CN105789370A - 一种辅助提升太阳能利用效率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辅助提升太阳能利用效率的装置，包括太阳能电池板及至少一层热电转换装置；太阳能电池板正面吸收太阳光，背面设置热电转换装置；热电转换装置由绝缘导热介质及半导体电臂组成，半导体电臂置于绝缘导热介质之间，半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布；其中一绝缘导热介质与太阳能电池板背面形成热连接作为绝缘热源介质，而另一绝缘导热介质作为绝缘散热介质；热电转换装置与太阳能电池板串联叠加为一个整体对外输出电功率，或者单独对外输出电功率。本发明可以提高对太阳能电池板背面泄漏热功率的利用率，从而提高太阳能转换利用的效率。

Description

一种辅助提升太阳能利用效率的装置

技术领域

本发明涉及热能与电能转换技术领域，尤其是指一种辅助提升太阳能利用效率的装置。

背景技术

太阳能电池板吸收太阳光能进行光-电转换时，其转换利用的效率一般低于25％。大部分光能被浪费，所浪费的光能中，相当一部分通过背光面的金属散热背面，以热量散发的形式泄漏。

背面的放热不仅会损失吸收的光功率，其放热所造成的高温还会导致电池板框架或其它部分的形变和老化，造成破坏性损伤。

现有技术提出以基于均质半导体电臂的温差发电装置，置于太阳能电池背面上，利用背面与环境的温差收集部分泄漏热功率，该方式效率还是不够高，热功率吸收转换率低，效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辅助提升太阳能利用效率的装置，以提高对太阳能电池板背面泄漏热功率的利用率，从而提高太阳能转换利用的效率。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种辅助提升太阳能利用效率的装置，包括太阳能电池板及至少一层热电转换装置；太阳能电池板正面吸收太阳光，背面设置热电转换装置；热电转换装置由绝缘导热介质及半导体电臂组成，半导体电臂置于绝缘导热介质之间，半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布；其中一绝缘导热介质与太阳能电池板背面形成热连接作为绝缘热源介质，而另一绝缘导热介质作为绝缘散热介质；热电转换装置与太阳能电池板串联叠加为一个整体对外输出电功率，或者单独对外输出电功率。

进一步，热电转换装置设置为两层及两层以上，第一层热电转换装置的绝缘热源介质与太阳能电池板背面贴合进行热连接；前一层的绝缘散热介质与后一层的绝缘热源介质共用或贴合进行热连接，各层热电转换装置之间以此规律进行热连接，前一层热电转换装置吸热发电过程中释放的全部或部分热功率作为后一层热电转换装置的热源；各层热电转换装置进行电连接。

进一步，每一层热电转换装置至少包含一个半导体电臂，所有或至少部分半导体电臂的中间部位，沿输出电流矢量方向整段或划分为多段之后的每一段或部分段，实施故意非均匀掺杂，掺杂浓度从一端至另一端为单调变化，具备单调变化的半导体属性分布状态；每一个半导体电臂在该非均匀掺杂方向的前后两端部设置为均匀掺杂段作为电连接部，与其它半导体电臂或外部电路进行电连接；同一层内的半导体电臂之间形成电连接。

进一步，同一层热电转换装置中设置的两个及两个以上半导体电臂之间为串联的电连接。

进一步，太阳能电池板设置为两个及两个以上，各太阳能电池板背面叠合的各层相互贴合的热电转换装置之间实现相互串联的电连接，然后各个太阳能电池板的热电转换装置之间再进行电连接；或者一部分太阳能电池板各对应层的热电转换装置之间进行电连接，最终各层单独输出，或者再各层串联统一输出。

进一步，任意相互层叠的两层热电转换装置之间，宏观转换电流矢量的方向相反；任意相邻两层热电转换装置的其中任意一层的半导体电臂的非均匀掺杂段的半导体属性，沿某一方向具备从P-到P+，或从N+到N-，或从N到P的分布特征；则相邻另一层热电转换装置的半导体电臂非均匀掺杂段的半导体属性分布特征，沿同样方向是相反的，从P+到P-，或者从N-到N+，或从P到N。

进一步，同一太阳能电池板背面叠合的多层热电转换装置的半导体电臂，具备相同的杂质浓度分布状态；或者实施差异化的杂质浓度分布状态，最靠近太阳能电池板背面的一层热电转换装置的半导体电臂，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率最大，较远的后一层热电转换装置的半导体电臂，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率较小，以此类推，最远一层的半导体电臂掺杂浓度变化的斜率最小。

进一步，绝缘导热介质与半导体电臂的接触面，以及绝缘导热介质与半导体电臂之间的连接导体的接触面为平直面，或者为锯齿状，或者为梳妆。

进一步，绝缘导热介质与半导体电臂的接触面，以及绝缘导热介质与半导体电臂之间的连接导体的接触面设置为锯齿状或梳妆结构，锯齿状或梳妆结构的接触面平行于转换电流方向；沿垂直于电流方向的任意一个刨切面，接触面与该刨切面的交接线，与太阳能电池板与该刨切面交接线平行。

进一步，同一层热电转换装置内部的半导体电臂之间采用其它半导体或导体材料，作为相互电连接的中继物体；沿转换电流矢量正方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P+和P-，或分别是N-和N+，或分别是P和N的中继物体，与该层的绝缘散热介质接触，形成热连接；沿同样方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P-和P+，或分别是N+-和N-，或分别是N和P的中继物体，与该层的绝缘热源介质接触，形成热连接。

采用上述方案后，本发明太阳能电池板背面设置热电转换装置；热电转换装置由绝缘导热介质及半导体电臂组成，半导体电臂置于绝缘导热介质之间，半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布；以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换，提高对背面泄漏热功率的利用率，从而提高太阳能转换利用的效率。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明半导体电臂的结构示意图；

图3a为本发明热电转换装置的结构示意图；

图3b为本发明热电转换装置的另一结构示意图；

图4为本发明各串联层之间电流流向的示意图；

图5为本发明多个太阳能电池板热电转换装置之间的电连接示意图；

图6为本发明绝缘导热介质与半导体电臂的接触面示意图。

标号说明

太阳能电池板1热电转换装置2

绝缘导热介质21绝缘热源介质211

绝缘散热介质212半导体电臂22

故意非均匀掺杂段221均匀掺杂段222

连接导体23

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

参阅图1至图6所示，本发明揭示的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，包括太阳能电池板1及至少一层热电转换装置2。

太阳能电池板1正面吸收太阳光，背面设置热电转换装置2。热电转换装置2由绝缘导热介质21及半导体电臂22组成，半导体电臂22置于绝缘导热介质21之间，半导体电臂22至少设置一段故意非均匀掺杂段221，形成不均匀的半导体属性分布。

故意非均匀掺杂段221的热电转换对于冷、热端温差的依赖性不强，其转换效率和功率主要依赖电臂掺杂浓度的分布情况，本身热-电转换效率较高。尤其是充分吸收了太阳能电池板1背面的温度热能之后，随着背面温度的降低，与环境气温的温差大幅缩小之后，故意非均匀掺杂段221的热电转换还能够保持较高的吸热效率和功率。

如图3a及图3b所示，其中一绝缘导热介质21与太阳能电池板1背面形成热连接作为绝缘热源介质211，而另一绝缘导热介质21作为绝缘散热介质212。

单层热电转换装置2吸热转换能力有限，为了进一步提高利用率，尽可能完全吸收所有太阳能电池板1背面的泄漏热功率，如图4所示，热电转换装置2通常设置为两层及两层以上，多层热电转换装置2采用叠合的方法设置，用后一层热电转换装置2再次吸收前一层热电转换装置2释放的热功率，再次重复转换，确保足够比例由太阳能电池板1所释放的热功率被充分吸收并转换。

第一层热电转换装置2的绝缘热源介质211与太阳能电池板1背面进行热连接，各层热电转换装置2之间进行热连接，前一层热电转换装置2吸热发电过程中释放的全部或部分热功率作为后一层热电转换装置2的热源，各层热电转换装置2进行电连接后对外输出电功率。

每一层热电转换装置2的最上方都是该层的热源介质，是电绝缘的，最下方是该层的散热介质，也是电绝缘的。各个相邻层之间，上一层热电转换装置2的下方散热介质与下一层热电转换装置2上方的热源介质共用，或虽不共用但二者相互贴合，直接接触或通过导热辅材间接接触，形成热连接。最上方第一层热电转换装置2的上方热源介质与太阳能电池板1的背面贴合，形成热连接；最后一层热电转换装置2的下方散热介质直接暴露在空气中，或与某个散热器接触，形成热连接，对外释放热功率。

工作过程中，阳光从上方首先照射到太阳能电池板1，其背面开始发热，释放热功率Q(0)L，其中比例为K1的部分被下方第一层热电转换装置2吸收，即第一层热电转换装置2的输入热功率Q(1)i＝Q(0)L*K(1)，其转换一部分为电功率P(1)o＝Q(1)i*η(1)，其中η(1)是该层装置的热电转换效率，还有一部分通过下方散热介质朝外释放，热功率是Q1L，再作为第二层热电转换装置2的热源被第二层吸收，以此类推，直至最后一层。

总共配置M层热电转换装置2(M≥2)，其中任意第m层的三个功率分别是其中输入热功率Q(m)i是基础，根据各层之间的关系，可以推导出任意第m层的输入热功率Q(m)i＝Q(0)L*k(1)*k(2)*...*k(m)*[1-η(1)]*[1-η(2)]*...*[1-η(m-1)]。所有M层装置的总输出电功率是

设太阳光总辐射功率Q(sun)，经太阳能电池板1转换的电功率为P(0)o，则普通使用情况下太阳能电池板1的效率经过下方M层热电转换装置2贴合使用之后，在太阳能电池板1吸收光功率不变的条件下，最终输出的所有电功率是则新情况下整个装置对太阳能的利用转化效率为 $\left(\mathrm{sun}\right)+\mathrm{\Δ\η}=\frac{P\left(0\right)o+{\mathrm{\Σ}}_1^{M}P\left(m\right)o}{Q\left(\mathrm{sun}\right)}=\frac{P\left(0\right)o+{\mathrm{\Σ}}_1^M[Q\left(m\right)i*\mathrm{\η}\left(m\right)]}{Q\left(\mathrm{sun}\right)},$ 相比η(sun)，效率增量的部分是 $\mathrm{\Δ\η}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^M[Q\left(m\right)i*\mathrm{\η}\left(m\right)]}{Q\left(\mathrm{sun}\right)}.$

层数M越大对效率增量越有利，每一层的热电转换效率η(m)越高，对于整体转换效率提高越有利。

热电转换装置2至少包含一个半导体电臂22，半导体电臂22设置为两个及两个以上时，半导体电臂22故意非均匀掺杂段221的掺杂浓度从一端至另一端为单调变化，具备单调变化的半导体属性分布状态；每一个半导体电臂22在该非均匀掺杂段的前后两端部设置为行均匀掺杂段222作为电连接部，如图2所示，半导体电臂22之间形成电连接。

半导体电臂22的半导体类型可以是同为P型或同为N型的，也可能是部分为P型，另一部分为N型。各个半导体电臂22故意非均匀掺杂方向的两个端部实施了均匀掺杂，与相应的金属或其它连接导体23相连，实现相互之间的电连接。

最靠近热电转换装置2外侧的某一个或多个半导体电臂22的均匀掺杂的端部，与某一个金属或其它连接导体23相连，作为电流的输入与输出端，与其它层热电转换装置2或外部电路连接。

同一层热电转换装置2中设置的两个及两个以上半导体电臂22之间为串联的电连接。热电转换装置2最外侧的金属或其它连接导体23共用或实现接触电连接。为了使得连接所经历的路径最短，电阻最小，相互实现串联连接的上一层转换电流方向应当与下一层转换电流方向相反，比如上一层电流沿X轴正方向，在最右方输出，则下一层需要电流沿X轴反方向，从最右方输入，在最左方输出，如图4所示。

如图5所示，为进一步提高太阳能吸收转化效率，太阳能电池板1通常设置为两个及两个以上，各太阳能电池板1背面叠合的各层相互贴合的热电转换装置2之间实现相互串联的电连接，然后各个太阳能电池板1的热电转换装置2之间再进行电连接；或者一部分太阳能电池板1各对应层的热电转换装置2之间进行电连接，最终各层单独输出，或者再各层串联统一输出。

同一太阳能电池板1背面叠合的多层热电转换装置2的半导体电臂22，具备相同的杂质浓度分布状态。或者实施差异化的杂质浓度分布状态，最靠近太阳能电池板1背面的一层热电转换装置2的半导体电臂22，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率最大，较远的后一层热电转换装置2的半导体电臂22，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率较小，以此类推，最远一层的半导体电臂22掺杂浓度变化的斜率最小。

太阳能电池板1背面是所有热电转换装置2层级结构的热量来源，最靠近太阳能电池板1背面的第一层热电转换装置2的初始热量最充沛，温度最高，其后每增加一层，初始热量和温度都降低，各层的热环境是不同的。当各层掺杂浓度变化斜率完全相同时，任意一层的热电势落差都相同，试图输出类似大小的转换电压，对于第一层热电转换装置2来说，输入热功率负担较小，而对于其后的各层来说，输入热功率越来越少，对于的热功率越来越趋向与不足，将导致其后各层的温度降幅加大。

在某些情况下，这种各层相同的配置方式，导致最后的一层或几层的温度过低，可能形成空气水分的冷凝甚至结冰，不利于热电转换装置2的维护，因此可以通过逐层减小电臂掺杂浓度的斜率，降低其输出转换电压的水平，与它的实际热功率供应量相适应，避免温度过低。

如图6所示，为增加热传导面积，绝缘导热介质21与半导体电臂22的接触面，以及绝缘导热介质21与半导体电臂22之间的连接导体23的接触面为平直面，或者为锯齿状，或者为梳妆。

为了加大导热介质与故意非均匀掺杂段221的接触面积，促进热功率从更大面积内，更顺利地注入到半导体电臂22内进行转换。绝缘导热介质21与半导体电臂22的接触面，以及绝缘导热介质21与半导体电臂22之间的连接导体23的接触面设置为锯齿状或梳妆结构或其它凹凸结构，锯齿状或梳妆结构的接触面平行于转换电流方向；沿垂直于电流方向的任意一个刨切面，接触面与该刨切面的交接线，与太阳能电池板1与该刨切面交接线平行。

即所述增大等效接触面积的结构变化，必须沿电流方向来实现，而不在垂直于电流方向来实现，也就是说在同一个半导体电臂22，同样一个垂直于电流方向的截面内，其与导热介质或导热辅材的接触面应该保持在同一个平面或曲面内，该平面或曲面平行于太阳能电池板1所在平面或曲面。

因为同一个半导体电臂22的同一个垂直于电流截面，所有参与发电的半导体原子为并联关系，需要维持相同的电压贡献量，才能确保均匀的输出性能，才能确保最终的输出电压幅值相等，也就是需要相同的热源温度。如果该界面内不同位置的热源等效温度不同，那么各位置的电压贡献量不同，最终不同位置的输出电压幅值不同，将导致并联条件下一部分电压较高的部位可以有效输出，另一部分则不行无法有效输出，二者差异过大时甚至形成电流从高电压部位朝低电压部位倒灌。

同一层热电转换装置内部的半导体电臂之间可以采用其它半导体或导体材料，作为相互电连接的中继物体，因为半导体属性的差异，在电流流过时会产生较为明显的放热或吸热现象。如果是放热，则是该层热电转换装置的主要放热部位。为了将这部分放热高效地转移到绝缘散热介质上，往往需要将这部分中继物体与散热介质接触，实现热连接。其基本方法是沿转换电流矢量正方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P+和P-，或分别是N-和N+，或分别是P和N的中继物体，与该层的绝缘散热介质接触，形成热连接；沿同样方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P-和P+，或分别是N+-和N-，或分别是N和P的中继物体，与该层的绝缘热源介质接触，形成热连接。

太阳能电池板1的输出参数与热电转换装置2的输出参数不同，二者的负载和控制系统也不同，热电转换装置2需要专门的负载和控制电路，其中包含但不仅限于开关电路；输出稳压、滤波、变压电路；逆变电路；整流电路；负载匹配电路；温度、湿度等环境参数的监测电路；电压、电流监测电路；通信和信号处理电路等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (10)

1.一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：包括太阳能电池板及至少一层热电转换装置；太阳能电池板正面吸收太阳光，背面设置热电转换装置；热电转换装置由绝缘导热介质及半导体电臂组成，半导体电臂置于绝缘导热介质之间，半导体电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布；其中一绝缘导热介质与太阳能电池板背面形成热连接作为绝缘热源介质，而另一绝缘导热介质作为绝缘散热介质；热电转换装置与太阳能电池板串联叠加为一个整体对外输出电功率，或者单独对外输出电功率。

2.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：热电转换装置设置为两层及两层以上，第一层热电转换装置的绝缘热源介质与太阳能电池板背面贴合进行热连接；前一层的绝缘散热介质与后一层的绝缘热源介质共用或贴合进行热连接，各层热电转换装置之间以此规律进行热连接，前一层热电转换装置吸热发电过程中释放的全部或部分热功率作为后一层热电转换装置的热源；各层热电转换装置进行电连接。

3.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：每一层热电转换装置至少包含一个半导体电臂，所有或至少部分半导体电臂的中间部位，沿输出电流矢量方向整段或划分为多段之后的每一段或部分段，实施故意非均匀掺杂，掺杂浓度从一端至另一端为单调变化，具备单调变化的半导体属性分布状态；每一个半导体电臂在该非均匀掺杂方向的前后两端部设置为均匀掺杂段作为电连接部，与其它半导体电臂或外部电路进行电连接；同一层内的半导体电臂之间形成电连接。

4.如权利要求3所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：同一层热电转换装置中设置的两个及两个以上半导体电臂之间为串联的电连接。

5.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：太阳能电池板设置为两个及两个以上，各太阳能电池板背面叠合的各层相互贴合的热电转换装置之间实现相互串联的电连接，然后各个太阳能电池板的热电转换装置之间再进行电连接；或者一部分太阳能电池板各对应层的热电转换装置之间进行电连接，最终各层单独输出，或者再各层串联统一输出。

6.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：任意相互层叠的两层热电转换装置之间，宏观转换电流矢量的方向相反；任意相邻两层热电转换装置的其中任意一层的半导体电臂的非均匀掺杂段的半导体属性，沿某一方向具备从P-到P+，或从N+到N-，或从N到P的分布特征；则相邻另一层热电转换装置的半导体电臂非均匀掺杂段的半导体属性分布特征，沿同样方向是相反的，从P+到P-，或者从N-到N+，或从P到N。

7.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：同一太阳能电池板背面叠合的多层热电转换装置的半导体电臂，具备相同的杂质浓度分布状态；或者实施差异化的杂质浓度分布状态，最靠近太阳能电池板背面的一层热电转换装置的半导体电臂，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率最大，较远的后一层热电转换装置的半导体电臂，沿电流方向的掺杂浓度变化斜率较小，以此类推，最远一层的半导体电臂掺杂浓度变化的斜率最小。

8.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：绝缘导热介质与半导体电臂的接触面，以及绝缘导热介质与半导体电臂之间的连接导体的接触面为平直面，或者为锯齿状，或者为梳妆。

9.如权利要求8所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：绝缘导热介质与半导体电臂的接触面，以及绝缘导热介质与半导体电臂之间的连接导体的接触面设置为锯齿状或梳妆结构，锯齿状或梳妆结构的接触面平行于转换电流方向；沿垂直于电流方向的任意一个刨切面，接触面与该刨切面的交接线，与太阳能电池板与该刨切面交接线平行。

10.如权利要求1所述的一种辅助提升太阳能利用效率的装置，其特征在于：同一层热电转换装置内部的半导体电臂之间采用其它半导体或导体材料，作为相互电连接的中继物体；沿转换电流矢量正方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P+和P-，或分别是N-和N+，或分别是P和N的中继物体，与该层的绝缘散热介质接触，形成热连接；沿同样方向，所有或至少部分前、后所连接半导体电臂端部的半导体属性分别是P-和P+，或分别是N+-和N-，或分别是N和P的中继物体，与该层的绝缘热源介质接触，形成热连接。