚光器25经第二开口256出射的光线全部被受光面220接收的目的。当然，同时也可配合调整二次聚光器25与太阳能芯片22的距离以达到上述目的。二次聚光器25的内表面25a为光反射面。该二次聚光器25可收集穿过聚光透镜23的散射光及会聚光并会聚至受光面220。
该风扇26为排气风扇，其设置于基板21上并覆盖通孔210。风扇26与太阳能芯片22位于基板21的两侧。如此，可将碳纳米管薄膜层24散发的热量快速带走。当然，该风扇26也可以为其它类型的风扇，只要起到增强碳纳米管薄膜层24附近空气的流动速度即可。
上述的太阳能发电装置20，通过在太阳能芯片22的散热面222上设置碳纳米管薄膜层24，因碳纳米管薄膜具备较佳的散热性能，可有效对太阳能芯片22进行散热，提升了太阳能发电装置20的散热性能，同时，碳纳米管具备导电性，也可作为将太阳能芯片22转换的电能输出至外部电路（图未示）的电性连接介质。
请参阅图5，为本发明第二实施方式提供的一种太阳能发电装置40。该太阳能发电装置40与第一实施方式的太阳能发电装置20的不同之处在于：太阳能发电装置40的碳纳米管薄膜层44的位置不同。该碳纳米管薄膜层44位于基板41与太阳能芯片42之间，且该碳纳米管薄膜层44覆盖基板41的通孔410。
请参阅图6，为本发明第三实施方式提供的一种太阳能发电装置50。该太阳能发电装置50与第一实施方式的太阳能发电装置20的不同之处在于：该太阳能发电装置50的基板51开设有多个通孔510及该太阳能发电装置50包括多个碳纳米管薄膜层54。该多个通孔510形成一个通孔群512。太阳能芯片52覆盖该通孔群512。该多个碳纳米管薄膜层54分别位于多个通孔510内。风扇56覆盖通孔群512。
制作太阳能发电装置50时，可先在太阳能芯片52的散热面522与多个通孔510对应的位置上设置（如贴附）多个碳纳米管薄膜层54，然后将设置有碳纳米管薄膜层54的太阳能芯片52安装于基板51上，使多个碳纳米管薄膜层54分别位于多个通孔510内。
请参阅图7及图8，为本发明第四实施方式提供的一种太阳能发电装置60。该太阳能发电装置60包括一个基板61，二个太阳能芯片62，二个聚光透镜63、二个碳纳米管薄膜层64、二个二次聚光器65及二个风扇66。
该基板61开设有二个通孔610。每个太阳能芯片62安装在基板61，并覆盖对应的一个通孔610。
每个太阳能芯片62，聚光透镜63、碳纳米管薄膜层64、二次聚光器65及风扇66的配置与本发明第一实施方式的太阳能发电装置20的太阳能芯片22，聚光透镜23、碳纳米管薄膜层24、二次聚光器25及风扇26的配置相同。
请参阅图9，为本发明第五实施方式提供的一种太阳能发电装置70。该太阳能发电装置70包括一个基板71，二个太阳能芯片72，二个聚光透镜73、多个碳纳米管薄膜层74、二个二次聚光器75及二个风扇76。
该基板71开设有多个通孔710。该多个通孔710形成二个通孔群712，该二个通孔群712相互间隔预定距离。每个太阳能芯片72安装在基板71，并覆盖对应的一个通孔群712。每个碳纳米管薄膜层74位于对应的一个通孔710内。
每个聚光透镜73、二次聚光器75及风扇76的配置与第一实施方式的太阳能发电装置20的聚光透镜23、二次聚光器25及风扇26的配置相同。
请参阅图10，为本发明第六实施方式提供的一种太阳能发电装置80。该太阳能发电装置80与第四实施方式的太阳能发电装置60的不同之处在于：太阳能发电装置80的风扇86的数量不同。该太阳能发电装置80包括一个风扇86。该风扇86覆盖基板81的二个通孔810。
可以理解的是，根据以上的实施方式，本发明还包括其它的实施方式，如在这些其它的实施方式中，碳纳米管薄膜层是位于太阳能芯片与基板之间并覆盖（对应的）一个通孔或（对应的）一个通孔群；一个风扇可以覆盖多个通孔群等，在此不再赘述。
当使用上述实施方式的太阳能发电装置时，可将上述太阳能发电装置作为一个发电单元，并将多个太阳能发电装置排列为阵列形式以形成一个太阳能发电模组。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种太阳能发电装置，其特征在于：其包括：
一个基板，开设至少一个通孔；
安装在该基板上的至少一个太阳能芯片，该至少一个太阳能芯片覆盖该至少一个通孔且包括一个远离该基板的受光面及一个暴露于该至少一个通孔内的散热面；
直接设置于该散热面上的至少一个碳纳米管薄膜层，该至少一个碳纳米管薄膜层覆盖该至少一个通孔；及
至少一个风扇，该至少一个风扇设置于该基板上并覆盖该至少一个通孔，该至少一个风扇与该至少一个碳纳米管薄膜层位于该至少一个通孔的相对两端。
2.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该碳纳米管薄膜层位于该至少一个通孔内。
3.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该碳纳米管薄膜层包括多个无序排列的碳纳米管。
4.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该碳纳米管薄膜层包括多个相互平行排列的碳纳米管。
5.如权利要求4所述的太阳能发电装置，其特征在于：该多个相互平行排列的碳纳米管的排列方向与该散热面平行。
6.如权利要求4所述的太阳能发电装置，其特征在于：该多个相互平行排列的碳纳米管的排列方向与该散热面垂直。
7.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该太阳能发电装置还包括一个与该受光面相对的至少一个聚光透镜，该至少一个聚光透镜用于将光线会聚至该受光面。
8.如权利要求7所述的太阳能发电装置，其特征在于：该太阳能发电装置还包括设置于该至少一个聚光透镜及该至少一个太阳能芯片之间的至少一个二次聚光器。
9.如权利要求7所述的太阳能发电装置，其特征在于：该至少一个聚光透镜为菲涅耳透镜。
10.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该至少一个通孔包括多个通孔，该至少一个太阳能芯片包括多个太阳能芯片，该每个太阳能芯片覆盖对应的一个通孔。
11.如权利要求1所述的太阳能发电装置，其特征在于：该至少一个通孔包括多个通孔，该多个通孔形成至少一个通孔群，该至少一个太阳能芯片覆盖该至少一个通孔群。
12.如权利要求11所述的太阳能发电装置，其特征在于：该至少一个通孔群包括多个通孔群，该至少一个太阳能芯片包括多个太阳能芯片，该每个太阳能芯片覆盖对应的一个通孔群。
13.一种太阳能发电模组，其包括多个如权利要求1-12任一项所述的太阳能发电装置，该多个太阳能发电装置以阵列形式排列。
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