CN104734629B - 一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板及其制备方法，属于高倍聚光太阳能光伏发电技术领域。本发明的散热玻璃底板，与空气接触的表面由按一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。本发明的制备方法步骤为选择原材料；熔融；压延成型，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，压延辊表面刻有按一定规则排列的曲面体几何形状列阵的阴刻花纹；退火，退火窑包括退火窑前区A、退火区B、退火后区C、热风循环直接冷却区Ret、常温区F，C、Ret之间设D区，Ret、F之间设E区，DE区不设加热和冷却装置。本发明能增加玻璃底板散热能力从而提高发电效率，制备方法所制备的玻璃底板表面花纹不变形。
Description
技术领域
本发明涉及高倍聚光太阳能光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板及其制备方法。
背景技术
太阳能利用是一种重要的新能源。通常认为高倍聚光光伏发电技术由太阳能电池芯片技术，高倍聚光技术与太阳跟踪技术等三大关键技术构成。然而，还有一个重要技术---电池芯片的散热通常被人忽视。模组小型化是目前高倍聚光光伏发电模组的设计趋势之一。这种模组单元透镜的孔径及焦距都较小(100mm以内)，在保持一定几何聚光比下(如350x-1000x)，对应的电池芯片尺寸也较小(2-3mm)，芯片产生的相应热功率也随之减小。当单元透镜尺寸为60x60mm，每个电池芯片对发电功率(STC)的贡献在1.2瓦左右时，如果芯片效率为45％(目前量产的最高水平)时，那么对应产生的热功率为1.45瓦左右。这个热功率可以使芯片的工作温度上升40-50度达到65-75度，或功率减低6-8％。因此提高模组接收器的散热性能从而降低芯片的工作温度是未来进一步提高模组功率的重要技术途径之一。
这种采用了基于孔径与焦距都较小的透镜的薄模组不再适用常规的扇形铝散热器，这时薄模组壳体特别是模组底板成为接收器热能的主要散热载体。近年来德国Soitec，日本Sumitomo，中国的Suncore以及Red Solar等公司先后研究采用浮法玻璃为模组接收器的散热底板。玻璃底板除了承载功能以外，还能够利用底板玻璃表面的辐射及其与周围空气的对流来实现热量从芯片-导热铝板-玻璃底板-空气的传递与散热，如图1所示。但是之前模组采用的都是平板玻璃，而玻璃底板的辐射散热与玻璃表面的形状与面积有关，这种新型的模组接收器的玻璃底板的散热性能需要进一步提高。
对于太阳能散热玻璃底板来说，有着较高的要求，比如需要较高的玻璃白度从而提高玻璃的透光率等，而且为了使得散热玻璃底板获得更好的散热功能从而提高发电模组的功率，本发明先提出了一种表面具有微观结构的玻璃底板，现有技术中公开的普通玻璃的压延制备方法并不适用于表面带有花纹的太阳能玻璃，生产出的玻璃花纹容易变形、白度不够导致透光率不够等。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板及其制备方法的提出是为了解决如下两个问题，其一，提出一种进一步提高高倍聚光光伏发电模组接收器玻璃底板的散热性能的散热玻璃底板；其二，提出一种适用于表面排列有微小曲面体几何形状阵列的太阳能散热玻璃底板的制备方法，不仅花纹不易变形且透光度较高。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，散热玻璃底板与空气接触的表面由按一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。
作为本发明的进一步改进：所述的曲面体几何形状包括半球面体。
作为本发明的进一步改进：所述的曲面体几何形状包括半椭面球体。
作为本发明的进一步改进：所述的曲面体几何形状包括半圆柱面体。
作为本发明的进一步改进：所述的散热玻璃底板表面的曲面体几何形状列阵按二维排列规则排列。
作为本发明的进一步改进：散热玻璃底板与空气接触的表面由按一维排列的半圆柱面体列阵构成。
考虑高倍聚光光伏发电模组接收器热源的主要散热是通过模组的散热玻璃底板向模组外的空气对流和辐射来实现的。接收器热源的热传递过程如下：首先从接收器热源通过散热铝板传递给玻璃底板上表面，之后热量在玻璃底板内部传递到玻璃底板与空气的界面，而在玻璃散热表面，即和空气接触的面积散射主要有对流和热辐射发生的：
对流公式为Q2＝H·S·ΔT (1)
玻璃表面的热辐射公式为Q3＝ε·S·ΔT·F (2)
H为热对流系数值，S则代表热对流的有效接触面积；ΔT代表玻璃表面与区域流体之间的温度差，ε为热辐射系数。
从以上两个公式可见，无论是通过对流散热还是辐射散热，散热性能都与有效散热面积有关。
本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其步骤为：
步骤一：选择原材料，选用合适的原材料使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO271％～73％、Al2O31.2％～2.1％、CaO8.4％～10％、MgO2.4％～2.6％、Na2O*KaO12.8％～16.3％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；
步骤二：熔融，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1180～1200℃、澄清温度为1580～1600℃；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，压延辊材质为镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面刻有花纹，所述的花纹为使制成的玻璃表面为按一定规则排列的曲面体几何形状列阵，压延辊表面镀铬；
步骤四：退火，退火窑包括退火前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置。
作为本发明的进一步改进，步骤一中的散热玻璃底板化学成分以重量％计为SiO272.1％、Al2O31.5％、CaO9.3％、MgO2.6％、Na2O*KaO14.15％和少量杂质。
作为本发明的进一步改进，退火窑输送辊速度比压延辊速快1％-2％。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，玻璃底板的朝向空气的面由微小立体几何形状的曲面体列阵构成，提高了玻璃表面的散热面积，从而有效地提高了模组接收器玻璃底板的散热性能，降低了芯片的工作温度，进一步提高了发电模组的发电效率及性价比。
(2)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，有效散热面积可以大大提高的同时成本几乎不需要增加。
(3)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，结构合理，原理易懂，便于推广使用。
(4)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，设计的化学含量组成使得散热玻璃底板的散热性能较高，控制FeO含量使得玻璃白度较高，从而使得玻璃透光率较高。
(5)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，熔融温度为1180～1200℃较为合理，温度较低散热玻璃底板易产生气泡，或者熔制的玻璃液易结块，结块不仅影响下一步的压延成型且易损伤压延辊，温度较高则影响玻璃底板的强度。
(6)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，压延辊选用镍铬钼耐热合金钢，这种材料具有抗高温氧化、抗热弯、不起泡、不脱皮等优点，压延辊表面镀铬处理后，表面光洁度可得到提高。
(7)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，采用8个退火货区域，各区根据玻璃温度采用不同的加热冷却系统，退火良好和降温合理，且在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置，玻璃退火质量得到保障，玻璃在退火过程稳定，表面花纹不易变形。
(8)本发明的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，玻璃液在进入压延机之前的出料口有风口对准玻璃液中部吹风，减少了出料口玻璃液的横向温差，可解决花纹变形的问题。
附图说明
图1为背景技术中模组接收器的平板散热玻璃底板示意图；
图2为实施例1中散热玻璃底板表面结构示意图；
图3为实施例2中散热玻璃底板表面结构示意图；
图4为实施例3中散热玻璃底板表面结构示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，散热玻璃底板与空气接触的表面由由按一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。该曲面体为半球面体，呈二维正方形排列规则(即该半球面体与正方形内切)构成散热玻璃底板与空气的接触面(如图2所述)。
如果与半球面体内切的正方形边长为2r，圆球的半径即为r
则呈二维正方形排列规则的半球面体有效散热面积为：
它比正方形的底面积增加的倍数为：
本实施例的玻璃背板设计规格为60x60x3.2mm，与正方形内切的半球面体设计规格为r＝1mm，间距2mm，空气自然对流系数为5-25(W/㎡*K)，本实施例中选取在15(W/㎡*K)的条件下检测；芯片热量为1.467w；环境温度25℃；玻璃发射率0.92；
本实施例的呈二维正方形排列规则的半球面体玻璃背板底面面积为6427mm2，面积增加倍数为1.785，实验结果芯片最高温度54.3℃，发电效率为29.05。
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其步骤为：
步骤一：选择原材料，选用合适的原材料使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO271％、Al2O31.2％、CaO8.4％、MgO2.4％、Na2O*KaO12.8％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；具体在本实施例中可以根据如下原材料来配制：石英砂、氢氧化铝或三氧化二铝、石灰石、纯碱、芒硝、白云石、硝酸钠、三氧化二锑以及碎玻璃，根据原材料的化学成分计算原材料配比；
步骤二：熔融，将装有原料的窑炉真空抽气脱泡后，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1180℃，熔融后加入0.35％的玻璃澄清剂、澄清温度为1580℃，澄清25min；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，减少了出料口玻璃液的横向温差，可解决散热玻璃表面微观结构花纹变形的问题。压延辊材质选用镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面刻有花纹，所述的花纹为按二维正方形排列规则(即该半球面体与正方形内切)排列的半球面体阵列的阴刻，压延辊表面镀铬，镀铬处理后，压延辊表面光洁度可得到提高；本来要求表面光洁度在R0.8以上的可适当降低要求至一般R6.3；
步骤四：退火，退火窑包括退火窑前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置，保证散热玻璃表面微观结构花纹不变形，提高退火质量。
本实施例中退火窑具体结构为内宽2.9米，总长63.5米，保温段长36.5米，非保温砖段长27米，加热功率长385Kw，退火温度采用分区进行，具体分为八区，列表如下：
本实施例的退火窑各区根据玻璃温度采用不同的加热冷却系统，能够完成良好的退火和合理的降温。A区冷却系统采用顺流工艺，降低A区末端波段的冷却速率，使之与B区前端玻璃板得冷却速率接近，改善退火曲线形状及玻璃板得退火质量。并在A区板上设置边部活动电加热装置，加热玻璃板边部，进一步改善退火质量。
实施例2
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，散热玻璃底板与空气接触的表面由由按一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。该曲面体为半球面体，呈二维六边形排列规则(即该半球面体与正六边形内切)构成散热玻璃底板与空气的接触面(如图3所述)。
如果与半球面体内切的正方形边长为2r，
则呈二维正方形排列规则的半球面体有效散热面积为：S2＝6R2tan30-πR2+2πR2；
它比正六边形的底面积增加的倍数为：
本实施例的玻璃背板设计规格为60x60x3.2mm，与正六边形形内切的半球面体设计规格为r＝1mm，间距1.73mm，空气自然对流系数为15(W/㎡*K)；芯片热量为1.467w；环境温度25℃；玻璃发射率0.92；
本实施例的六边形内切半球面体玻璃背板底面面积为6840mm2，面积增加倍数为1.9，实验结果芯片最高温度51.45℃，发电效率为29.34％。
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其步骤为：
步骤一：选择原材料，选用合适的原材料使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO272.1％、Al2O31.5％、CaO9.3％、MgO2.6％、Na2O*KaO14.15％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；
步骤二：熔融，将装有原料的窑炉真空抽气脱泡后，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1185℃，熔融后加入0.35％的玻璃澄清剂、澄清温度为1592℃，澄清25min；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，减少了出料口玻璃液的横向温差，可解决散热玻璃表面微观结构花纹变形的问题。压延辊材质选用镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面刻有花纹，所述的花纹为呈二维六边形排列规则(即该半球面体与正六边形内切)排列的半球面体阵列的阴刻，压延辊表面镀铬，镀铬处理后，压延辊表面光洁度可得到提高；本来要求表面光洁度在R0.8以上的可适当降低要求至一般R6.3；
步骤四：退火，退火窑包括退火窑前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置。
在本实施例中，还有一点需要说明的是，为了进一步保证散热玻璃底板表面微观结构花纹不变形，将退火窑输送辊速度调至比压延辊速快1％-2％，具体在本实施例中，快2％。
实施例3
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，散热玻璃底板与空气接触的表面由由按一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。该曲面体为半圆柱面体，呈一维排列规则构成散热玻璃底板与空气的接触面(如图4所述)。
如果半圆柱的半径为r，即底面宽度为2r，
则长条形半圆柱面体的有效散热面积为S＝πrL；
它比长方形的底面积增加的倍数为：M＝π/2。
本实施例的玻璃背板设计规格为60x60x3.2mm，半圆柱面体设计尺寸为r＝1mm，空气自然对流系数为15(W/㎡*K)；芯片热量为1.467w；环境温度25℃；玻璃发射率0.92；
本实施例的半圆柱面体玻璃背板底面面积为5652mm2，面积增加倍数为1.57，实验结果芯片最高温度55.6℃，发电效率为28.92％。
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其步骤为：
步骤一：选择原材料，选用合适的原材料使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO273％、Al2O32.1％、CaO10％、MgO2.5％、Na2O*KaO14.6％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；
步骤二：熔融，将装有原料的窑炉真空抽气脱泡后，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1200℃，熔融后加入0.35％的玻璃澄清剂、澄清温度为1600℃，澄清25min；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，减少了出料口玻璃液的横向温差，可解决散热玻璃表面微观结构花纹变形的问题。压延辊材质选用镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面刻有花纹，所述的花纹为按一维排列的半圆柱面体列阵的阴刻，压延辊表面镀铬，镀铬处理后，压延辊表面光洁度可得到提高；本来要求表面光洁度在R0.8以上的可适当降低要求至一般R6.3；
步骤四：退火，退火窑包括退火窑前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置。
实施例4
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板，散热玻璃底板与空气接触的表面为平面。
本实施例的玻璃背板设计规格为60x60x3.2mm，空气自然对流系数为15(W/㎡*K)；芯片热量为1.467w；环境温度25℃；玻璃发射率0.92；
本实施例的平面玻璃背板底面面积为3600mm2，面积增加倍数为1；实验结果芯片最高温度64.8℃，实测的发电效率28％。
本实施例的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其步骤为：
步骤一：选择原材料，选用合适的原材料使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO272.1％、Al2O31.5％、CaO9.3％、MgO2.6％、Na2O*KaO14.15％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；
步骤二：熔融，将装有原料的窑炉真空抽气脱泡后，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1185℃，熔融后加入0.35％的玻璃澄清剂、澄清温度为1592℃，澄清25min；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，减少了出料口玻璃液的横向温差，可解决散热玻璃表面微观结构花纹变形的问题。压延辊材质选用镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面光滑无花纹，压延辊表面镀铬，镀铬处理后，压延辊表面光洁度可得到提高；
步骤四：退火，退火窑包括退火窑前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置。
在本实施例中，退火窑输送辊速度调至比压延辊速快2％。
实施例1至实施例4的玻璃底板设计尺寸、散热面积、面积增加倍数及芯片最高温度一览表：
由于玻璃成型工艺的特殊性，一般地说，具有细小尖锐的微结构表面的生产工艺性有一定的局限。而曲面体微结构的表面则具有更好的成型工艺性。这种新型的表面微结构散热玻璃更便于在聚光太阳能光伏发电组件中得到应用。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，散热玻璃表面的曲面体不限于3个实施例中的结构，散热玻璃底板表面还可以为抛物面体等几何形状以一定规则排列的列正构成。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：
其步骤为：步骤一：选择原材料，选用石英砂、氢氧化铝或三氧化二铝、石灰石、纯碱、芒硝、白云石、硝酸钠、三氧化二锑以及碎玻璃，根据原材料的化学成分计算原材料配比，使得高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板以重量％计为SiO271％～73％、Al2O31.2％～2.1％、CaO8.4％～10％、MgO2.4％～2.6％、Na2O*KaO12.8％～16.3％和少量杂质，其中，FeO含量小于等于0.01％；
步骤二：熔融，原料加入窑炉内熔化，熔融温度为1180～1200℃、澄清温度为1580～1600℃；
步骤三：压延成型，使所得熔融澄清的玻璃液进入压延机压延成型，其中，玻璃液出料口设置降温风口，使得风口向出料口玻璃液中部吹风，压延辊材质为镍铬钼耐热合金钢，所述的压延辊表面刻有花纹，所述的花纹为使制成的玻璃表面为按一定规则排列的曲面体几何形状列阵，压延辊表面镀铬；
步骤四：退火，退火窑包括退火前区A、退火区B、退火后区C、采用隔热保温形式，热风循环直接冷却区Ret、采用控制吹风温度调节玻璃板温度形式，常温区F、采用直接强制冷却的形式，在C、Ret区之间设有D区，Ret、F区之间设有E区，所述的D区和E区不设加热和冷却装置，
由上述方法所制得的散热玻璃底板与空气接触的表面由一定规则排列的曲面体几何形状列阵构成。
2.根据权利要求1所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：所述的曲面体几何形状包括半球面体。
3.根据权利要求1所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：所述的曲面体几何形状包括半椭面球体。
4.根据权利要求1所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：所述的曲面体几何形状包括半圆柱面体。
5.根据权利要求2或3任意一项所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：所述的散热玻璃底板表面的曲面体几何形状列阵按二维排列规则排列。
6.根据权利要求4所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：散热玻璃底板与空气接触的表面由按一维排列的半圆柱面体列阵构成。
7.根据权利要求1所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：步骤一中的散热玻璃底板化学成分以重量％计为SiO272.1％、Al2O31.5％、CaO9.3％、MgO2.6％、Na2O*KaO14.15％和少量杂质。
8.根据权利要求7所述的一种高倍聚光光伏发电模组接收器的散热玻璃底板的制备方法，其特征在于：退火窑输送辊速度比压延辊速快1％-2％。
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