CN105940512A - 用于附接到太阳能面板的模块化单元 - Google Patents

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Abstract

一种附接到太阳能面板的模块化单元。所述模块化单元包括：换热器，其具有入口歧管、出口歧管以及在两者之间延伸的多个间隔开的通道；设置在通道和多个热沉瓦之间的多个热电模块，所述热电模块被粘合到热沉瓦并且被夹持为邻接所述通道。在使用中，通过将所述热沉瓦粘合到所述太阳能面板而将模块化单元附接到太阳能面板。

Description

用于附接到太阳能面板的模块化单元
技术领域
本发明涉及一种用于附接到太阳能面板的模块化单元。特别地，本发明涉及一种包括换热器和多个热电模块的模块化单元。该模块化单元在被附接到太阳能面板时能够用在用于产生电力的系统或设备中，并且具有在能够产生电力的同时冷却太阳能面板的双重目的。
背景技术
“太阳能面板”是被电连接且安装在支承结构上的一组太阳能光伏模块。光伏模块是太阳能电池的封装连接组件。太阳能模块可用作在商业和住宅应用中发电和供电的大型光伏系统中的部件，因此，太阳能面板在世界上获得了广泛应用。
光伏系统通常包括面板或光伏模块阵列、逆变器以及(有时)电池和/或太阳能跟踪器和连接线。
每个光伏模块的额定值是其在标准测试条件下的直流输出功率，其通常在100瓦至320瓦的范围内。
太阳能面板的一个缺点是随着聚光表面的温度上升，太阳能面板的效率显著降低。例如，额定在25℃时产生100瓦的太阳能面板在其工作表面温度约为40℃时通常仅能输出约85瓦。另一个缺点是，与太阳能面板相关联的其它部件可能过热，或者它们的寿命受到加热的影响。
已经尝试通过冷却太阳能面板/光伏组件来提高其效率。追溯到1982年，US 4361717(Gilmore等)公开了一种流体冷却的电池，而追溯到1993年，US 5197291((Levinson)公开了一种由太阳能面板驱动的热电模块(帕尔贴(Peltier)模块)，用以冷却作为备用电源的电池。
近年来，已提出利用“热电效应”或“塞贝克效应(Seebeck effect)”来冷却光伏模块。DE 102008009979(Perez)提出了一种这样的设置，其中提出了一种使用帕尔贴模块既进行冷却又产生电力的系统。US2011/0155214(Lam)中提出了另一种布置，其中帕尔贴模块被固定于该布置。这两种布置效率均较低。
虽然DE 102008009979的目的在于提高效率，但实际上却产生了相反的效果。它公开了热从帕尔贴模块背面释放，并依赖于冷空气流来对通过帕尔贴模块的热分量排散。它还说明，空气由被太阳能面板供电的电风扇循环。然而在实际中，光伏太阳能面板将吸收超过1000瓦热/每秒的大量热(从平均100瓦大小的面板)。这一公开中的帕尔贴模块通常会产生5瓦的额外输出。电风扇需要排空一定体积的空气来冷却帕尔贴模块的背面，以允许它们获得额外的5瓦电力，而这实际上会使电风扇消耗约25瓦，以移动冷却所需的该体积的空气。因此，DE 102008009979中的布置并未改进太阳能面板的效率。
US 2011/0155214(Lam)也采用帕尔贴模块，但其布置依赖于在模块的背面上的冷却翅片来将热散发到环境中。这导致面板的空气冷却是非常低效的。
帕尔贴模块需要至少约10℃的温度差来产生任何有用的电能输出。上述现有技术中的帕尔贴模块布置不能提供这种幅值的温度差，因此是不实用的。
另外，世界市场上的常规太阳能面板供给过多，主要是因为近年来中国生产了巨大量的库存，以及欧洲等主要市场中的太阳能补贴减弱。因此，理想的是提供一种可附接到或以其它方式用于常规太阳能面板的单元，该单元会提高产生电能的效率。
本发明的目的在于提供一种用于附接到太阳能面板的模块化单元，该模块化单元将改善或克服现有技术中的至少一个缺陷。
发明内容
根据第一方面，本发明包括用于附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，其具有入口歧管、出口歧管以及在两者之间延伸的多个间隔开的通道；
多个热沉瓦；以及
多个热电模块，其具有被粘合到所述多个热沉瓦的第一侧和抵靠所述换热器的所述通道的相反的第二侧，并且其中，多个紧固件从所述热沉瓦通过所述换热器延伸到至少一个夹持构件，用于将所述换热器的所述通道邻接所述热电模块地夹持。
优选地，至少一个所述通道包括在使用中允许冷却流体从中通过的管状构件，所述管状构件被附接到热沉垫的一侧，并且所述热沉垫的相反侧邻靠一个所述热电模块。
优选地，至少一个间隔件被布置在所述热沉垫和所述夹持构件之间。
优选地，在相邻的热沉瓦之间设有膨胀间隙。
优选地，至少一个柔性连接板跨过至少一个所述膨胀间隙。
优选地，为了将所述模块化单元附接到所述太阳能面板，所述热沉瓦被粘合到所述太阳能面板。
优选地，所述模块化单元的所述热沉瓦被粘合到太阳能面板，并且在使用中，所述换热器与允许冷却剂流过所述换热器的循环系统连接，并且在所述热电模块的第一侧与相反的第二侧之间的热差使所述太阳能面板的温度降低。
优选地，所述模块化单元的所述热沉瓦被粘合到太阳能面板，并且在使用中，所述换热器与允许冷却剂流过所述换热器的循环系统连接，并且电子控制单元被电连接到所述多个热电模块和所述太阳能面板，并且所述电子控制单元用于电荷的分配和存储。
根据第二方面，本发明包括一种附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，其具有入口歧管、出口歧管以及在两者之间延伸的多个间隔开的通道；所述换热器被邻接多个热电模块夹持，该多个热电模块被粘合到多个间隔开的热沉瓦的第一侧上，并且其中所述多个隔开的热沉瓦的相反侧提供附接表面，以用于将热沉瓦粘合到所述太阳能面板。
根据第三方面，本发明包括一种用于附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：换热器，其具有入口歧管、出口歧管以及在两者之间延伸的多个间隔开的通道；多个热电模块，其设置在所述通道和多个热沉瓦之间，所述热电模块被粘合到所述热沉瓦并且被夹持为邻接所述通道，并且在使用中，通过将所述热沉瓦粘合到所述太阳能面板而将所述模块化单元附接到所述太阳能面板。
根据第四方面，本发明包括一种与太阳能面板组合的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，其具有入口歧管、出口歧管以及在两者之间延伸的多个间隔开的通道，所述换热器被邻靠多个热电模块夹持，该多个热电模块被粘合到多个间隔开的热沉瓦的第一侧上，并且所述多个间隔开的瓦的相反侧提供粘合所述太阳能面板的附接表面。
附图说明
图1示出了根据第一实施例的发电系统的示意图，其中可利用本发明的模块化单元；
图2是图1所示的系统中的太阳能面板、热电模块和与之相连的第一换热器的放大图；
图2a是图2的圆圈A中所示的两个热电模块的串联连接的放大细节。
图3是图2中的太阳能面板、热电模块和与之相连的第一换热器的放大示意侧视图以及进一步放大细节；
图3a是图3的圆圈B中所示的太阳能面板的光伏层和两个热电模块以及第一换热器的放大细节。
图4是在根据本发明第二实施例的发电系统中的太阳能面板的放大示意侧视图；
图4a是图4的圆圈C中所示的热电模块和与之相连的第一换热器的放大的细节。
图5是根据图1所示系统的改进实施例的太阳能面板和第三换热器组件的示意图。
图5a是图5的圆圈D中所示的第三换热器组件的放大细节。
图5b是图5的椭圆E中所示的第三换热器组件的放大细节。
图6是结合本发明的模块化单元使用的太阳能面板的正视图。
图7描绘了用于附接到图6所示的太阳能面板的本发明模块化单元的正视图。
图8描绘了图7中所示的模块化单元的侧视图。
图9描绘了图7中所示的模块化单元的侧视图。
图10是模块化单元的放大横截面示意图。
具体实施方式
图1-3描述了用于发电的系统50，其包括太阳能面板100和固定在其上的热电模块(帕尔贴模块)的阵列。
太阳能面板100为常规的成组太阳能光伏模块，表示为光伏层200，其被电连接并安装到支承结构上，并且经由导线6被可操作地连接到电子控制单元(ECU)8。热电模块1也经由导线7被可操作地连接到ECU 8。电池(或电池组)12也经由导线10被可操作地连接到ECU 8。
系统50还包括循环系统，该循环系统包括第一换热器(帕尔贴水通道换热器)26、循环管道网络24和25、循环泵17和位于贮水箱19内的第二换热器18。水或一些其它冷却剂能够被泵送通过第一换热器26和第二换热器18之间的循环管道网络24、25。
第一换热器26具有入口歧管21和出口歧管22，以及在两者之间延伸的多个通道23。在图2中，水如箭头21a所示进入入口歧管21，并且如箭头22a所示排出出口歧管22。
正如图3和图3a中所示，每个热电模块1经由热沉瓦29被固定到太阳能面板100的光伏层200的背面。在本实施例中，使用常规的市售热电模块1，并且在模块1和层200之间使用铝制热沉瓦29。用粘合剂将模块1和层200粘合到瓦29。
优选地，热沉瓦29应为大约150mm×150mm的最大尺寸，以避免光伏层200的损坏或故障。这是因为光伏层200和瓦29的不同材料具有不同的膨胀率和收缩率。需要在瓦29之间设置间隙，以允许膨胀和收缩。优选地，在本实施例中，每个瓦29位于光伏层200的相对的前侧上的电路边界线内。在本实施例中，太阳能面板的额定功率为100瓦，具有24个热电模块1，每个热电模块1具有相应地附接到太阳能面板背面的铝制热沉瓦29。如从图3a还可以看到的，第一换热器26具有通过焊点28焊接到其上的接触垫27。接触垫27设置为抵靠热电模块1的背面，确保在模块1和流过第一换热器26的水(冷却剂)之间的热传递。每个模块1具有与太阳能面板100直接接触(粘合)的第一前侧，并且每个模块1的相对后侧与第一换热器26的通道23直接接触(粘合)。
设置在太阳能面板1上的表面温度传感器3感测面板1的“光伏作用面”的温度变化。传感器3经由导线5被可操作地连接到ECU 8。
泵17经由电力电缆9被可操作地连接到ECU 8，使得能够通过ECU 8控制其运行。当达到预定温度时，例如约25℃，ECU 8将水循环泵17切换至“开”，促使冷却水通过管24进入横跨面板的背部和模块1的背部的第一换热器26，并且流过管25以及贮水箱19中的第二换热器18。换热器26中的“冷水”导致在热电模块1上产生热差(前“面板”面向侧是热的，后“换热器”面向侧是冷的)。由于这种热差，模块1产生电荷。
热电模块1经由电缆2串联连接，并且每一模块1可优选产生0.5V至0.7V之间的电压。串联连接的24个模块1将提供超过12V太阳能面板所需的12V的电压。来自模块1的电荷经由导线7传输到ECU 8，用于分配和/或存储。经由面板100产生的电力通过电缆6被输送到ECU8，用于分配和/或存储。所产生的热从模块1的背面经由换热器26和管道网络24、25移除，并通过泵17被泵送循环通过第二换热器单元18，由此循环的冷却水中的“热能”被转移到水箱19中储存的水20中，从而提升其温度供将来使用。所产生的电能被储存在电池12中，随后经由逆变器13被变换成输电线供给电压，并经由电缆14被连接到电网(未示出)。
在上述实施中，“冷却剂”优选为水，但也可以包括常规的冷却添加剂，例如乙二醇或其它导热介质，诸如通常用在空调或汽车发动机冷却中的那些。
上述系统50具有两方面的优势。首先，流过第一换热器26的循环水(冷却剂)可确保热经由热电模块1从太阳能面板100离开，这降低了面板100的温度，并由此提高了其发电效率。其次，热电模块1中产生的热差也产生电荷。
系统50可被改装到现有的常规太阳能面板100上，或是专门构建。
本发明的优选特征在于，热电模块1与太阳能面板100的光伏层200直接接触并且与第一换热器26直接接触。“直接接触”的意思是指在热电模块1和太阳能面板100之间“无间隙”，如现有技术DE102008009979(Perez)中的情况，背面上的热散发不是像现有技术US2011/0155214(Lam)中的情况那样依赖于环境空气散热，而是通过粘合到模块1的换热器26将热交换到冷却剂中。如“背景技术”中所提及的，热电模块1必须有至少大约10℃的温度差才能产生任何可用的电能输出。由于本发明中的“直接接触”，因此该温度差是能实现的，因此，可用的电能输出也是能实现的。如之前“背景技术”中所提及的，上述现有技术中的热电(帕尔贴)模块的布置无法提供这一幅度的温度差，因此并不实用。
在本说明书中，“直接接触”表示模块与面板100的层200和换热器26直接接触(或粘合)，或者具有一些其它的热传导“中间装置”，例如铝瓦29来形成粘合。在本实施例中使用了瓦29，因为这是一种用于将市售热电模块1粘合到太阳能面板100的简便方法。然而应当理解，也可使用专门制造的具有合适接触面的热电模块，以允许在不使用分离的瓦的情况下将它们直接胶粘到面板100。
必需理解，在工作中，如果在热电模块1的一侧和另一侧之间存在热差，则可以产生电力。这意味着，在“没有阳光”或晚间的时间，并且如果环境空气温度大于在热电模块1的背面处的冷却剂温度，则面板100可产生电力。换言之，面板100的光伏表面区域将作用为吸热单元或热沉。
在进一步的实施例中，应当理解，现在已被加热的储存水20可投入使用。在逆向操作中，热水中存储的能量可用于加热“冷却剂”。这意味着系统50的热电模块1可逆向使用。在冷环境空气温度的情况下，流过第二换热器18时被储存水20加热的“冷却剂”现在将比面板100温暖，因此，所得到的温度差致使热电模块在晚上像在太阳能面板100的白天运行期间一样产生电力。
还应当理解，热电模块1可反过来用作“热泵”，用以对循环的“冷却剂”进行冷却或加热。为此，在电池12中存储的电能可被用于将热电模块1作为热泵来操作。
还应当理解，多余的电能可用于经由热电模块板1对面板100进行额外冷却。
在图1至3所示的上述实施例中，24个单个热电模块1被串联地描绘为固定阵列。然而，应当理解，在另一个实施例中，模块1可在任何单独的位置中以一层或堆叠布置来操作，以改进热电反应。
还应当理解，在另一实施例(未示出)中，热电模块可成对或成组连接，其中每对或每组的模块均在具有电容器的操作电路中。这旨在使得随时间积聚的电能能够以超过或高于热电模块1在直接串联连接时能够产生的电能的更高电能容量或能力顺序地进行释放，以供使用或存储。
在图4所示的进一步实施中，可做出进一步修改。附加的第二层防护玻璃202可覆盖太阳能面板100的光伏层200，其中空腔201形成在第二层防护玻璃202和面板200之间。热电模块1所产生的电能可被用于为至少一个电风扇(未示出)供电，以推动冷却空气流通过横跨光伏层200的表面的空腔201，从而从其排热。
在图5、5a和5b所示的进一步实施例中，面板100的光伏层200被过热的“吸热”换热器组件300包围。在本实施例中，换热器300优选由铝制成，其包括填充有换热流体的管(或通道)301。这些换热流体填充管301被嵌入或是附连到换热器组件300的主体。
优选地，换热器组件300优选被透明玻璃盖303覆盖，以提供空隙(或空腔)302。换热器组件300与上述实施例中的系统1结合工作。当冷却剂(水或其它流体)如第一实施例中的情形那样在排出换热器时吸取热时，该加热后的流体首先被送入管301中，并且在循环流过通道301时，热被交换并运走，促使所包含的热超过并高于从太阳能面板100的背部通常所获得的热，从而使冷却剂流体在移动到第二换热器18之前被过热。这为箱19中的水20提供了更多的热能。
在上述实施例中，热电模块1优选固定到太阳能面板100的光伏层200的背面。然而应当理解，在其它的实施例(未示出)中，它们可被附接到太阳能面板100的其它区域。
图6至10描绘了进一步的实施例，其允许前述实施例中的重要部件，即换热器26和热电模块1以及优选地其它部件，被构造成能够易于被单独构造并附接到太阳能面板100的模块化单元123。
太阳能面板100可优选为常规的，并且包括设置在绝缘层39和保护玻璃层40之间的光伏电池38。
模块化单元123包括具有入口歧管31、出口歧管32、在两者之间延伸的多个间隔开的通道23的换热器26、多个热沉瓦29和多个热电模块1。在本实施例中，有24个瓦29和与其相关联的24个热电模块1。在本实施例中，瓦29优选由铝制成。
正如从图9中看到的，热沉瓦29被以“网格阵列”布置，并且被间隔开以在两者之间存在膨胀间隙41。每个热沉瓦29在一侧上被粘合有热电模块1。通过将热电模块1“直接粘合”到热沉瓦29，提高两者间的热传导率。
正如从图10中看到的，换热器26的每个通道23包括由焊接部28焊接到热沉垫27的第一侧上的“管状构件”。通道23的“管状构件”是在使用换热器26时冷却流体从中流过的导管。正如从图10中所看到的，热沉垫27的相反侧抵靠热电模块1。优选地，导热“油脂”(未示出)或其它类似物质可以施加在热沉垫27和热电模块1之间的交界面上，以改进两者间的热传递。
借助桥式夹具37、间隔件42和螺纹紧固件35，夹持通道23的热沉垫27，从而确保它们保持与热电模块1邻接。如图10所示，每个公螺纹紧固件(螺钉)35的头部均被支承在热沉瓦29的凹部中，并且每个紧固件35穿过通道23之间(通过换热器26)，并且利用每螺纹紧固件35中的“螺母”被固定到桥式夹具37。间隔件42优选为塑料材料，其被设置在每个热沉垫27和桥式夹具37之间并在其间延伸。
紧固件35也被用来固定柔性连接板36，柔性连接板36用于互连热沉瓦29并且横跨膨胀间隙41。柔性连接板36允许经由间隙41发生膨胀和收缩过程。此外，柔性连接板36允许远离太阳能面板100而独立制造模块化单元123的整个结构。
上述夹持确保了在热沉垫27和热电模块1之间的良好且均匀的热接触。将多个紧固件(锚固点)35结合各个桥式夹具37使用允许在热沉瓦29上的均匀载荷分布，并且消除或最小化了“脱层”。塑料块42的使用使得到桥式夹具37的传热最小化。
每个热沉瓦29在一侧上具有热电模块1，并且每个瓦29的另一相反侧被设置成“附接表面”。为将模块化单元123附接到太阳能面板100，瓦29的附接表面可以与太阳能面板100的绝缘层39直接接触地粘合(胶粘)。
模块化单元123的一个优点是其可被制造成独立单元，并且易于储存和运输，以供将来附接到常规的太阳能面板100上。一旦被附接(粘合)到太阳能面板100，模块化单元13和太阳能面板100的“组合”可被用在先前实施例中所述的系统50中，其中模块化单元123的换热器26被连接到循环网络24、25，以使水(冷却剂)流过通道23。
设想本实施例中的模块化单元123的宽度(或厚度)会是约35mm，从而一旦被粘合到常规的太阳能面板100(具有约8mm的厚度)，该组合的总宽度应能够被保持在约45mm内。
正如从图7中所看到的，在上述实施例中，使用了24个热电模块1，其中6个通道23中的每个通道关联4个热电模块1。然而，应当理解，并不是所有的通道23都需要具有相关联的热电模块1，并且在其它实施例(未示出)中，通道23、热电模块1且因此热沉垫27和瓦29的数量可以变化。
如本文中使用的，术语“包含”和“包括”(及其语法上变形)在包容性意义上使用，而非在“仅由…组成”的排它性意义上使用。

Claims (11)

1.一种用于附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，所述换热器具有入口歧管、出口歧管以及在所述入口歧管和所述出口歧管之间延伸的多个间隔开的通道；
多个热沉瓦；以及
多个热电模块，所述热电模块具有被粘合到所述多个热沉瓦的第一侧和与所述换热器的所述通道抵靠的相反的第二侧，并且
其中多个紧固件被用以从所述热沉瓦通过所述换热器延伸到至少一个夹持构件，用于将所述换热器的所述通道邻接所述热电模块地夹持。
2.如权利要求1所述的用于附接到太阳能面板的模块化单元，其中所述通道中的至少一个通道包括在使用中允许冷却流体从中流过的管状构件，所述管状构件被附接到热沉垫的一侧，所述热沉垫的相反侧抵靠一个所述热电模块。
3.如权利要求2所述的用于附接到太阳能面板的模块化单元，其中至少一个间隔件被设置在所述热沉垫和所述夹持构件之间。
4.如权利要求1所述的用于附接到太刚能面板的模块化单元，其中在相邻的热沉瓦之间设有膨胀间隙。
5.如权利要求4所述的用于附接到太阳能面板的模块化单元，其中至少一个柔性连接板跨过至少一个所述膨胀间隙。
6.如权利要求1所述的用于附接到太阳能面板的模块化单元，其中为将所述模块化单元附接到所述太阳能面板，所述热沉瓦被粘合到所述太阳能面板。
7.如权利要求1所述的模块化单元，其中所述模块化单元的所述热沉瓦被粘合到太阳能面板，并且在使用中，所述换热器被连接到允许冷却剂流过所述换热器的循环系统，并且所述热电模块的第一侧和相反的第二侧之间的热差使所述太阳能面板的温度降低。
8.如权利要求1所述的模块化单元，其中所述模块化单元的所述热沉瓦被粘合到太阳能面板，并且在使用中，所述换热器被连接到允许冷却剂流过所述换热器的循环系统，并且电子控制单元被电连接到所述多个热电模块和所述太阳能面板，并且所述电子控制单元用于分配和存储电荷。
9.一种用于附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，所述换热器具有入口歧管、出口歧管以及在所述入口歧管和所述出口歧管之间延伸的多个间隔开的通道，所述换热器被夹持为邻接多个热电模块，所述多个热电模块被粘合到多个间隔开的热沉瓦的第一侧，并且其中所述多个间隔开的热沉瓦的相反侧提供用于将所述热沉瓦粘合到所述太阳能面板的附接表面。
10.一种用于附接到太阳能面板的模块化单元，所述模块化单元包括：换热器，所述换热器具有入口歧管、出口歧管以及在所述入口歧管和所述出口歧管之间延伸的多个间隔开的通道；多个热电模块，所述多个热电模块设置在所述通道和多个热沉瓦之间，所述热电模块被粘合到所述热沉瓦并且被夹持为邻接所述通道，并且在使用中，通过将所述热沉瓦粘合到所述太阳能面板而将所述模块化单元附接到所述太阳能面板。
11.一种与太阳能面板组合的模块化单元，所述模块化单元包括：
换热器，所述换热器具有入口歧管、出口歧管以及在所述入口歧管和所述出口歧管之间延伸的多个间隔开的通道，所述换热器被邻靠多个热电模块夹持，所述多个热电模块被粘合到多个间隔开的热沉瓦的第一侧，并且所述多个间隔开的瓦的相反侧提供粘合所述太阳能面板的附接表面。
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