CN102790102A - 光电转换组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电转换组件，其包括能够对太阳能转换单元进行降温的冷却单元以及设置在所述太阳能转换单元和所述冷却单元之间的绝缘导热层，所述导热层其能使太阳能转换单元相对冷却单元绝缘并将太阳能转换单元的热量转移到所述冷却单元中。由于本发明的阳光瓦片的冷却单元能够同时对瓦体和太阳能转换单元进行降温，所以保证了太阳能转换单元的光伏发电效率。

Description

光电转换组件

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别地，涉及一种对瓦片的改进，更特别地，涉及一种同时具有光伏发电和光热处理功能的瓦片。

背景技术

瓦片是重要的屋面防水材料，一般用泥土烧成，也有用水泥等材料制成的，形状有拱形的、平的或半个圆筒形的等。在现代化社会中，人们对舒适的建筑热环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30％-40％，对经济发展形成了一定的制约作用。因此人们希望将太阳能技术应用于建筑物中，以降低建筑用能。瓦片通常被铺设在建筑物的顶部，具有良好的采光性能，所以从上世纪70年代开始，人们就尝试将太阳能电池板安装在瓦片表面，以使瓦片在具有防水功能的同时也具有光伏发电能力。

这种安装在固有建筑物上的光伏发电系统称简称为BAPV(BuildingAttached Photovoltaic)，其通常用于对现有建筑物的二次改造，也是光伏建筑领域较早的实施方式。然而，BAPV技术在实施的时候往往需要单独用于支撑太阳能电池板的支撑装置，这既增加了成本又给安装带来了麻烦。例如，如果要将太阳能电池板安装在瓦片上时，需要在瓦片上先安装用于支撑太阳能电池板的支撑部件，再将太阳能电池板铺设在该支撑部件上。通常情况下，该支撑部件的重量会远大于太阳能电池板，这就对瓦片本身的承重性能提出了很高的要求。另外，由于要在瓦片上安装支撑部件，所以还需要瓦片本身具有能够固定所述支撑部件的连接点。上述情况限制了BAPV技术的发展。

针对上述BAPV技术的缺点，人们提出将光伏发电系统作为建筑物外部维护结构的一部分，且与建筑物同时设计、施工和安装，这就是太阳能光伏建筑一体化(BIPV，Building Integrated Photovoltaic)技术。BIPV使得建筑物本身具有构件和材料功能外同时具有光电换转的功能。举例来说，不同于BAPV技术，运用BIPV技术的瓦片其本身就集成有太阳能光伏电池，瓦片本身起到支撑的作用因而无需额外的支撑部件，这种BIPV瓦片的安装铺设方式基本与普通瓦片相同，只是其同时兼具防水性能和光伏发电的功能。BIPV是现代光伏建筑的主要形式，广泛用于各种民用建筑、公共建筑、工业建筑等一切可以承载光伏发电系统的建筑物。由于太阳能电池板与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式。

在现在的BIPV应用中，人们已经看到了其具有下列优越性：

1)可原地发电、原地使用，减少电流传输过程的费用和能耗；

2)避免了光伏组件阵列占用额外的空间，省去了单独为光电设备提供的支撑结构；

3)使用新型建筑维护材料，节约了昂贵的外装饰材料，减少建筑物的整体造价，并使建筑外观更有美学价值；

4)因日照强度与高压电网用电高峰期基本同步，舒缓了电网在电力高峰时的压力，缓解电网峰谷供需矛盾，具有极大的社会效益；

5)避免了燃料发电所带来的空气污染；

现有的运用BIPV技术的瓦片往往具有一个底板和一个主层，主层依附在底板上，其包括太阳能电池片或太阳能电池组件。该底板用于与建筑物连接。通常地，在现有太阳能瓦片中，底板上设置有与建筑物屋顶连接的结构，或者使用粘合剂直接将太阳能瓦片粘接固化到建筑物屋顶上。由于位于建筑物的屋顶，所以主板中的太阳能电池能在合适的受光角度下较好地吸收太阳光，并且在吸收太阳光后将光能转换为电能并通过设置在主层或底板中的电输出部件并入到家庭的电网系统中，以为家庭提供生活用电，或着直接连上电网传输送电。

目前市场上的太阳能电池多为多晶硅电池和单晶硅电池，这种硅电池在温度25摄氏度的情况下光电转换效率为13％-16％，这些无法转换成电能的太阳光被电池吸收后会造成电池表面温度的上升。另外，为了能够更好地吸收太阳光，太阳能瓦片的太阳能电池片在工作中是直接暴露在太阳光下，阳光的热辐射也会造成整个太阳能瓦片温度很高，由于热传导的作用，太阳能瓦片自身的高温也会影响到其太阳能电池片。然而，过高的温度会对多晶硅电池或单晶硅电池的工作效率带来副作用。经试验证明，当电池的工作温度超过其最佳工作温度后，每升高1摄氏度，开路电压约下降2.0mV-2.2mV，而峰值功率损失率约为0.35％～0.45％，另外太阳能电池短路电流会随温度的升高而升高。由此可见，太阳能电池过高的温度会影响到其转换效率，同时加快其衰减速度，减少其使用寿命。

针对上述缺点，有人设计出了一种新型太阳能瓦片，其由底板和两块主层构成，第一主层包括太阳能电池或电池组，第二主层则设置有带有载热体的薄贮存器。其中，第一主层设置在所述底板的上方，第二主层设置在底板的下方，这样第一主层中的太阳能电池通过吸收阳光来产生电能，第二主层则通过其薄贮存器中的载热体吸收阳光瓦片框架由于直接吸收太阳热辐射所产生的热量，通过热交换部件供应并预热住宅自来水管中的热水。

上述方式虽然能够带走阳光瓦框架中由于太阳热辐射所产生的热量，但却无法消除太阳能电池片上所产生的热量，包括太阳能热辐射在电池片上的热量和光电转换过程中产生的热量。实际上，除了太阳光直接照射电池片产生的辐射热外，由于太阳能电池片的光电转换效率仅有13％-16％，所以有大约80％的太阳光的光辐射在光电转换过程中直接转化为热量，这种光电转换过程中产生的热也会使其表面温度升高，进而影响到其转换效率。

发明内容

因此，提供一种可利用太阳能发电，同时在工作时可对太阳能转换单元进行冷却的光电转换组件是有利的。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种光电转换组件，其包括：太阳能转换单元，其设置在瓦片表面并定向为其受光面可接受阳光从而利用自身特性将太阳能转换为电能；冷却单元，其设置在太阳能转换单元的相反于受光面的背光面一侧；绝缘导热层，其设置在太阳能转换单元和冷却单元之间，绝缘导热层使太阳能转换单元相对冷却单元绝缘并将太阳能转换单元的热量转移到冷却单元中。

由于本发明的光电转换组件的绝缘导热层能很好地转移所述太阳能转换单元上的热量，所以使得冷却单元能更好地对所述太阳能转换单元进行降温，使得太阳能转换单元的温度都不会过度上升，从而使太阳能转换单元能维持在一个较佳的工作温度中，光伏发电效率能够得到保证。

在本发明一个优选实施方式中，绝缘导热层包括使太阳能转换单元相对冷却单元绝缘的陶瓷膜层和将陶瓷膜层与太阳能转换单元的背光面无缝隙接合的金属导热结合层。

在该实施方式中，陶瓷膜层使太阳能转换单元相对冷却单元绝缘以避免电能损失，同时，由于金属导热结合层使得陶瓷膜层与太阳能转换单元的背光面无缝隙地接合，所以能够确保绝缘导热层有效地将光电转换过程中产生的转移到冷却单元。

在本发明的另一优选实施方式中，太阳能转换单元包括至少一个硅晶电池片，每个硅晶电池片的背光面敷贴在一金属导热结合层上。

在该实施方式中，金属导热结合层相比于现有技术的光栅焊接方式提高了导电系数，能更好地将电池片的热能传导出去。

在本发明的又一个优选实施方式中，冷却单元包括至少一条冷媒通道，冷媒通道平行于绝缘导热层延伸以吸收经由绝缘导热层从太阳能转换单元转移来的热量并且冷媒通道延伸进入瓦体的围壁以吸收瓦体在阳光照射下所产生的热量。冷媒的介质可以是水、风、油、冰或气体。

在该实施方式中，冷媒通道和太阳能转换单元充分接触，从而容易利用冷媒对二者进行降温。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到清晰地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本发明的第一实施方式的阳光瓦片的剖视图；

图2是根据本发明的第二实施方式的阳光瓦片的剖视图；

图3是图2中所示阳光瓦片中的油槽板的示意图

图4是根据本发明的第三实施方式的阳光瓦片的剖视图；

图5是图4中所示阳光瓦片从上方看下去的示意性立体图，为了清楚起见未显示硅晶片的布置；

图6是图4中所示阳光瓦片的示意性俯视图；

图7是图4中所示阳光瓦片上的硅晶片连接示意图，其示出每个串行中的硅晶片相串联，同时硅晶片串行与串行之间也为串联；

图8是本发明阳光瓦片组的实施方式的示意图，其示出四片一组的瓦片组结构。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，这里所披露的实施例仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

大体上讲，本发明提供一种光电转换组件，其能够将太阳能转换为电能，根据本发明的一个方面，在该光电转换组件内提供冷却单元，用来对太阳能转换单元或光电转换单元进行降温，从而保证光电转换效率。

所述光电转换组件可以用于任何光电转换装置，例如太阳能瓦片、太阳能幕墙、太阳能热水器或者光伏发电场中的光伏发电装置。在下述实施例中，将所述光电转换组件应用于阳光瓦片中。

图1示出了本发明的阳光瓦片的第一实施方式，该阳光瓦片100包括：太阳能转换单元101、冷却单元102、绝缘导热层104以及瓦体103。

瓦体103可为一体成型，并且其可由耐火阻燃的不饱和改性合成工程塑料模制而成。

如图1所示，太阳能转换单元101设置在瓦片表面，其可以是单个硅晶电池片或是由多个硅晶电池片1011组成的阵列，并且在所述太阳能转换单元101的受光面可以具有透光疏水膜层(未示出)。

绝缘导热层104包括陶瓷膜层1041和金属导热结合层1042，所述金属导热结合层1042可由导电银浆形成。每个硅晶电池片1011的背光面敷贴在丝网印刷的一金属导热结合层1042上，从而所述金属导热结合层1042能与所述太阳能转换单元101之间无缝隙地接合。并且，每个金属导热结合层1042的面积不大于其上敷贴的硅晶电池片1011背光面的面积。

冷却单元102由所述瓦体103支撑并设置在太能转换单元101的背光面一侧。该冷却单元102包括至少一条冷媒通道1021，该冷媒通道1021平行于绝缘导热层104延伸。这些冷媒通道1021一方面与所述太阳能转换单元的底部1012接触，另一方面也与所述瓦体103的围壁1031和底部1032接触。

在一种实施方式中，冷媒通道1021中流有冷水，这样当所述阳光瓦片100工作时，冷媒通道1021一方面通过其内流通的冷水对所述瓦片瓦体103降温，另一方面，所述太阳能转换单元的热量首先被绝缘导热层转移到了所述冷媒通道1021中，而冷媒通道1021则通过冷水将转入的热量降温。在此种实施方式中，所述冷媒通道可以蛇形布置。

在本发明的另一个实施方式中，所述冷媒通道1021也可以与一个风冷系统(未示出)连接，这样从风冷系统中吹出的冷风可以快速地在冷媒通道1021中流通，吹散瓦体103和太阳能转换单元101上的热量。

在本发明的另一个实施方式中，可以在所述冷媒通道1021中放置能够释放冷气的固体介质，例如干冰，这些固体介质中分别放置在冷媒通道1021与绝缘导热曾104以及瓦体围壁1031和底部1032的接触位置处，以同时对瓦体103和太阳能转换单元降温。

如图2所示，在本发明的第二实施例中，所述阳光瓦片200包括太阳能转换单元201、吸热组件202、绝缘导热层204以及瓦体203。

第二实施例中的阳光瓦片结构大致与第一实施例相同，只是吸热组件202取代了第一实施例中的冷却单元102。该吸热组件202由瓦体203支撑并设置在太阳能转换单元201的背光面。如图2所示，吸热组件202可以是一体成型的槽板2021，该槽板2021可为铝基板，因此具有良好的导热性能。

在本发明的一个实施方式中，所述槽板2021也可以是整体呈凹形的横向通槽，该通槽的厚度远小于其长度，在通槽中流有油或水。由于所述槽板2021与所述绝缘导热层204以及瓦体203都充分接触，所以其能够同时吸收由所述绝缘导热层转移出的热量以及所述瓦体上由太阳光热辐射所形成的热量。

在本发明的另一实施方式中，如图2或图3所示，在槽板2021中可设置有迂回的槽道2022，该槽道2022可为蛇形布置。槽道2022内流有防氧化防冻导热油。为了使槽道2022内的防氧化防冻导热油能够充分吸收热量，槽道2022的窄截面部的截面积是宽截面部截面积的1/3。

如图4-6所示，在本发明的第三实施例中，所述阳光瓦片300包括瓦体301，太阳能转换组件302、电输出单元303和热转移单元304。

如图4所示，所述太阳能转换组件302由瓦体301支撑，其包括光伏发电单元3021、绝缘导热层3022和热吸收单元3023。

如图5和7所示，光伏发电单元3021设置在所述瓦体301的表面，其受光面可具有透光疏水膜层(未示出)，光伏发电单元3021包括多个硅晶电池片3021a，该硅晶电池片3021a受光面为负极，背光面为正极。多个硅晶电池片3021a之间串联在一起。例如，如图7所示，在一个4列6行的硅晶片电池片阵列中，每一列中的多个硅晶电池片先串联在一起，接着第1行第1列的硅晶电池片与第1行第2列的硅晶电池片电连接，第1行第3列的硅晶电池片与第1行第4列的硅晶电池片电连接，第6行第1列的硅晶电池片负极与电输出单元303的正极连接，第6行第4列的硅晶电池片的正极与电输出单元303的负极连接，第6行第2列的硅晶电池片与第6行第3列的硅晶电池片通过一个二极管被电连接在一起。硅晶电池片3021a间的串联连接通过其受光面上设有的导电铜丝来实现，该导电铜丝从硅晶电池片受光面上延伸至另一硅晶电池片的背光面。

绝缘导热层3022包括陶瓷膜层3022a和金属导热结合层3022b，所述金属导热结合层3022b由导电银浆形成。每个硅晶电池片3021a的背光面敷贴在丝网印刷的一金属导热结合层3022b上，从而所述金属导热结合层3022b与所述光伏发电单元3021之间无缝隙地接合。并且，每个金属导热结合层3022b的面积不大于其上敷贴的硅晶电池片3021a背光面的面积。

如图3所示，热转移单元304与所述热吸收单元3023连接，其用于向所述热吸收单元3023提供热吸收介质，并将该热吸收单元3023中已经吸收了热量的介质输出到阳光瓦片外部。热吸收单元3023包括通道、通道出口3023b和通道入口3023c。所述热转移单元304的介质入口3041与所述通道入口3023c连通，所述热转移单元304的介质出口3042与所述通道出口3023b连通。所述热吸收介质通过所述通道入口3023c流入所述通道3023b，待吸收完热量后从所述通道出口3023b流出并经所述热转移单元304输出到阳光瓦的外部。另外，为了能使所述热交换介质在所述通道中能形成自循环，如图6所示，所述通道入口3023c以及介质入口3041可位于所述阳光瓦片的下端，所述通道出口3023b和介质出口3042都可位于所述阳光瓦片的上端。

在本发明的一个实施例中，所述吸收了热量后的热吸收介质经所述热转移单元304输出到外部的热交换通道进行再次热交换以完成热转移。当这些介质再次热交换完成后，其再通过所述热转移单元304的介质入口3041以及所述热吸收单元3023的通道入口3023c流入所述热吸收单元3023。

所述热吸收单元3023可以采用第二实施例中的槽板，该槽板3023d为铝基板，在所述槽板3023d上设置有迂回的槽道3023a作为热吸收单元3023的通道，该迂回的槽道3022a呈蛇形布置。所述槽道3023a的窄截面部的截面积是其宽截面部截面积的1/3。在槽道3023a中流有防氧化防冻导热油。

此外，本发明阳光瓦片300上还设置有通讯模块，该通讯模块可以实时采集其所对应的硅晶片的信息并将该信息发送。所述信息可以是硅晶片的表面温度、转换电量等。例如，当阳光瓦片上的某个硅晶片被污染物覆盖时，由于其透光性减弱，所以该硅晶片的转换电量会明显下降，此时人们根据该硅晶片的通讯模块所发出的实时电量转换信息就可以很快地定位到该问题硅晶片并进行相应地处理。

本发明的阳光瓦片300即可以单独使用并安装在屋顶，也可以是将多片瓦片300连接在一起成组使用和安装。例如，可以将4片或8片瓦片300连接在一起组成一个瓦片组400，然后将这些瓦片组再安装在屋顶上。

在本发明阳光瓦片组400的实施例中，所述阳光瓦片组包括多个阳光瓦片300，每一个阳光瓦片300的电输出单元303与另一所述阳光瓦片300的电输出单元303相串联后再连接到阳光瓦片外部的电输出干路，同时，每一所述阳光瓦片的所述热转移单元304与另一所述阳光瓦片的所述热转移单元304相并联后再连接到阳光瓦片外部的热交换干路。

如图6所示，每一所述阳光瓦片300的所述热转移单元304的所述介质入口3041相连到所述阳光瓦片组外的入口干道，而每一所述阳光瓦片的所述热转移单元304的介质出口相连到所述阳光瓦片组外的出口干道。

在本发明的实施例中，可以在阳光瓦片的四周可设有螺孔，并通过螺栓将这些阳光瓦片300连接在一起。或者，可以以传统瓦片的方式，将这些阳光瓦片300堆叠在一起，并通过粘合剂以增强每片瓦片300间的连接强度。

在如图5或图6所示的实施例中，在所述阳光瓦片3在所述瓦体301的下侧和右侧设置有凸起3013，上侧和左侧设置有凹槽3014。所述阳光瓦片下侧的凸起3013能与下方瓦片的上侧凹槽3014接合，其右侧凸起3013能与其右侧瓦片的左侧凹槽3014接合，以此类推，所述瓦片能与其四周相邻瓦片都互为相嵌接合。另外，在所述凹槽3014和凸起3013互为相嵌的企合槽表面上设置有防水粘固胶层。

本发明的瓦片可以是任何形状，例如长方形、正方形或拱形。另外，虽然本发明的实施方式涉及的是光电光热瓦片，但应该理解的是任何屋顶结构都可以使用本发明。例如，可以将本发明的瓦片直接架设在房屋顶梁上，使其成为房屋的屋顶，或者如同BAPV技术，将瓦片安装在屋顶瓦片之上。另外，本发明虽然在实施方式中只提到瓦片，但是本领域技术人员根据本发明的揭示应该可以了解到其可以应用到BIPV领域中的各种建筑材料，例如幕墙。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合，太阳能转换单元或光伏发电单元的可替换的其他类型。同样，材料和结构也存在许多可能的变形。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。

Claims (10)

1.一种光电转换组件，其特征在于，包括：

太阳能转换单元，其设置在所述瓦片表面并定向为其受光面可接受阳光从而利用自身特性将太阳能转换为电能；

冷却单元，其设置在所述太阳能转换单元的相反于所述受光面的背光面一侧；

绝缘导热层，其设置在所述太阳能转换单元和所述冷却单元之间，所述绝缘导热层使所述太阳能转换单元相对所述冷却单元绝缘并将所述太阳能转换单元的热量转移到所述冷却单元中。

2.如权利要求1所述的光电转换组件，其特征在于，所述绝缘导热层包括使所述太阳能转换单元相对所述冷却单元绝缘的陶瓷膜层和将所述陶瓷膜层与所述太阳能转换单元的背光面无缝隙接合的金属导热结合层。

3.如权利要求1或2所述的光电转换组件，其特征在于，所述太阳能转换单元包括至少一个硅晶电池片。

4.如权利要求3所述的光电转换组件，其特征在于，每个所述硅晶电池片的背光面敷贴在一所述金属导热结合层上。

5.如权利要求3或4所述的光电转换组件，其特征在于，每个所述硅晶电池片的背光面敷贴在丝网印刷的金属导热结合层上。

6.如权利要求5所述的光电转换组件，其特征在于，每个所述金属导热结合层的面积不大于其上敷贴的所述硅晶电池片背光面的面积。

7.如权利要求2-6中任一项所述的光电转换组件，其特征在于，所述金属导热结合层由导电银浆形成。

8.如权利要求1-7中任一项所述的光电转换组件，其特征在于，所述冷却单元包括至少一条冷媒通道，所述冷媒通道平行于所述绝缘导热层延伸以吸收经由所述绝缘导热层从所述太阳能转换单元转移来的热量并且所述冷媒通道延伸进入所述瓦体的围壁以吸收所述瓦体在阳光照射下所产生的热量。

9.如权利要求8所述的光电转换组件，其特征在于，所述冷却单元包括蛇形冷媒通道。

10.如权利要求1-9中任一项所述的光电转换组件，其特征在于，所述太阳能转换单元的所述受光面具有透光疏水膜层。

Images