CN102377364A - 太阳能电热联产装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能光电、光热综合利用领域，具体的本发明太阳能电热联产装置，其包括光电转换组件、管板式集热组件、热空气收集组件以及附件部分。本发明的太阳能电热联产装置利用新材料、新工艺，彻底解决太阳能电池板工作温度过高的问题，在保证光电转换率最大化的同时，实现光热利用最大化。

Description

太阳能电热联产装置

技术领域

本发明涉及太阳能开发利用领域，特别涉及一种太阳能电热联产装置，属于太阳能光伏发电+热水+热空气共存一体系统的应用技术领域。

背景技术

太阳能是一种取之不尽、用之不竭、处处均可开发利用的可再生能源，其开发利用状况已作为政府实现节能降耗、减少二氧化碳排放的重要考核指标。近年，相当一部分城市出台了新建12层以下建筑强制安装太阳能热水器的政策，但其实际执行状况并不尽如人意，太阳能利用与建筑一体化仍有很多局限。例如，以目前市售的真空管太阳能热水器的应用状况来看，由于存在不抗压、抗冻能力差、易碎等问题，因此很难真正做到太阳能热水器与建筑一体化；另外在光电领域，太阳能电池单独安装光电转换率低，非晶硅4.5-6％、微晶硅6-8％、单晶硅13.5-15.5％，且成本偏高。在国内外，光电光热一体化的理论研究不多见，真正制成实样并被社会广泛接受的产品更是寥寥无几，并且产品的综合利用效果也并不理想。主要是由于光伏组件制作时在层压过程中采用的EVA及TPT背膜技术阻碍电池板的散热。在阳光辐射下，在光生伏特效应产生电流的同时又产生大量的热能，由于EVA和TPT的导热系数低，使沉积在太阳能电池板上的热能无法迅速散出，从而导致不能正常发电，且又影响使用寿命。目前市售较为成熟的各款平板型集热器不能完全与太阳能电池板圆满组合。

在中国专利申请号为200810214808.4的专利中，公开了一中光电光热一体化相关的技术，其一，从文中的叙述“所述太阳能电池板依次由太阳能电池组、导热绝缘树脂胶及与热管为一体的吸热翅片组装而成”可知，所述的太阳电池板其中应该包括了封装使用的EVA、TPT背板这两种高分子封装材料。而其中，前者的导热系数为0.32W/mK，后者的导热系数为0.6W/mK，该两种材料把太阳能电池工作时的热量基本封死。在阳光充足时，理论上应能产生更大的电能，而实际应用中适得其反，且又严重影响到太阳能电池的使用寿命；其二，通过“导热绝缘树脂胶”将“热管为一体的吸热翅片组装而成”，该导热绝缘树脂胶在室外常年与TPT背板胶合，在冷热骤变过程中，由于分子密度不同，很容易产生龟裂，脱离，形成间隙，最终导致吸热翅片有热无法吸收；其三，热管原理在单一产品的应用技术上已经较成熟，但与光电光热一体化上的应用尚存在不合理性。其中热管蒸发段以一塞了之，靠的是胶圈的作用。如果整体焊接，需大量高级别焊工或花巨资购进高性能焊接机械才能完成，对产品大规模生产带来麻烦，也使产品成本大大提高，另外热管吸收段吸收的热量靠蒸发段有限的散热面积散热，不足以快速降解电池板背面温度，市场难以推广；其四，该专利设计时，光电光热以条状布局，中间留有间隙，阳光在每平方的辐射能量未能完全利用，不符合能源利用最大化的宗旨。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷及材料应用的不合理性提供一种太阳能电热联产装置。该装置的最大特点是利用新材料、新工艺，彻底解决太阳能电池板工作温度过高问题，保证光电转换率最大化的同时，实现光热利用最大化。

为达到本发明的目的，本发明是通过以下技术方案实现的：太阳能电热联产装置包括光电转换组件、管板式集热组件、热空气收集组件以及附件部分。

其中，光电转换组件由太阳能电池非标组件，包括晶体硅类太阳能电池非标组件或非晶硅类太阳能电池半成品组件，IHCEVA(绝缘导热EVA)构成。

管板式集热组件部分包括金属板、集热工质管、上连接管、下连接管、工作流体进口、工作流体出口、工作流体以及连接块。金属板通过焊接或导热胶与集热工质管固定；集热工质管一头与上连接管通过焊接或连接块密封固定，其另一头与下连接管通过焊接或连接块密封固定；上连接管上设置有工作流体出口，上连接管两头用管封头电焊密封固定，下连接管上设置有工作流体进口，下连接管两头用管封头电焊密封固定。

热空气收集组件包括热空气收集管、进风口、出风口、吸风器或排风机以及电磁调控档栅。热空气收集管一面与金属板焊接或用导热胶固定；进风口、出风口设置在边框13或底板上；吸风器或排风机设置在出风口或总出风口管上；电磁调控档栅固定在进风口或总进风口管上，便于不需要热空气时起到封阻作用。

附件部分包括保温层、边框、密封胶、螺钉以及接线盒。

其中，组装好的管板式集热组件部分与晶体硅类太阳能电池非标组件或非晶硅类太阳能电池半成品组件通过IHCEVA在真空层压机中热压成一体，冷却后，将组合好的光电转换组件和管板式集热组件部分用边框固定。保温层安装在热空气收集管、集热工质管与底板中间，底板用抽芯铆钉固定在边框上，每块太阳能电池板均带有两个正负电压输出电极，从金属板、保温层、底板上的孔引出后与接线盒固定接通。工作流体通过工作流体进口和进风口注入。

所述的太阳能电池非标组件采用已商品化、市场化的比如由无锡尚德太阳能电力有限公司、浙江慈能光伏科技有限公司及无锡长乐光伏科技有限公司等生产的晶体硅与非晶体硅薄膜太阳能电池板经特殊层压后的组件。晶体硅类太阳能电池板主要部分是若干块具有一定几何形状能产生光生伏特效应的小晶片。非晶体硅薄膜太阳能电池由TCO镀膜玻璃、a-sip-层、s-sii-层、a-sin-层、铝电极组成。微晶硅薄膜太阳能电池则是通过增加一个或多个吸收层来实现叠层结构、使太阳能电池发电效率提高30％左右。

所述的晶体硅类太阳能电池非标组件和非晶体硅类薄膜太阳能电池半成品部分，前者指多晶硅、单晶硅太阳能电池尚未完成的组件，将原与TPT接触的一层EVA改换成IHCEVA，并弃用原来的TPT，改用管板式集热组件，通过真空层压机热压成一体；或采用绝缘导热胶将晶体硅类半成品部分与管板式集热组件粘合成一体。后者指非晶硅、微晶硅太阳能电池尚未完成的组件，其中将传统EVA改换成IHCEVA，弃用原来的封装用TPT或底板玻璃，改用管板式集热组件，通过真空层压机热压成一体，或采用绝缘导热胶将非晶硅类太阳能电池尚未完成的组件与管板式集热组件粘合成一体。

所述的IHCEVA是一种塑料物料，由乙烯(E)、烯基醋酸(VA)加AL₂O₃(氧化铝)、SiC(碳化硅)、Si₃N₄纳(氧化硅)、BN(氮化硼)，也可在EVA材料中增加纳米级金属氧化物粉体或金属丝网、带孔金属薄板热熔制成。

所述的集热工质管采用防锈铝合金挤压成型，集热工质管为圆管，方管，扁管，异型管，并与基座一次成型，基座上有大于管径往两边延伸10～20mm的贴边。也可采用B7传热铜合金，不锈钢焊接制成管板状。

所述的热空气收集管为圆管、方管、扁管或其他异型金属管。热空气收集管的出口与另一根热空气收集管的进口用连接管连接，形成S型气体走道。本发明由于热空气收集器的存在，更有利于提高热回收利用率。

所述的连接块采用与集热工质管同质材料，同心开孔后套装在集热工质管管头上。集热工质管管头往四周翻边，可与连接块焊接密封固定或者使用耐高温O型密封圈用螺钉与上连接管、下连接管密封固定。

所述的上连接管、下连接管可采用与集热工质管同质的材料，制成U型接头状，套装密封固定在集热工质管上、下两头，可以利用工作流体自然压力使工作流体由进口成S型从工作流体出口排出。

所述的上连接管、下连接管可采用一字型方管或圆管。一字型方管或圆管上间隔开有若干个大于集热工质管的孔，将集热工质管套装焊接固定后密封效果更佳。

所述的工作流体采用市售Z-Z超导介质或低温导热油或在低温30℃～40℃时可以气化的超导液；无霜、无冻地区，可直接采用水作为工作流体；不具备上述条件地区可采用空气作为工作流体；也可同时使用液态工作流体和空气作为工作流体。

太阳能电池板(包括晶体硅和非晶体硅薄膜电池)接受太阳能辐射后，产生光生伏特效应，并将太阳辐射能直接转换成电能，在控制器的作用下进入蓄电池储存，也可以通过DC-AC、DC-DC逆变器直接向用电器提供电能，或转换成交流电输出至电网。

太阳能电池板接受太阳辐射后产生电能的同时又产生了大量的热能。在阳光充足时，太阳能电池板的温度甚至高达70℃左右，大量热能通过IHCEVA传递至金属板上，由于金属板上设置有集热工质管，低温的工作流体从下连接管进口进入集热工质管，根据热传递的特点，聚集在金属板上的热能通过集热工质管向工作流体传递，从而加热工作流体，加热后的工作流体由上连接管出口排出使用，同时金属板上的热量一并进入热空气收集管中，而进入热空气收集管中的热能在需要时通过吸风装置，将热空气抽出，以供使用。

本发明的太阳能电热联产装置创新性地提出了太阳能光伏发电+热水+热空气共存一体的理念，必将在太阳能利用领域引起巨大反响。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：

图1是太阳能电、热联产装置主视图

图2是太阳能电、热联产装置(非晶硅)A-A剖视图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的太阳能电热联产装置由光电转换组件、管板式集热组件、热空气收集组件、附件四部分组合而成。

光电转换组件可以为太阳能电池非标组件1，包括晶体硅类太阳能电池非标组件或非晶硅类太阳能电池半成品组件，IHCEVA2(绝缘导热EVA)构成。

管板式集热组件部分包括金属板3、集热工质管4、上连接管12、下连接管9、工作流体进口10、工作流体出口15、工作流体16以及连接块。金属板3通过焊接或导热胶与集热工质管4固定；集热工质管4一头与上连接管12通过焊接或连接块密封固定，其另一头与下连接管9通过焊接或连接块密封固定；上连接管12上设置有工作流体出口15，上连接管12两头用管封头电焊密封固定，下连接管9上设置有工作流体进口10，下连接管9两头用管封头电焊密封固定，

热空气收集组件包括热空气收集管11、进风口7、出风口14、吸风器或排风机以及电磁调控档栅。热空气收集管11一面与金属板3焊接或用导热胶固定；进风口7、出风口14设置在边框13或底板6上；吸风器或排风机设置在出风口14或总出风口管上；电磁调控档栅固定在进风口7或总进风口管上，便于不需要热空气时起到封阻作用。

附件部分包括保温层5、边框13、密封胶、螺钉以及进风口7。

组装好的管板式集热组件部分与晶体硅类太阳能电池非标组件1或非晶硅类太阳能电池半成品组件通过IHCEVA2在真空层压机中热压成一体，冷却后，将组合好的光电转换组件和管板式集热组件部分用边框13固定。保温层5安装在热空气收集管11、集热工质管4与底板6中间，底板6用抽芯铆钉固定在边框13上，每块太阳能电池板均带有两个正负电压输出电极，从金属板3、保温层5、底板6上的孔引出后与进风口7固定接通。工作流体16通过工作流体进口10和进风口7注入。

所述的太阳能电池非标组件1采用已商品化、市场化的例如由无锡尚德太阳能电力有限公司、浙江慈能光伏科技有限公司及无锡长乐光伏科技有限公司等生产的晶体硅与非晶体硅薄膜太阳能电池板经特殊层压后的组件。晶体硅类太阳能电池板主要部分是若干块具有一定几何形状能产生光生伏特效应的小晶片。非晶体硅薄膜太阳能电池由TCO镀膜玻璃、a-sip-层、s-sii-层、a-sin-层、铝电极组成。微晶硅薄膜太阳能电池则是通过增加一个或多个吸收层来实现叠层结构、使太阳能电池发电效率提高30％左右。

所述的晶体硅类太阳能电池非标组件和非晶体硅类薄膜太阳能电池半成品部分，前者指多晶硅、单晶硅太阳能电池尚未完成的组件，将原与TPT接触的一层EVA改换成IHCEVA2，并弃用原来的TPT，改用管板式集热组件，通过真空层压机热压成一体；或采用绝缘导热胶将晶体硅类半成品部分与管板式集热组件粘合成一体。后者指非晶硅、微晶硅太阳能电池尚未完成的组件，其中将传统EVA改换成IHCEVA2，弃用原来的封装用TPT或底板玻璃，改用管板式集热组件，通过真空层压机热压成一体，或采用绝缘导热胶将非晶硅类太阳能电池尚未完成的组件与管板式集热组件粘合成一体。

所述的IHCEVA2是一种塑料物料，由乙烯(E)、烯基醋酸(VA)加AL₂O₃(氧化铝)、SiC(碳化硅)、Si₃N₄纳(氧化硅)、BN(氮化硼)，也可在EVA材料中增加纳米级金属氧化物粉体或金属丝网、带孔金属薄板热熔制成。

所述的集热工质管4采用防锈铝合金挤压成型，集热工质管4为圆管，方管，扁管，异型管，并与基座一次成型，基座上有大于管径往两边延伸10～20mm的贴边。也可采用B7传热铜合金，不锈钢焊接制成管板状。

所述的热空气收集管11为圆管、方管、扁管或其他异型金属管。热空气收集管11的出口与另一根热空气收集管11的进口用连接管连接，形成S型气体走道。本发明由于热空气收集器的存在，更有利于提高热回收利用率。

所述的连接块采用与集热工质管4同质材料，同心开孔后套装在集热工质管4管头上。集热工质管4管头往四周翻边，可与连接块焊接密封固定或者使用耐高温O型密封圈用螺钉与上连接管12、下连接管9密封固定。

所述的上连接管12、下连接管9可采用与集热工质管4同质的材料，制成U型接头状，套装密封固定在集热工质管4上、下两头，可以利用工作流体16自然压力使工作流体16由进口成S型从工作流体出口15排出。

所述的上连接管12、下连接管9可采用一字型方管或圆管。一字型方管或圆管上间隔开有若干个大于集热工质管4的孔，将集热工质管4套装焊接固定后密封效果更佳。

所述的工作流体16采用市售Z-Z超导介质或低温导热油或在低温30℃～40℃时可以气化的超导液；无霜、无冻地区，可直接采用水作为工作流体16；不具备上述条件地区可采用空气作为工作流体16。也可同时使用液态工作流体16和空气作为工作流体16。

本发明的太阳能电热联产装置具有明显的技术和性价优势，具体如下：

一、采用高热导功能热合膜技术，技术先进，材料创新

本发明在关键太阳能电池板的封装技术上一改国内外传统做法，经科技人员多年的艰苦努力研制实试，弃用原有晶体硅太阳能电池板与背板TPT之间使用的常规EVA；非晶体硅薄膜电池板封装用常规EVA，改用自主研发的IHCEVA，由于采用了IHCEVA，使导热系数由原来的0.32W/mK提高到0.98W/mK，是原来的3倍并且还有进一步提高的空间。同时弃用传统TPT，改用管板式集热组件，并采用真空层压机热压制成一体。当太阳能辐射至太阳能电池板上时，太阳能电池板在将太阳能转换成电能的同时，通过IHCEVA把沉积在金属板上的热能通过集热工质管和热空气收集器向工作流体传递，在同一个装置上实现了光电与热水、热空气同步转换。本发明由于打破常规做法，大胆启用新技术、新材料、新工艺，因此在光电转换、热水、热空气收集上达到了理想的效率，使太阳能利用率成倍增加。

二、PV/T耦合能效协增技术，性能优越，性价比高

本发明基于成熟完善的光电、光热性能的数值模拟，首创太阳能光电、光热一体技术，通过运用新材料IHCEVA，将光电转换组件与管板式金属集热板热压成一体，并同步配置有管状热空气收集器，集热工质管与热空气收集管总体集热面积占整块金属板的80％。根据牛顿冷却定律，对流换热时，单位时间内物体单位表面积与流体交换的热量，同物体表面温度与流体温度之差成正比。由于IHCEVA的高导热率，将太阳能电池板的热量迅速传导至金属板，并被集热工质管及热空气收集管吸收利用。集热工质管及热空气收集管在整个装置中不仅起到集热作用；又由于集热工质管及热空气收集管内工作流体不断运动，金属板温度始终低于太阳能电池板温度，因此集热工质管及热空气收集管同样对太阳能电池板起到冷却作用，使太阳能电池板的工作温度始终保持在最佳发电状态，从而提高发电量。

本发明创新性地将光电、光热技术结合，在解决电池板温度过高的同时，做到太阳能热收集并利用，从而达到太阳能利用率的最大化。由于本发明具有优异的性价比，将为其产品化、市场化带来可能。如表所述：

各款太阳能应用产品性价比

注：日照1000W/m²；AM＝1.5

单晶硅太阳能电池组件额定发电量为130W/m²，价格为16元/瓦，热损系数为0.5％/℃。

由此可见，本发明的太阳能电热联产装置的性能明显超越单一太阳能电池板的光电转化率及太阳能热水器的光热转化率，光电年转换率提高了(5-8％)以上，太阳能的综合利用率达到65％以上，大大促进了太阳能的开发利用。其优越的性能配以绝对的价格优势，将给太阳能应用市场带来美好的展望前景，为实现低碳生活和发展低碳经济做出了重大贡献。

三、步进快速吸能技术，机械结构严密，承压抗拉能力强

本发明由于采用管板式集热组件与太阳能电池在真空层压机中热压成一体技术，保证了整个装置的严密性，增强抗氧化能力，提高了使用寿命。集热工质管承压能力均在2.7Mpa以上，承压能力、抗拉能力强。

本装置同步配置有热空气收集管，可减少透过保温层及底板散发的热量，使总体热利用率提高10％以上。集热系统的工作流体主要热吸收形式可根据季节变化随时转换。根据热力学第二定律，热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体。例如在冬季，热水需求量小，可将热空气作为主要工作流体，从而满足取暖需求，特别是在广大的北方和严寒潮湿的南方地区，在产生电力的同时产生热水和热空气，以解决冬天取暖和用热水的三重效果；在炎热的夏季，热水需求量相对较大，可将热水作为主要工作流体，而热空气收集管中的热空气可作为集热工质管的保温层，防止热能散失；还可在工作流体工作时的温度降低，对其进行温差补偿，从而加快整个集热系统的传热速度与工作效率。整个集热系统在满足人们日常生产生活用热水及取暖需求的同时，还可作为热泵、溴化锂制冷机组的低温热源。该光电、光热混合技术已超越世界同行，必将成为未来太阳能光电+热水+热空气共存一体技术领域的开拓者和领导者。

四、使用范围广，低碳环保与建筑一体化，制作安装及维护方便，可大批量生产，易推广应用。

本发明可完全与建筑墙体、阳台、屋顶结合或用于工业锅炉改造等，使用范围广，对人们的日常生活生产带来了极大的经济效益。本发明结构简单，一般工人培训一周均可上岗。各种机械设备、材料在国内均可购得，可以在较短的时间内大批量生产以供应市场；安装方便，既可阵列集群，大规模应用于太阳能电场，又可与群体或单体建筑完全相融，为实现太阳能与建筑一体化提供了一款极具价值的产品，由于本发明优异的性价比，必将受到全社会的推崇。

本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种太阳能电热联产装置，包括光电转换组件、管板式集热组件、热空气收集组件以及附件部分，其中，光电转换组件为太阳能电池非标组件，包括晶体硅类太阳能电池非标组件或非晶硅类太阳能电池半成品组件，利用绝缘导热EVA封装构成。

2.如权利要求1所述的太阳能电热联产装置，其中所述管板式集热组件部分包括金属板、集热工质管、上连接管、下连接管、工作流体进口、工作流体出口、工作流体以及连接块，金属板与集热工质管固定；集热工质管一头与上连接管密封固定，其另一头与下连接管密封固定；上连接管上设置有工作流体出口，上连接管的两头密封固定，下连接管上设置有工作流体进口，下连接管两头密封固定。

3.如权利要求1所述的太阳能电热联产装置，其中所述热空气收集组件包括热空气收集管、进风口、出风口、吸风器或排风机以及电磁调控档栅，热空气收集管一面与金属板固定；进风口、出风口设置在边框或底板上；吸风器或排风机设置在出风口或总出风口管上；电磁调控档栅固定在进风口或总进风口管上，在不需要热空气时起到封阻作用。

4.如权利要求1所述的太阳能电热联产装置，其中所述附件部分包括保温层、边框、密封胶、螺钉以及接线盒，其中，组装好的管板式集热组件部分与光电转换组件热压成一体，冷却后，将组合好的光电转换组件和管板式集热组件部分用边框固定；保温层安装在热空气收集管、集热工质管与底板中间，底板固定在边框上，每块光电转换组件均带有两个正负电压输出电极，从金属板、保温层、底板上的孔引出后与接线盒固定接通，工作流体通过工作流体进口和进风口注入。

5.如权利要求1所述的太阳能电热联产装置，其中所述的太阳能电池非标组件是指将原与TPT接触的一层EVA改换成绝缘导热EVA，并 弃用原来的TPT或底板，改用管板式集热组件，并与管板式集热组件形成为一体。

6.如权利要求1或5所述的太阳能电热联产装置，其中所述的绝缘导热EVA是由乙烯(E)、烯基醋酸(VA)加AL₂O₃(氧化铝)、SiC(碳化硅)、Si₃N₄纳(氧化硅)、BN(氮化硼)，或者在EVA材料中增加纳米级金属氧化物粉体或金属丝网、带孔金属薄板热熔制成。

7.如权利要求2所述的太阳能电热联产装置，其中所述的集热工质管是采用防锈铝合金挤压成型，其可以为圆管，方管，扁管，异型管，并与基座一次成型或者采用B7传热铜合金或不锈钢焊接制成的管板。

8.如权利要求3所述的太阳能电热联产装置，其中所述的热空气收集管为圆管、方管、扁管或其他异型金属管，且热空气收集管的出口与另一根热空气收集管的进口用连接管连接，形成S型气体走道。

9.如权利要求2或3所述的太阳能电热联产装置，其中集热工质管一头与上连接管以及其另一头与下连接管通过连接块密封固定，所述的连接块的材质与集热工质管相同，同心开孔后套装在集热工质管管头上，集热工质管管头往四周翻边，与连接块焊接密封固定或者使用耐高温O型密封圈用螺钉与上连接管、下连接管密封固定。

10.如权利要求9所述的太阳能电热联产装置，其中所述的上连接管、下连接管的材料与集热工质管相同，制成U型接头状，套装密封固定在集热工质管上、下两头。

11.如权利要求9所述的太阳能电热联产装置，其中所述的上连接管、下连接管为一字型方管或圆管，其中一字型方管或圆管上间隔开有若干个大于集热工质管的孔。

12.如权利要求2所述的太阳能电热联产装置，其中所述的工作 流体为市售Z-Z超导介质或低温导热油或在低温30℃～40℃时可以气化的超导液；或者为水或空气；或者同时使用液态工作流体和空气作为工作流体。 

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