CN105553420B - 带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器 - Google Patents
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Abstract
一种带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器，属于能源技术领域。本发明的目的是设计一种集光伏、光热于一体，并可以进行自我保护的带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器。本发明在背板两端安装有铝合金边框，背板上面焊有聚氨酯硬质保温材料，在聚氨酯硬质保温材料上是氧化锆毡软质保温材料，氧化锆毡软质保温材料两端通过压线挤压，压线卡在铝合金边框上，压线上端通过异形胶条安装有太阳能电池压件，在氧化锆毡软质保温材料与太阳能电池压件之间放有平板换热器，平板换热器上依次安装有太阳能电池压件、下层超透镀膜低铁钢化玻璃和上层超透镀膜低铁钢化玻璃，铝合金边框的上沿压在上层超透镀膜低铁钢化玻璃边上。本发明的光伏光热模块，不仅光电光热效率高，而且对于光伏光热一体化的系统更具有适应性。
Description
技术领域
本发明属于能源技术领域。
背景技术
现有技术中的光伏光热一体化模块一般采用光伏电池加铜管式冷却流道组合而成，表面一般有一层或者两层蒙版玻璃，且未形成中空结构。依靠这种技术制成的光伏光热一体化模块由于没有形成热岛效应，因此其热效率不高。而背面用铜管式或流道式换热器，又面临着贴合度不高、换热面积不够而导致PV组件与换热器中工质温差过大，不能形成有效降温的问题。 同时，在国内的相关领域研究仍停留在实验室阶段，虽然有个别模块具有较高的光电转换效率及光热转换效率。但模块运行过度依赖于系统循环的冷却降温。模块一旦安装之后系统就不能停止，否则会因为无冷却降温而导致PV组件温度过高，从而引发效率衰减、模块老化严重甚至隐裂等问题。甚至在安装过程中也需要对模块表面进行遮光保护，这无疑增加了系统安装的成本。因此若光伏光热一体化模块及其系统想要真正实现科技转化，商用化，急需一种带有高温自我保护机制的，可降低安装、维护成本的，更容易耦合光伏光热一体化系统的模块。
发明内容
本发明的目的是设计一种集光伏、光热于一体，并可以进行自我保护的带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器。
本发明在背板两端安装有铝合金边框，背板上面焊有聚氨酯硬质保温材料，在聚氨酯硬质保温材料上是氧化锆毡软质保温材料，氧化锆毡软质保温材料两端通过压线挤压，压线卡在铝合金边框上，压线上端通过异形胶条安装有太阳能电池压件，在氧化锆毡软质保温材料与太阳能电池压件之间放有平板换热器；在太阳能电池压件与平板换热器的接触面上的太阳能电池压件上有铝氮铝光热吸收薄膜，平板换热器上有导热硅脂；太阳能电池压件上面通过厚铝隔条安装有下层超透镀膜低铁钢化玻璃，下层超透镀膜低铁钢化玻璃通过厚铝隔条安装有上层超透镀膜低铁钢化玻璃，在厚铝隔条与上层超透镀膜低铁钢化玻璃、下层超透镀膜低铁钢化玻璃和太阳能电池压件的接触处涂有丁基胶，厚铝隔条外填充有双组份硅酮胶，上层超透镀膜低铁钢化玻璃与下层超透镀膜低铁钢化玻璃之间的空腔为真空氩气腔，下层超透镀膜低铁钢化玻璃和太阳能电池压件之间的空腔为真空氪气腔，下层超透镀膜低铁钢化玻璃的下表面有氧化钒温致变色薄膜；铝合金边框的上沿压在上层超透镀膜低铁钢化玻璃边上，在上沿与上层超透镀膜低铁钢化玻璃接触部位有锯齿状条纹，并填充密封胶；
其中压线上端有压线卡条和压线托，压线中部向前延伸有压线钩簧，压线下端向前延伸是压线卡；异形胶条上端有齿形软支架，下端有卡槽，压线卡条插在卡槽内，异形胶条的下表面与压线托接触；铝合金边框中部对应压线部位有长卡槽，长卡槽上面有向下勾形卡，压线钩簧弹性卡在向下勾形卡内，长卡槽下面为向上勾形卡，压线卡压卡在向上勾形卡上；在光电热发生器与铝合金边框之间的空隙内填充有发泡胶；铝合金边框靠铝合金角码连接安装。
本发明的自我保护机制原理：光伏光热模块正常工作时，冷却工质流过平板换热器将太阳能电池压件的热能带走，使其始终处于低温工况下运行，此时镀在下层超透镀膜低铁钢化玻璃背面的氧化钒温致变色薄膜不发生相变反应，透过率高达84%以上，若冷却工质所在的系统运行停止或平板换热器堵塞时，由于热量不能被及时带走，太阳能电池压件会不断升温，到升温至50℃时，下层超透镀膜低铁钢化玻璃上的氧化钒温致变色薄膜发生可逆相变，其光透过率急剧下降至20%甚至更低，此时由于没有足够的光线摄入，光电热发生器的太阳能电池压件的温度就不能持续升高，当冷却工质系统继续运行或平板换热器维护好之后，温度降低，氧化钒温致变色薄膜再次恢复到原来高透过率状态，此时太阳能电池压件继续工作。
本发明所封装的模块其光电效率为17%，光热转换效率高达60%～70%。本发明的光伏光热模块，不仅光电光热效率高，而且对于光伏光热一体化的系统更具有适应性。其在输出电能、热能的同时，不必担心因系统停机所造成的光伏模块高温老化、效率衰减甚至隐裂等问题。
附图说明
图1是本发明结构剖视图；
图2是本发明的图1A部分放大图；
图3是本发明的图1B部分放大图；
图4是本发明三元乙丙胶条结构示意图；
图5是本发明铝压线结构示意图；
图6是本发明铝合金边框结构示意图；
图7是本发明模块两种工作状态下第一种透过率变化图；
图8是本发明模块两种工作状态下第二种透过率变化图；
图9是本发明边框与一号超透镜膜低铁钢化玻璃接触部位示意图；
图10是模块空晒升温曲线测试简图；
图11是模块空晒升温曲线图；
图12是光热性能测试原理图；
图13是拟合曲线图；
图14是光电性能测试原理图；
图15是光电转换效率曲线图。
具体实施方式
本发明在背板13两端安装有铝合金边框14，背板13上面焊有聚氨酯硬质保温材料12，在聚氨酯硬质保温材料12上是氧化锆毡软质保温材料11，氧化锆毡软质保温材料11两端通过压线15挤压，压线15卡在铝合金边框14上，压线15上端通过异形胶条16安装有太阳能电池压件3，在氧化锆毡软质保温材料11与太阳能电池压件3之间放有平板换热器10；在太阳能电池压件3与平板换热器10的接触面上的太阳能电池压件3上有铝氮铝光热吸收薄膜31，平板换热器10上有导热硅脂32；太阳能电池压件3上面通过厚铝隔条7安装有下层超透镀膜低铁钢化玻璃2，下层超透镀膜低铁钢化玻璃2通过厚铝隔条7安装有上层超透镀膜低铁钢化玻璃1，在厚铝隔条7与上层超透镀膜低铁钢化玻璃1、下层超透镀膜低铁钢化玻璃2和太阳能电池压件3的接触处涂有丁基胶8，厚铝隔条7外填充有双组份硅酮胶9，上层超透镀膜低铁钢化玻璃1与下层超透镀膜低铁钢化玻璃2之间的空腔为真空氩气腔4，下层超透镀膜低铁钢化玻璃2和太阳能电池压件3之间的空腔为真空氪气腔5，下层超透镀膜低铁钢化玻璃2的下表面有氧化钒温致变色薄膜21；铝合金边框14的上沿141压在上层超透镀膜低铁钢化玻璃1边上，在上沿141与上层超透镀膜低铁钢化玻璃1接触部位有锯齿状条纹142，并填充密封胶；
其中压线15上端有压线卡条151和压线托152，压线15中部向前延伸有压线钩簧153，压线15下端向前延伸是压线卡154；异形胶条16上端有齿形软支架161，下端有卡槽163，压线卡条151插在卡槽163内，异形胶条16的下表面162与压线托152接触；铝合金边框14中部对应压线15部位有长卡槽143，长卡槽143上面有向下勾形卡141，压线钩簧153弹性卡在向下勾形卡141内，长卡槽143下面为向上勾形卡144，压线卡154压卡在向上勾形卡144上；在光电热发生器与铝合金边框14之间的空隙6内填充有发泡胶；铝合金边框14靠铝合金角码17连接安装。
本发明的自我保护机制原理：光伏光热模块正常工作时，冷却工质流过平板换热器10将太阳能电池压件3的热能带走，使其始终处于低温工况下运行，此时镀在下层超透镀膜低铁钢化玻璃2背面的氧化钒温致变色薄膜21不发生相变反应，透过率高达84%以上，若冷却工质所在的系统运行停止或平板换热器10堵塞时，由于热量不能被及时带走，太阳能电池压件3会不断升温，到升温至50℃时，下层超透镀膜低铁钢化玻璃2上的氧化钒温致变色薄膜21发生可逆相变，其光透过率急剧下降至20%甚至更低，此时由于没有足够的光线摄入，光电热发生器的太阳能电池压件3的温度就不能持续升高，当冷却工质系统继续运行或平板换热器10维护好之后，温度降低，氧化钒温致变色薄膜21再次恢复到原来高透过率状态，此时太阳能电池压件3继续工作。
以下对本发明做进一步详细描述：
本发明创造的目的是要提供一种带有自我保护机制的光伏光热一体化模块，并提出封装该模块的工艺方法。使用该工艺方法所封装的模块其光电效率为17%，光热转换效率高达60%～70%。
该光伏光热模块装置由双真空光电热发生器、平板换热器、保温层及铝合金边框组成。
该光伏光热模块所述的双真空光电热发生器包括4mmAR超透镀膜低铁钢化玻璃作为盖板，镀有氧化钒温致变色薄膜的3mmAR超透镀膜低铁钢化玻璃作为中间层，第三层为光电热转化层即具有透明TPT背板的太阳能电池层压件，其背面镀一层铝氮铝光热吸收薄膜。三层面板周围靠6mm厚铝隔条支撑，在铝隔条与三层面板接触处涂有丁基胶，在铝隔条外填充有双组份硅酮胶。两种胶将三层面板之间的空隙密闭起来分别形成真空氩气腔和真空氪气腔。
光电热发生器与铝合金边框之间用低发泡率、低传热系数的发泡胶填充。铝合金边框靠铝合金角码的结构组角合成。
铝合金边框的结构与铝压线的结构相扣合，形成硬承重连接。铝压线的结构与三元乙丙胶条的结构吻合，共同形成软承重连接。光电热发生器直接放置在三元乙丙胶条的结构上。
而后在光电热发生器背面涂一层导热硅脂，敷设平板换热器。在换热器背面覆盖一层氧化锆毡软质保温材料，一层聚氨酯硬质保温材料，而后通过点焊的方式加装铝合金背板。
原理性：
自我保护机制原理：光伏光热模块正常工作时，冷却工质流过平板换热器将PV组件（太阳能电池压件）的热能带走，使其始终处于低温工况下运行。此时镀在AR超透镀膜低铁钢化玻璃背面的VO2薄膜（氧化钒温致变色薄膜）不发生相变反应，透过率高达84%以上。若冷却工质所在的系统运行停止或换热器堵塞时，由于热量不能被及时带走，PV组件会不断升温。到升温至50℃时，镀在中间超透镀膜低铁钢化玻璃上的VO2薄膜发生可逆相变，其光透过率急剧下降至20%甚至更低，此时由于没有足够的光线摄入，光电热发生器的PV组件的温度就不能持续升高。当冷却工质系统继续运行或模块换热器维护好之后，温度降低，VO2薄膜再次恢复到原来高透过率状态，此时PV组件继续工作。
通过实验显示，该模块光电效率高达17%，光热效率在60%～70%之间，光能总体利用率可达80%以上。且由于其具有的高温自我保护机制，使其在安装、维护及耦合光伏光热利用系统上更具有便捷、安全、稳定性。
功能性：
该光伏光热模块所述的双真空光电热发生器，包含一层4mm厚高透过率低铁钢化玻璃，一层3mm后高透过率低铁钢化玻璃，一层具有透明TPT背板的光伏组件。三者边缘靠6A铝隔条支撑形成真空氩气腔及真空氪气腔，隔条外周用丁基胶及结构胶密封，形成温室效应，可大大减少环境对流散热、辐射散热，提高光热效率。
该光伏光热模块所述的双真空光电热发生器，在无工质冷却时模块温度可达到120℃甚至更高，这将对PV组件造成极大的影响。因此该模块在3mm厚的低铁钢化玻璃背面通过磁控溅射的方法镀有一层温致变色（随着温度的变化其光透过率发生变化）薄膜。该薄膜可根据光伏电池的温度改变光透过率，可保证光伏电池的工作温度不能持续升高。
较优的，该温致变色薄膜采用相变温度为50℃、厚度为180nm的VO2薄膜。
该光伏光热模块所述的双真空光电热发生器，其在光伏组件背面的透明TPT背板上采用辊涂的方法镀一层吸热膜，以提高光热效率。
较优的，该吸热膜采用铝氮铝薄膜。
该光伏光热模块所述的双真空光电热发生器，其四周依靠三元乙丙胶条支撑，形成软接触，可有效保护光电热发生器面板，避免形成硬性碰撞而导致的碎裂。
该光伏光热模块与平板换热器之间用导热硅脂填充，可大大提高PV组件背面与换热器之间的接触面积，提高换热效率。
该光伏光热模块所用换热器一面采用一次层压工艺压型，并用梅花点焊接方式焊接到另一平面上。一方面可增强平板换热器强度，不容易发生形变，另一方面可使流道内冷却夜形成湍流，增强换热效率。
较优的，该换热器采用304不锈钢材质。
该光伏光热模块换热其背面铺设一层氧化锆毡软质保温材料，其目的是与换热器形成软接触，从而避免换热器的不平衡对光电热发生器基板造成压力从而导致其破裂。
该光伏光热模块在氧化锆毡软质保温材料与背板之间有一层硬质的聚氨酯保温层，该保温层一方面可支撑软质保温材料，另一方面与背板之间粘合可放置背板变形，大大增强了模块的结构完整性。
该光伏光热模块通过铝合金结构边框进行一体化封装。在铝合金边框与光电热发生器及换热器之间存在发泡架填充的保温层。由于是液态填充，其保温层分布均匀且无漏点，可有效提高模块的保温系数。
该光伏光热模块的铝合金边框上下带有圆角，可方便运输、包装。当直接作为屋顶结构时，有利于屋顶防水工程的实施。
该光伏光热模块的铝合金边框上边结构最外端带有锯齿状条纹，可打入更多的密封胶，从而使模块的密封性能更优异。
本发明创造所述的光伏光热模块，不仅光电光热效率高，而且对于光伏光热一体化的系统更具有适应性。其在输出电能、热能的同时，不必担心因系统停机所造成的光伏模块高温老化、效率衰减甚至隐裂等问题。是自带保护机制的光伏光热一体化模块。
一、模块空晒升温曲线
测试项目：室外实时主动能源模块空晒（无工质）下升温曲线
测试地点：山东省德州市齐河县
测试条件：光照强度 平均600W/m2 室外温度 5℃
测试时间：11:00~13:00 测试倾角：45°
测试仪器：锦州阳光气象有限公司TBQ-2光照辐照以一台、KYW-T1贴片式温度传感器（内部采用PT100芯片）、数据采集系统。测试原理图见图10。
模块空晒升温性能测试时间端为上午11:00至13:00，因为此时间段阳光辐照强度最高，可大致确定模块集热可达到的最高温度及升温速率。因测试时间处于冬季，室外平均温度为5℃，根据辐照计显示测试时间段内阳光平均辐照强度为600W/m2，波动误差未超过50W/m2。模块测试倾角为37°，采用贴片式PT100温度采集仪对模块光电热发生器发热层进行温度数据采集，采集间隔为1min。 模块空晒升温曲线如图11。由图中可知模块较市场一般的平板集热器具有更高的极限集热温度，最高可达到120℃。但是其热响应较慢，升温较普通集热器速率较慢，滞后50分钟左右。
2、模块光热性能测试曲线
测试项目：主动能源模块光热新能测试曲线（国家标准测试方法）
测试地点：吉林省白城市大安市大安长理新能源科技有限公司
测试条件：光照强度 平均800W/m2 室外温度 25℃
测试时间：11:00~13:00 测试倾角：45°
测试仪器：锦州阳光气象有限公司TBQ-2光照辐照以一台、2.5KW辅助电加热、保温水箱、PT100管道温度传感器、KYW-T1贴片式温度传感器（内部采用PT100芯片）、数据采集系统。测试原理图见图12。
根据集热器测试的国家标准，室外测试的整个测试期间内，太阳辐射强度应在700W/m2以上，并且允许的变化范围为 ±50W/m2。根据全天太阳辐射规律，选择11:00至13:00为测试时间段。因为主动能源模块空晒最高温度可达到120℃，单位时间内升温也可达到60℃以上，因此选择集热器工质进口温度分别为25℃，42℃，56℃，63℃。
测试开始，首先确定开关蝶阀处于关闭状态。开启水箱A中辅助电加热装置，加热水箱A中的水温至常温25℃。辅助电加热装置可自动检测水箱温度传感器从而自动启动停止。随后开启循环水泵，利用流量控制阀设置测试流量为70L/h。开启循环泵5min后，待集热器达到稳定之后开始记录各个传感器数值，测试周期为4min一次。
而后开启蝶阀，使B水箱中的经加热的水流入A水箱，而后继续开启电补偿装置，依次将水加热到42℃，56℃，63℃进行各个工况条件下的测量。
而后用最小二乘法对测试数据进行线性拟合，拟合曲线如图13。
从图可知，模块光热性能较现有市场光热产品光热性能略有下降，但仍高于国家标准的40%光热效率。其峰值光热效率在68%左右。
而当光电热发生器三层面板之间充入惰性气体后，其光热效率均有小幅度提升。这是由于白玻与惰性气体组合的中空层的热阻值较内含空气的中空玻璃的热阻值提高10％，表面热损失降低10%从而导致模块光热性能有一定的提高。
3、模块光电性能测试曲线
利用光伏电池专用I-V曲线测试仪，可直接输出组件在实际工作条件时的光伏效率变化曲线。因为模块设计运行工况，工质温度不高于25℃，因此通入15℃自来水时刻对其降温，流量为200L/h。测试原理如图14所示。所测试的光电转换效率曲线如图15所示。
模块光伏功率的变化规律与太阳辐射强度的变化规律一致，近似为抛物线型。光伏模块输出功率随着太阳辐照度的增大而增大，正午时分达到最大值，随后随着光照辐照度的强度降低而减小。主要原因是为了模拟模块正式运行时所处的工作环境，在测试时始终通入温度为15℃的自来水对其冷却而大大降低了随着辐照度升高而引起的模块温度升高从而对输出功率的影响。故其光电转换效率基本与阳光辐照强度一致。
同时注意到，该模块所表现出的光电效率变化范围为13.4%~17.2%之间，而普通多晶硅组件在实际运行时其光电效率一般在12%~16%之间波动。说明该多晶硅组件在表面多两层超透低铁玻璃的情况下仍具有和普通组件一致的光电转换效率甚至在高辐照工作环境下其光电效率还略高于普通组件，光电性能优越。
4、模块性能指标：
A、光电热发生器制造热源温度范围20℃～120℃
B、外部工作环境温度的适用范围:-30℃～40℃
C、表板、辅板透射波长：250nm-7000nm，透过率：90～95%
D、基板光热转换率70～83%
E、光伏发电转换17～18%
F、太阳能光伏AR玻璃镀膜厚为300-400nm
G、无机纳米氧化物形成的镀膜，耐摩擦性高，抗老化，抗紫外线，耐侯性可达15-20年。
Claims (2)
1.一种带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器，其特征在于：在背板（13）两端安装有铝合金边框（14），背板（13）上面焊有聚氨酯硬质保温材料（12），在聚氨酯硬质保温材料（12）上是氧化锆毡软质保温材料（11），氧化锆毡软质保温材料（11）两端通过压线（15）挤压，压线（15）卡在铝合金边框（14）上，压线（15）上端通过异形胶条（16）安装有太阳能电池压件（3），在氧化锆毡软质保温材料（11）与太阳能电池压件（3）之间放有平板换热器（10）；在太阳能电池压件（3）与平板换热器（10）的接触面上的太阳能电池压件（3）上有铝氮铝光热吸收薄膜（31），平板换热器（10）上有导热硅脂（32）；太阳能电池压件（3）上面通过厚铝隔条（7）安装有下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2），下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）通过厚铝隔条（7）安装有上层超透镀膜低铁钢化玻璃（1），在厚铝隔条（7）与上层超透镀膜低铁钢化玻璃（1）、下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）和太阳能电池压件（3）的接触处涂有丁基胶（8），厚铝隔条（7）外填充有双组份硅酮胶（9），上层超透镀膜低铁钢化玻璃（1）与下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）之间的空腔为真空氩气腔（4），下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）和太阳能电池压件（3）之间的空腔为真空氪气腔（5），下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）的下表面有氧化钒温致变色薄膜（21）；铝合金边框（14）的上沿（141）压在上层超透镀膜低铁钢化玻璃（1）边上，在上沿（141）与上层超透镀膜低铁钢化玻璃（1）接触部位有锯齿状条纹（142），并填充密封胶；
其中压线（15）上端有压线卡条（151）和压线托（152），压线（15）中部向前延伸有压线钩簧（153），压线（15）下端向前延伸是压线卡（154）；异形胶条（16）上端有齿形软支架（161），下端有卡槽（163），压线卡条（151）插在卡槽（163）内，异形胶条（16）的下表面（162）与压线托（152）接触；铝合金边框（14）中部对应压线（15）部位有长卡槽（143），长卡槽（143）上面有向下勾形卡（141），压线钩簧（153）弹性卡在向下勾形卡（141）内，长卡槽（143）下面为向上勾形卡（144），压线卡（154）压卡在向上勾形卡（144）上；在光电热发生器与铝合金边框（14）之间的空隙（6）内填充有发泡胶；铝合金边框（14）靠铝合金角码（17）连接安装。
2.根据权利要求1所述的带有高温自我保护机制的光伏光热一体化光电热发生器，其特征在于：自我保护机制原理：光伏光热模块正常工作时，冷却工质流过平板换热器（10）将太阳能电池压件（3）的热能带走，使其始终处于低温工况下运行，此时镀在下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）背面的氧化钒温致变色薄膜（21）不发生相变反应，透过率高达84%以上，若冷却工质所在的系统运行停止或平板换热器（10）堵塞时，由于热量不能被及时带走，太阳能电池压件（3）会不断升温，到升温至50℃时，下层超透镀膜低铁钢化玻璃（2）上的氧化钒温致变色薄膜（21）发生可逆相变，其光透过率急剧下降至20%甚至更低，此时由于没有足够的光线摄入，光电热发生器的太阳能电池压件（3）的温度就不能持续升高，当冷却工质系统继续运行或平板换热器（10）维护好之后，温度降低，氧化钒温致变色薄膜（21）再次恢复到原来高透过率状态，此时太阳能电池压件（3）继续工作。
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