CN105957912B - 一种多功能的光谱选择性封装材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能的光谱选择性封装材料。包括基板，基板的一侧面上依次设有黑色的聚氟乙烯‑聚酯‑聚氟乙烯（TPT）材料层、光伏电池和光谱选择性复合材料层；光谱选择性复合材料层由选择性反射膜和选择性发射膜复合制成。光谱选择性复合材料层在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在13 μm以上波段的反射率大于0.9。本发明既能在白天进行太阳能光伏光热获得电能和热能，又能在夜间进行辐射制冷获得冷量，有效解决了传统的太阳能PV/T系统和辐射制冷装置的局限性。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术的领域，具体涉及太阳能光伏光热综合利用和辐射制冷的应用。
背景技术
太阳能光伏光热综合利用（PV/T）技术是指通过PV/T集热器吸收太阳能，同时获得电能和热能的一种太阳能利用形式，近年来因其优良的光伏光热综合利用效率而备受研究和关注。
辐射制冷技术是指地表的常温物体通过“大气窗口”之一的8~13μm波段与温度很低的外太空进行辐射换热，以及与温度相对较低的大气层进行辐射换热，从而达到一定的制冷效果的被动制冷方式。与传统的蒸汽压缩式制冷方式相比，辐射制冷不需要外部能量输入，对环境无污染，对改善建筑物室内热环境和环境保护具有积极意义。
虽然太阳能PV/T技术已经较为成熟，但是由于受到昼夜更迭的影响，传统的PV/T系统在夜间处于闲置状态，这大大降低了其使用效率；另一方面，辐射制冷系统由于制冷功率不够大从而导致装置成本较高，且辐射制冷系统的工作时间段为夜间，在白天很难实现制冷效果，因而其使用效率同样受到了影响；由于太阳能PV/T系统和辐射制冷系统常布置于面积有限的建筑物屋顶或墙面，这也大大降低了建筑物围护结构的单位面积利用率。
发明内容
为了解决传统的太阳能PV/T系统夜间无法工作，传统的辐射制冷系统白天无法工作的问题，本发明利用二者在结构上的高度一致性和工作时间段的互补性，提出了一种同时满足光电转换-光热转换-夜间辐射制冷的多种功能的光谱选择性封装材料。
一种多功能的光谱选择性封装材料包括基板1，所述基板1的一侧面上依次设有黑色的聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯（TPT）材料层2、光伏电池3和光谱选择性复合材料层4；光谱选择性复合材料层4由选择性反射膜5和选择性发射膜6复合制成。
进一步限定的技术方案如下：
所述基板的材料为导热性能良好的阳极氧化铝板。
所述光伏电池为单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池或非晶硅光伏电池。
所述光谱选择性复合材料层4厚度为25 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在3~8 μm波段和13 μm以上波段的反射率大于0.9。
所述选择性反射膜5厚度为12.5 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9。
所述选择性发射膜6厚度为12.5 μm，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。
所述选择性反射膜5的材料为氧化铟锡（ITO）薄膜或氧化铟（In2O3）薄膜。
所述选择性发射膜6的材料为聚酯（PET）薄膜或聚氟乙烯薄膜。
需指出的是，为减小与周围环境的对流换热损失，传统的太阳能PV/T集热器或辐射制冷装置通常在集/散热表面上方一定位置处设有风屏材料。太阳能PV/T集热器的风屏材料为玻璃盖板，虽然太阳能PV/T集热器的光伏电池上侧的封装材料——透明TPT膜——在3 μm以上的红外波段内（包括8~13 μm的“大气窗口”波段）具有较高的发射率，由于玻璃盖板在3 μm以上的红外波段透过率很低，阻碍了透明TPT膜与外太空和天空之间的辐射换热，所以传统的太阳能PV/T集热器在夜间难以实现辐射制冷效果。辐射制冷装置的风屏材料为聚乙烯薄膜，其在包括0.2~3 μm的太阳辐射波段和8~13 μm的“大气窗口”波段的全波段内的透过率均很高，能有效地保证辐射制冷表面与外太空和天空之间进行辐射换热，获得制冷效果。在本发明中，白天太阳能光伏光热和夜间辐射制冷的光伏电池封装材料上方设置的风屏材料为聚乙烯薄膜，这样能保证在白天进行太阳能光伏光热模式时大部分太阳辐射透过并到达光伏电池和黑色TPT上，在夜间进行辐射制冷模式时辐射制冷表面的热辐射透过并到达外太空和天空。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
与传统太阳能PV/T集热器的光伏电池封装材料主要不同在于：传统太阳能PV/T集热器的光伏电池上侧的封装材料为透明TPT膜，虽然其在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率高，可以保证大部分太阳辐射透过并到达光伏电池和黑色TPT上，转化成电能和热能，但是，该透明TPT膜在3 μm以上的其它波段不具备光谱选择性，在此波段内（包括8~13 μm的“大气窗口”波段）具有较高的的吸收率/发射率。如果只是简单地将传统太阳能PV/T集热器风屏材料由玻璃盖板替换成聚乙烯薄膜，虽然能凭借透明TPT膜8~13 μm的“大气窗口”波段的高吸收率/发射率而获得一定的辐射制冷效果，但是由于透明TPT膜在其他波段（3~8 μm和13 μm以上）同样具有高吸收率/发射率，从而会导致其在3~8 μm和13 μm以上波段白天向周围环境辐射热能，降低集热效果，而在夜间吸收周围环境的辐射热能，降低辐射制冷效果。而本发明中，光伏电池上侧的封装材料为由光谱选择性反射膜和光谱选择性发射膜复合而成的光谱选择性复合材料，参见图5，在0.2~3 μm的太阳辐射波段具有透过率，从而保证白天的光伏光热性能；在8~13 μm的“大气窗口”波段具有较高的发射率，而在其他波段（3~8 μm和13 μm以上）具有较高反射率，这样既能凭借8~13 μm的“大气窗口”波段的高发射率进行辐射制冷，又能凭借其他波段（3~8 μm和13 μm以上）的高反射率减小其白天向周围环境辐射热能，夜间吸收周围环境的辐射热能，从而保证较好的集热性能和辐射制冷性能。
附图说明
图1为本发明光伏电池封装材料横截面结构示意图；
图2为光伏电池上侧的选择性复合材料光谱特性简化示意图；
图3为选择性反射膜的光谱特性简化示意图；
图4为选择性发射膜的光谱特性简化示意图；
图5为光伏电池上侧的选择性复合材料的理想光谱特性示意图。
图1中序号：基板1、聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯（TPT）材料层2、光伏电池3、光谱选择性复合材料层4、选择性反射膜5、选择性发射膜6。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，一种多功能的光谱选择性封装材料包括基板1，基板1的材料为导热性能良好的阳极氧化铝板；在基板1的一侧面上设有黑色的聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯（TPT）材料层2；聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯（TPT）材料层2上安装有光伏电池3，光伏电池3为单晶硅光伏电池；光伏电池3上设有光谱选择性复合材料层4，其厚度为25 μm，光谱选择性复合材料层4的光谱特性简化示意参见图2，光谱选择性复合材料层4由选择性反射膜5和选择性发射膜6复合制成，选择性反射膜5和选择性发射膜6的光谱特性简化示意分别参见图3和图4，选择性反射膜5为氧化铟锡（ITO）薄膜，厚度为12.5 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9；选择性发射膜6为聚酯（PET）薄膜，厚度为12.5 μm，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。
在白天进行太阳能光伏光热模式时，太阳辐射首先到达选择性发射膜6上，绝大部分太阳辐射被透过而到达选择性反射膜5上，到达选择性反射膜5上的太阳辐射绝大部分继续被透过而到达光伏电池3或聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯（TPT）材料层2上，被转化成电能和热能，获得的电能通过光伏逆变器后储存于蓄电池中或直接并入电网加以利用，获得的热能被经过基板1背面的换热工质吸收并带走加以利用。同时，选择性反射膜5在3~8 μm和13μm以上波段的高反射率能有效地减小封装材料与周围近地环境间因辐射换热而产生的热损失，从而保证较高的光热效率。
在夜间进行辐射制冷模式时，基板1背面的换热工质将热量传递给基板后获得冷量，基板1将获得的热量通过热传导的方式逐层传递给最上侧的选择性发射膜6，选择性发射膜6利用其在“大气窗口”波段的高发射率将热量通过热辐射的方式传递给外太空和大气层。同时，选择性反射膜5在3~8 μm和13 μm以上波段的高反射率能有效地减小封装材料与周围近地环境间因辐射换热产生的冷损失，从而保证较高的辐射制冷效率。
光谱选择性复合材料层4在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在13 μm以上波段的反射率大于0.9。
实施例2
光伏电池材料为多晶硅光伏电池，选择性反射膜5为氧化铟（In2O3）薄膜，厚度为12.5 μm，在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9。选择性发射膜6为聚氟乙烯薄膜，厚度为12.5 μm，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。
光谱选择性复合材料层4厚度为25μm，其在0.2~3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8~13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在13 μm以上波段的反射率大于0.9。
其它结构同实施例1。
实施例3
光伏电池材料为非晶硅光伏电池。
其它结构同实施例1。
Claims (5)
1.一种多功能的光谱选择性封装材料，包括基板（1），其特征在于：所述基板（1）的一侧面上依次设有黑色的聚氟乙烯-聚酯-聚氟乙烯材料层（2）、光伏电池（3）和光谱选择性复合材料层（4）；光谱选择性复合材料层（4）由选择性反射膜（5）和选择性发射膜（6）复合制成；
所述光谱选择性复合材料层（4）厚度为25 μm，在0.2～3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.8，在8～13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在3～8 μm波段和13 μm以上波段的反射率大于0.9；
所述选择性反射膜（5）厚度为12.5 μm，在0.2～3 μm的太阳辐射波段的透过率大于0.9，在其他波段的反射率大于0.9；
所述选择性发射膜（6）厚度为12.5 μm，在8～13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.8，在其他波段的透过率大于0.9。
2.根据权利要求1所述的一种多功能的光谱选择性封装材料，其特征在于：所述基板的材料为导热性能良好的阳极氧化铝板。
3.根据权利要求1所述的一种多功能的光谱选择性封装材料，其特征在于：所述光伏电池为单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池或非晶硅光伏电池。
4.根据权利要求1所述的一种多功能的光谱选择性封装材料，其特征在于：所述选择性反射膜（5）的材料为氧化铟锡薄膜或氧化铟薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种多功能的光谱选择性封装材料，其特征在于：所述选择性发射膜（6）的材料为聚酯薄膜或聚氟乙烯薄膜。
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