CN103811111B - 用于产生电能和热能的太阳能设备的电缆及包括该电缆的设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了—种电缆，其具体用于产生电能和热能的太阳能设备。该电缆为扁平的复合电缆，在截面上具有主侧边。该电缆具有外护皮、两个主电导体和两个用于流体循环的导管。优选的，该主电导体布置在该复合电缆的主侧边的一端附近。本发明还描述了—种太阳能热电联产设备，具有—段前述类型的扁平复合电缆。

Description

用于产生电能和热能的太阳能设备的电缆及包括该电缆的 设备

技术领域

本发明涉及—种电缆。具体的，本发明涉及一种用于产生电能和热能的太阳能设备的电缆。本发明还涉及一种具有所述电缆的太阳能设备。

背景技术

用于从太阳辐射产生电能的太阳能设备是公知的。例如，已知通过光生伏打模块转化太阳辐射而产生电能的光生伏打设备。

用于产生热的太阳能设备也是公知的。通常，这些太阳能设备加热流体，例如水。

最后，产生电能和热能的混合太阳能设备是公知的。这些设备还被称作“太阳能热电联产”设备。如下所述，所谓“太阳能热电联产设备”表示能够将太阳辐射转化成电能和热能的设备。

典型的，太阳能热电联产设备具有至少一个产生电流的单元(cell)，例如光生伏打电池，以及可选地太阳能辐射集中器。典型的，热电联产设备具有至少一个暴露给太阳能辐射的表面，并且可选地能够使其自身定向为跟随太阳的轨迹。这个集中器用于在单元上获得更大的太阳能辐射(光子)密度。

典型的，太阳能热电联产设备还具有用于传输所产生的电能的电路和用于传输被加热的流体的液压回路。该电路依次包括两个电导体，并且，该液压回路依次包括两个导管，一个导管用于待加热的流体，另一个导管用于加热过的流体。

申请人发现，电导体、相对的电连接件、用于流体传输的导管以及相对的连接件的就地管理是复杂的以及非常不方便的，原因在于安装人员必须仔细不把电缆和管道的阴影投射在集中器上或者投射在暴露于太阳下的表面上，并且还必须检查导体和管道的正确的相对位置，这导致了更长的安装时间并由此导致了更高的成本。而且，安装人员可能犯错并且进行不正确的连接，总之这都不能保证设备的安全性和效率。

申请人设定的目标是，提高太阳能热电联产系统中电导体和用于流体传输的导管的管理。

申请人认为，能够通过将电导体和用于流体传输的导管设置在扁平构造的单个电缆中来实现(这里，内部部件布置成轴线轴线基本平行且位于同—平面内)以上目标。

相对于具有圆形截面的电缆，扁平电缆在柔性方面具有缺点，原因在于它只在两个方向上容易折叠。因此，乍看起来选择扁平电缆来便于太阳能热电联产设备的安装和管理可能不是有利的。

然而，申请人发现，电导体和用于流体传输的导管设置在单个扁平电缆中具有令人惊讶的优势，像下面解释的那样。

WO2012／079631描述了—种高压电缆，其具有至少一个电缆芯部，至少一个用于冷却电缆并适于传输冷却液的冷却管，以及包封该至少一个电缆芯部和该至少一个冷却管的电缆覆层。该电缆还包括至少一个热量传导部件，所述热量传导部件围绕所述至少一个电缆芯部，以及配置为与所述至少一个电缆芯部和至少一个冷却管热接触。

GB1368497描述了—种包括电力电缆的电力电缆细件，所述电力电缆具有沿着其长度方向的导管，以用于循环可蒸发制冷剂来冷却电缆。

GB875930描述了—种具有绝缘金属屏蔽芯部的大电流电缆，所述绝缘金属屏蔽芯部被包封在塑料材质的外部不透水保护覆层中，其中设置有多个导管或沟槽用于在其中循环冷却流体。

发明内容

上述技术方案涉及包含用于使流体循环的导管的电缆，所述电缆适合将电缆的温度保持在预定限度内。

本发明的循环系统的流体加热，并沿着电缆的整个延伸部分基本保持所获得的热量，从而使其能够被热电联产系统的用户所获得。

在第一方面，本发明涉及一种扁平的复合电缆，所述复合扁平电缆在截面中具有主侧边，并且具有两个主电导体和用于流体循环的至少两个导管。

有利的是，该主电导体设置在复合电缆的主侧边的一个端部附近。

为了实现本说明书和权利要求的目的，术语“复合电缆”表示具有电导体(其还构造成—起传输不同值的电流)以及具有不同功能的其他元件(例如用于流体传输的管道)的电缆。

为了本说明书和权利要求的目的，术语“扁平电缆”表示其中内部元件布置成纵向轴线基本平行且位于同—平面内的电缆。

典型的，在垂直于电缆的纵向轴线方向的平面上，扁平电缆的截面形状基本是矩形的。所述形状优选具有圆边。这个截面的主侧边作为宽度，并且次侧边作为高度。优选的，电缆截面的宽度至少是电缆截面高度的两倍。更优选的，宽度至少是高度的三倍。

为了本说明书和权利要求的目的，术语“电导体”表示通常呈连接线(jointwires)形式的导电金属，所述导电金属由具有不同功能(包括电绝缘)的同心层包围。

优选的，用于流体循环的两个导管均在相对于复合电缆的主侧边的相应端部的内侧位置中与主电导体中的其中一个并排布置。

有利的是，本发明的电缆还具有至少一个其他的导体，称为次级导体。优选，这些次级导体相对于复合电缆的主侧边的端部被布置在比用于流体循环的两个导管更内侧的位置。

该次级导体可以具有电连接功能，例如连接到设备的服务传感器。然而，次级导体的电容量比主导体的小。次级导体可具有光导体。

优选的，本发明的电缆具有至少围绕该两个主电导体以及用于流体循环的两个导管的外护皮，所述外护皮基于交联乙烯／乙酸乙烯酯共聚物，可选添加抗紫外线添加剂。

优选的，该外护皮添加有阻燃剂。阻燃剂的实例为氢氧化铝和合成或天然氢氧化镁。

有利的是，每个主电导体均具有由多个铜导体形成的导电芯部，每个导电芯部可选地覆盖有锡层。优选的，该导电芯部为根据EN602282004-11标准的5级导体。

优选的，每个主电导体的导电芯部围绕有一个或多个无纺织物带。

有利的是，每个用于流体循环的导管具有波纹管，优选由不锈钢制成。

每个用于流体循环的导管优选在相对于波纹管的径向外部位置处均具有硅胶层。有利的是，线编织物设置在该波纹管和硅胶层之间。

在第二方面，本发明涉及一种太阳能热电联产设备，所述设备具有用于产生电流的至少一个单元，所述设备通过扁平的复合电缆连接到用于分配电能和热流体的设备，所述复合电缆在截面上具有主侧边，并具有两个主电导体以及用于流体循环的两个导管，该主电导体均设置在电缆的主侧边的端部处。

用于产生电流的单元优选自光生伏打电池、热电电池或热离子电池。

有利的是，本发明的热电联产设备具有太阳能辐射(光子)集中器。

有利的是，本发明的热电联产设备具有至少一个暴露在太阳能辐射下的表面，并且优选能够将自身定向为跟随太阳的轨迹。

附图说明

本发明结合以下详细的说明书将会变得清晰，说明书单纯通过非限定性的实施例来提供并参照附图来进行阅读，其中：

-图1是根据本发明的第一实施例的电缆的示意性截面图；

-图2是根据本发明的第二实施例的电缆的示意性截面图；

-图3是根据本发明的第三实施例的电缆的示意性截面图；

-图4示意显示了具有一段根据本发明的电缆的太阳能热电联产设备。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的电缆10的示意性截面图。

该电缆10具有由阻挡紫外线的聚合物材料制成的外护皮2。在实施例中，该外护皮由—种根据Arrhenius老化模型在高达大约120℃下能阻挡至少20年的聚合物制成，并且是柔性的，例如为混合有抗紫外线添加剂的交联乙烯／乙酸乙烯酯共聚物。这种材料特别有利的是提供良好的柔性、阻挡性和间隙填充性。

有利的是，外护皮2的聚合物材料为阻燃的，即根据IEC332-1(1993)和IEC332-3(1992)标准能够防火并延缓火的蔓延。

在实施例中，电缆10具有约30mm至40mm的宽度L以及约15-20mm(例如18mm)的高度H。

优选的，本发明的电缆10是一种相对于纵向轴线在截面上看大致为矩形的电缆，所述矩形具有由弧线(例如半圆)构成的短边，如图1所示。

电缆10具有纵向轴线11。图1还显示了彼此垂直并通过该纵向轴线11的两个平面X-X和Y-Y的路径。图1所示的电缆1优选是相对于平面X-X和平面Y-Y对称的。

电缆10具有两个主导体3a和3b以及用于流体传输的两个导管5h和5c。该两个导体3a和3b是相似的。为了说明方便，该两个导体简单地标记为3。相似的，该导管5h和5c也是相似的，并且为了方便说明，该导管简单地标记为5。例如当说明在本发明的电缆上执行的仿真时，将采用字母“a”、“b”、“c”和“h”。

如图1示意性所示，该两个主导体3优选设置在电缆10的两个侧向端部La和Lb处，即相对于平面Y-Y具有最大的轴向间距。每个主导体3从中心向外优选地具有导电芯部31、围绕芯部31纵向延伸的例如由聚酯制成的第一带32、内部绝缘层33和第二带34。

该导电芯部31有利地由多个铜导体形成，每个铜导体可选地覆盖有锡层。有利的是，该导电芯部是根据EN602282004-11标准的5级导体。当电缆扭曲时，具有这种结构的导电芯部具有显著的柔性特点，从而有利于电缆的安装及其操作，尤其是在装备有暴露于太阳能辐射的表面并能使其自身定向为跟随太阳的轨迹的设备中。

该内部绝缘层33可以由硅胶材料制成，例如Elastosil R501／75MH L8-0C6Black9005RM041271，或者由聚合物制成，例如乙烯/丙烯共聚物。有利的是，如上所述，层33具有阻燃特性。

有利的是第二带34可以是无纺聚酯带的形式。

带32和/或33使剥离导电芯部31的过程变容易，例如在必须将导电芯部31连接到其他电子元件或部件(未示出)时。

在一个实施例中，主导体3的外径约为13mm。

在图1所示的实施例中，用于流体传输的导管5具有大致圆形的截面，并有利地设置在相对于两个主导体3的轴向内部位置处。

优选的，用于流体传输的两个导管5相对于平面Y-Y对称设置，即，基本位于平面X-X上的导管的中心相对于平面Y-Y基本位于相同的位置处。

在一个实施例中，每个导管5具有波纹管51，优选由不锈钢制成。该管51具有约6mm的内径以及约9.5mm的外径。

优选，无纺带(例如由聚酯制成)的层52缠绕在波纹管51周围，且具有等于例如约25％的最小重叠部分。

优选的，导管5在相对于层52的径向外部位置中还具有聚酯线编织物(未示出)，并且在其外部位置具有硅胶层53，例如Elastosil R501／75MH L8-0C65015RM042438。该编织物有利地允许下一层53挤压在管51的波纹元件周围。有利的是，相对于管的纵向轴线，编织角度小于30°。

优选的，该导管5在相对于硅胶层53的径向外部位置中还具有另外的无纺聚酯带层54，且最小重叠例如小于25％。

导管5在相对于层54的径向外部位置中还具有另外的聚酯带层(未示出)。

有利的是，导管5的外径基本与主导体3的外径相同，例如约13mm。

该两个导管5形成用于流体传送的回路：该两个导管之一(由5c标记)运输待加热的流体，而两个导管中的另一个(由5h标记)运输加热过的流体。

图2是根据本发明第二实施例的电缆20的示意截面图。该电缆20具有与电缆10相似的部件，并且这些相似部件由图1所用的相同附图标记表示。这个电缆也基本优选地相对于平面X-X和平面Y-Y对称。

除了电缆10中已存在的部件之外，该电缆20具有用于连接检测／诊断传感器的次级电导体，传感导体7。后者优选设置在相对于两个导体3和两个导管5的轴向内侧位置中。这个设置是有好处的，原因在于这使电缆相对于平面Y-Y对称。而且，这允许将主导体3保持在电缆的端部，并且使导管5保持与导体3并非(将在下面解释其原因)。在图2示出的实施例中，传感导体7设置在两个导管5之间。

传感导体7具有多个合适的铜双绞线71。通过举例的方式，传感导体7具有四个铜双绞线。例如该双绞线能够具有0.75mm²的截面积。

在相对于双绞线71的径向外部位置，设有绝缘部72，绝缘部72例如由乙烯醋酸乙烯酯(EVA)制成，例如具有约0.6mm的厚度。

优选的，由硅胶材料制成的厚度部73设置在相对于绝缘部72的径向外部位置处。

优选的，由无纺聚酯带制成的层74设置在相对于厚度部73的径向外部位置处。

聚酯线编织物(未示出)可以设置在相对于层74的径向外部位置处。所述编织物有利地帮助稳定挤压工序。

由无纺聚酯带(未示出)制成的另一层能够设置在相对于所述编织物的径向外部位置处。

在优选实施例中，传感导体7的外径基本等于主导体3的外径，例如约13mm。

在一个实施例中，该电缆20具有约40mm至50mm的宽度L以及约15-20mm(例如18mm)的高度H。

图3是根据本发明的第三实施例的电缆30的示意截面图。该电缆30具有与电缆10和电缆20相似的部件，并且这些部件采用与图1和2相同的附图标记表示。

除了电缆10和20中已存在的部件，电缆30具有次级电导体9。该次级电导体9具有小于主导体3的电流额定值，从而产生更少的热量。鉴于此，根据本发明，该次级电导体9优选设置在相对于主导体3和用于流体传输的管5的轴向内侧位置中。

次级导体9例如具有两个导电芯部91，导电芯部91具有例如约9.5mm的直径。该导电芯部91由铜绞线制成，每个铜绞线可选地覆盖有锡层，并有利地属于根据EN602282004-11标准的5级。

优选的，导电芯部91绞有辅助绞合部件93，辅助绞合部件93例如通过在纱线支撑物(yarn support)上挤压聚合物而获得。

例如由硅胶材料制成的绝缘层92设置在相对于导电芯部91(并且如果合适的话相对于填料部件93)的径向外部位置处。该绝缘层92可以具有约0.9mm的厚度。

优选的，例如由无纺聚酯制成的带层94设置在相对于绝缘层92的径向外部位置处。

在相对于带层94的径向外部位置，设置例如由硅胶材料制成的增厚段95，增厚段95优选依次覆盖有例如由聚酯线制成的编织物96。该编织物96有利地改善外护皮2的挤压。

优选的，例如由无纺聚酯制成的带(未示出)设置在相对于编织物96的径向外部位置处。

优选的，次级导体9的外径基本等于主导体3的外径，例如约13mm。

在第三实施例中，电缆10具有约50mm至约70mm(例如约60mm)的宽度L，以及约15-20mm(例如18mm)的高度H。

所有三个实施例中，优选的是导体和液压回路的导管基本具有相同的直径。优选的，导体和液压回路的导管设置成使得其纵向轴线位于相同的平面(X-X)中，平面(X-X)是电缆的优选弯曲平面。

图4显示了根据本发明一个实施例的太阳能热电联产设备的示例图。热电联产设备100具有暴露在太阳辐射下的表面101(具有凹形)，以及用于产生电流并且还包括热交换器(未详细示出)的单元102。单元102将集中的太阳辐射通量转化成电能和热能。通过实例和优选方案，热能随后传递给通过闭合回路泵送的流体，然后送达至用户或工厂103。有利的是，暴露到太阳辐射的表面通过臂106安装在支撑物104上，从而能够通过沿着两个轴移动而跟随太阳的轨迹。

根据本发明，单元102通过电缆长度30连接到用户103。电缆可以是根据第一实施例、第二实施例或第三实施例的电缆。

如图4所示，单元102由臂105支撑，并连接到电缆30。臂和电缆的存在在暴露于太阳辐射的表面上产生阴影区域。这些阴影区域能够降低了热电联产设备的效率。有利的是，根据本发明的电缆具有缩小的截面(高度H)，并且能够设置成产生缩小的阴影区域。事实上，该电缆可以斜着设置，即投射到表面101上的阴影为电缆的长度乘宽度H。这个宽度H小于具有如下圆形截面的电缆的直径(未示出)：所述圆形截面结合具有导体3直径的两个主导体以及具有导管5直径的两个导管。

因此，有利的是，根据本发明的扁平电缆增加了太阳能热电联产设备的效率，因为其产生了更少的阴影延伸面积。

在其他实施例中(未示出)，太阳能热电联产设备具有通过热离子效应产生电能的第一阶段(其中该太阳辐射加热陶瓷部件，该陶瓷部件通过热离子效应发射电子)。由此所产生的电流在低电压情况下有100或200A级别。该热电联产设备还具有通过热电效应产生电能的第二阶段(通过公知的热电发生器)。由此所产生的电流具有小于由热离子效应产生的电流的值，但是处于较高电压。该设备还具有用于加热流体(例如水)的第三阶段(液压或热阶段)，从而使流体在约90℃的温度下循环。

有利的是，本发明的热电联产设备能够用于将主导体(其在低压下传输高电流)设置在本发明的电缆的端部。这为高电流产生的热量提供改善的扩散性。事实上，该热量能扩散到更宽的表面。

本发明的电缆的最内部可以专用于水管。这保持了更好的保护性和绝缘性，并且与处于最外侧位置时所扩散的热量相比扩散更少的热量，从而使热量能被最终用户所得到。

在第二和第三实施例中，用于传感器设备的导体被容纳在流体导管之间。这些导体几乎不产生热，原因在于需要提供给传感器的电流通常是很小的(100mA级)，并且由此该导体不需要大的耗散面积。而且，有利的是，该导体由于其位于中心位置而被机械保护。

类似的，第三实施例的次级导体也设置在电缆的中心部分。实际上，该次级导体传输相对低的电流，产生相对低的热量。

本发明的电缆结构还最大化了所收集的太阳辐射。事实上，当电缆位于地面T时，电缆保持平坦，且一个面与地接触，另一面暴露给太阳。暴露给太阳的面用于加热，并由此保持(甚至增加)导管5中流体的温度。相反的，相对面通过地面T隔热。由此，通过该面的热量损失大大减少了。

最后，以优化的构造提供具有两个导体以及用于流体传输的导管的电缆结构，这使安装操作更快更熟练，避免安装错误。

与wO2012/079631所描述的技术方案相反，根据本发明，导体不与传输被加热流体的管道热接触。事实上，导体3和9被外护皮2完全包围。相似的，管道5也完全被外护皮2包围。

申请人用根据第三实施例的电缆实施测试。

第一测试

该第一测试的条件如表1.1所示。

表1.1

第一测试的结果显示在表1.2中。

表1.2

导体3a、3b的最高温度	122.6℃
		次级导体7的最高温度	117.8℃
护皮的最高温度	121.4℃
		热管5h中的热通量	4.7W／m
冷管5c中的热通量	6.8W／m

显然，根据本发明第三实施例的电缆30在位于地面上且处于极端条件下时(在主导体中具有最大电流和非常高的外部温度)，具有正热通量，即，电缆30使得管道中的流体不会损失热量，而是会增加热量。有利的是，即使在这些极端条件下，设有电缆的部件会达到高温(相对于所用的材料)。主导体所达到的最高温度约为120℃。这使得其能够确保采用上述材料的电缆25年的使用寿命。通过改变材料，能够在该最高温度下确保不同的使用寿命。

第二测试

第二测试的条件显示在表2.1

表2.1

第二测试的结果显示在表2.2中。

表2.2

显然，根据本发明第三实施例的电缆30在实际条件下竖直布置时，具有略微负的热通量，即其使得管道中的流体损失少量热量。

Claims (14)

1.一种用于产生电能和热能的太阳能设备的扁平的复合电缆(10，20，30)，所述复合电缆的截面具有由弧线构成的短边并且具有主侧边(L)，并且所述复合电缆包括外护皮(2)、两个主电导体(3a，3b)和用于流体循环的两个导管(5h，5c)，其中，用于流体循环的两个导管(5h，5c)各在相对于复合电缆(10，20，30)的主侧边的相应端部(La，Lb)的内侧位置中与主电导体(3a，3b)中的其中一个并排布置，其中，两个导管(5h，5c)完全由外护皮(2)包围，其中，所述用于流体循环的两个导管(5h，5c)之一被构造成运输待加热的流体，而所述用于流体循环的两个导管(5h，5c)中的另一个被构造成运输加热过的流体。

2.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，其中，主电导体(3a，3b)各自布置在复合电缆(10，20，30)的主侧边的一个端部(La，Lb)附近。

3.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，其中，所述两个主电导体(3a，3b)的外径与所述两个导管(5h，5c)的外径相同。

4.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，还包括至少一个次级导体(7，9)。

5.根据权利要求4所述的复合电缆(10，20，30)，其中，所述至少一个次级导体(7，9)相对于复合电缆(10，20，30)的主侧边的端部被布置在比用于流体循环的两个导管(5h，5c)更内侧的位置。

6.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，其中，所述外护皮(2)基于交联乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。

7.根据权利要求6所述的复合电缆(10，20，30)，其中，所述外护皮(2)基于添加抗紫外线添加剂和/或阻燃剂的交联乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。

8.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，其中，每个主电导体(3a，3b)均包括由多个铜导体形成的导电芯部。

9.根据权利要求8所述的复合电缆(10，20，30)，其中，导电芯部是根据EN 60228 2004-11标准的5级导体。

10.根据权利要求1所述的复合电缆(10，20，30)，其中，每个导管(5h，5c)均包括波纹管。

11.根据权利要求10所述的复合电缆(10，20，30)，其中，所述波纹管为不锈钢材质。

12.根据权利要求10或11所述的复合电缆(10，20，30)，其中，每个导管(5h，5c)在相对于波纹管的径向外部位置处均包括硅胶层。

13.根据权利要求12所述的复合电缆(10，20，30)，其中，每个导管(5h，5c)还包括介于波纹管和硅胶层之间的线编织物。

14.一种太阳能热电联产设备(100)，所述设备包括用于产生电流的至少一个单元(102)，所述至少一个单元通过扁平的复合电缆(10，20，30)连接到用于分配电能和所加热的流体的设备，所述复合电缆在截面上具有主侧边(L)，并包括外护皮(2)、两个主电导体(3a，3b)以及用于流体循环的两个导管(5h，5c)，其中，用于流体循环的两个导管(5h，5c)各在相对于复合电缆(10，20，30)的主侧边的相应端部(La，Lb)的内侧位置中与主电导体(3a，3b)中的其中一个并排布置，其中，两个导管(5h，5c)完全由外护皮(2)包围，其中，所述用于流体循环的两个导管(5h，5c)之一被构造成运输待加热的流体，而所述用于流体循环的两个导管(5h，5c)中的另一个被构造成运输加热过的流体。