CN107275427B - 一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件 - Google Patents
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Abstract
一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，该构件包括保温层、金属型材基底层、缓冲层、由多个光伏电池单元构成的光伏组件层、透明覆盖层和金属边框；所述的保温层处于最下方，所述的金属型材基底层位于保温层上方，所述的缓冲层位于金属型材基底层的上方，所述的光伏组件层位于缓冲层之间，所述的透明覆盖层包括两层且均位于缓冲层上方，所述的金属边框设置于各层的外部；所述的金属型材基底层上层与缓冲层相贴合，下层与保温层相贴合，所述的金属基底层为横截面翅鳍状的板层，由多个供散热介质流通的流道组成。能将金属型材基本特性以及内置中空流道结构特性相结合，实现对光伏光热一体化构件有效降温，且可以与建筑相结合。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电设备领域，具体涉及到光伏光热一体化构件，特别指一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件。该设计同时具有光伏组件发电和集热器收集热能的双重功能，既可以利用流体给光伏组件高效散热，又可以将热量储存至流体中。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。化石能源资源的有限性和不可再生性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益严重，以可再生能源为主体的新能源成为世界各国争相研究、开发和应用的对象。太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的可再生能源，得益于地球上丰富的太阳能储量，约为17万亿千瓦。因此，推广和普及太阳能利用技术有望解决能源枯竭和环境污染的问题。
现代人类生产生活中，太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和太阳房、太阳能空调等利用方式。其中，太阳能光伏发电是太阳能利用的主力军。目前市场上所售的光伏组件主要以硅基光伏组件、砷化镓光伏组件和铜铟镓硒光伏组件为主。而硅基光伏组件以其高效率且低成本成为光伏发电应用的主流。但是，在其使用过程中，研究统计也发现随着光伏电池温度每升高1度，光电转换效率会下降0.45％—0.5％左右。也就是说，光伏组件在工作过程中随着工作温度的升高输出功率逐渐减小，为了抑制光伏组件的工作温度升高增加输出功率，光伏光热一体化构件应运而生。它主要通过利用流体循环的冷却方式，实现光伏组件的降温处理，从而在同等工作时间内有效增加电能输出。综合太阳能电利用和太阳能热利用原理，光伏光热一体化构件采用胶黏技术将金属型材构件与光伏组件直接封装在一起，不仅可以有效降低组件的工作温度、确保其光电转换效率，而且可收集部分热能存储在流体介质中，从而实现高效率且低成本地利用太阳能。此外，该构件还可以有效控制光伏电池及其组件的工作温度，尽量避免过热现象导致的性能下降或失效问题，从而延长其使用寿命。
采用金属型材构件作为光伏电池及其组件的散热基底具有重要的意义。金属型材采用模铸法一次成型，替代了传统的铣焊、冲压和粘接技术，不仅加工方便，而且节约成本，是商业化推广应用的首选。此外，采用金属型材作为光伏组件的基底，替代市场所售光伏组件的高分子基底和玻璃基底，利用金属良好的导热能力，既可以增加光伏组件的散热，还可以加强光伏组件的抗压强度。同时，金属型材表面喷涂或者沉积致密的保护膜，可起到良好的电绝缘和防腐蚀作用，增强光伏组件的耐候性。因此，金属型材已经在航空、建筑、汽车等重要工业领域得到普遍应用。伴随着绿色建筑理念的发展和相关国家政策的激励，基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件可作为一种新的绿色建筑构件，与绿色建筑相结合，更容易实现光伏建筑一体化构想，便于推进低能耗建筑的发展。
近年来，国外的Nanosolar公司已有采用铝质材料作为基底用于制备光伏薄膜电池的工作，进而发展出部分光伏电池产品。发明CN204334437、CN204707076和CN204696135已经涉及铝型材或铝合金作为光伏组件的基底，进而形成光伏建筑一体化构件。但是，该构件的铝制散热通道内只存在一种流体介质，且不可满足全季节使用(流体为空气时，无法解决夏季过热问题；流体为水时，无法解决冬季结冻问题)。而本发明所采用金属型材与光伏电池构成复合型光伏光热一体化构件，可通过温度反馈控制空气和水两种介质的不同季节使用，可实现新型光伏构件的全季节正常使用，目前尚未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种能利用金属型材式集热器与光伏组件相结合的光伏光热一体化构件，实现光-电和光-热的两种能量的同时收集。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，该构件包括保温层、金属型材基底层、缓冲层、由多个光伏电池单元串联构成的光伏组件层、透明覆盖层和金属边框；所述的保温层处于最下方，所述的金属型材基底层位于保温层上方，所述的缓冲层位于金属型材基底层的上方，所述的光伏组件层位于缓冲层之内，所述的透明覆盖层包括两层，两层之间有空隙且均位于缓冲层上方，所述的金属边框设置于各层叠加之后的外部；所述的金属基底层为翅鳍状的板层，包括多个供散热介质流通的空腔流道；所述的金属型材基底层包括两层，每层均有多个空腔流道，上层与缓冲层相贴合，下层与保温层相贴合；采用该结构，以金属型材作为基底，不仅可以降低光伏光热一体化构件的集成成本，而且能够增强构件整体的抗压性和耐候性。此外，金属型材基底材料表面作绝缘吸热涂层处理(如三氧化二铝涂层等)，表面处理后的涂层具有高的吸收比和热传导率，不仅可以加强太阳光的利用率，也有助于提高构件的散热能力。
本发明所述的金属基底层的厚度为5-100mm，优选为50mm；优选金属型材基底上层为具有多个管型空腔流道的鳍状金属型材，下层为翅状金属型材，翅片之间的空腔作为流道。其中鳍层厚度为2-10mm，且内设流道结构，其内有流体介质通过，流道直径为1-6mm；翅层厚度为10-50mm。采用该结构既可以高效降低光伏组件的温度，保证光伏电池性能稳定；还可以在减少整个构件的制作成本的同时增加构件的耐候性和抗压性。
更为重要的是本发明利用具有翅鳍状金属型材，结合鳍层内置的流道结构，其内部可通入流体介质，同时翅结构可以增加构件的散热面积，能够更有效实现对于光伏电池单元进行降温，还可以减少光伏发电单元的输出功率损失，进而通过空气和水两种介质的不同季节使用，实现本发明构件的全季节应用。
本发明所述的保温层，其传热系数小于0.04W/(m˙K)，厚度为20-50mm。选自岩棉、珍珠棉、玻璃纤维、聚酯纤维或者聚氨酯泡沫均可，优选为聚氨酯泡沫。
本发明所述的缓冲层为热熔型胶体材料，且上胶温度不高于200℃，用于粘结透明覆盖层和金属基底层，优选为EVA胶(乙烯－乙酸乙烯(醋酸乙烯)酯共聚物)。
本发明的透明覆盖层为高透过率玻璃或者透明性树脂，透过率不低于90％，其包括两层：一层用于光伏组件的封装；另一层用于光伏光热一体化构件的盖板层，详见图1，优选为超白钢化玻璃。
本发明的金属型材的翅鳍状结构中的鳍层内置有流道结构，且通入的流体介质可以是气体、液体以及气液混合体(要不腐蚀金属型材)；如空气、水、制冷剂、防冻液等。
本发明所述的金属基底层的通道截面的形状为圆形、椭圆形、长方形或其他多边形，优选为圆形。
本发明所述的光伏组件层的光伏组件单元为单晶硅片、多晶硅片、非晶硅片、铜铟镓硒片、砷化镓片、碲化镉片、有机光伏片等太阳能光伏领域市售产品中的一种均可，采用多片串联。
本发明所述的金属边框为金属铝合金材料或者金属-有机框架材料或者金属不锈钢材料，强度高，抗压性良好、耐磨损且耐腐蚀。
本发明的光伏组件封装时，按照从下至上顺序封装：依次为金属型材、缓冲层、光伏组件层、缓冲层和透明覆盖层，且各层间粘接贴合牢固。
附图说明
图1为本发明所述的复合型光伏光热一体化构件的结构示意图；
图2为本发明所述不同基底光伏构件在相同测试条件下的温度变化；
图3为本发明所述不同基底光伏构件在相同测试条件下的功率衰减百分比；
图4为本发明所述金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的封装效果图；
图5为通过温度反馈控制空气和水两种介质的不同季节使用示意图；
图1中标记：1-金属基底复合型光伏光热一体化构件，(1)-保温层，(2)-金属基底层，包括(2.1)-翅鳍状鳍层，(2.2)-散热流道，(2.3)-翅鳍状翅层，(3)-粘合剂，(4)-光伏组件层，(5)-透明覆盖层，(6)-金属边框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，但不仅限于以下实施例。
实施例1
按照附图1所示顺序封装金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其中透明覆盖层采用超白钢化玻璃，其尺寸为1465mm*675mm*3.2mm；金属型材尺寸为1465mm*675*10mm，内置流道管径为5mm，材质为铸铝；电池片为单晶硅电池片，其尺寸为156mm*156mm*0.2mm；缓冲层为EVA胶，其厚度为0.4-0.5mm；在实际实验测试中，按照市售单晶硅组件的组成材质分别封装了尺寸为1465mm*675mm*5mm和1465mm*675mm*9mm的TPT基底光伏组件和玻璃基底光伏组件，其输出功率均为150W，实验测试时间为0.5h。实验结构表明，利用金属型材作为光伏构件的基底层，其散热效果明显优于市场上所出售的TPT基底光伏组件和玻璃基底光伏组件。
在相同光照强度和实验室测试条件下，在空气自然对流散热情况下，本发明设计加工的金属型材基底光伏构件实际工作半小时温度升高约13℃，而市场上的成品TPT基底单晶硅组件和玻璃基底单晶硅组件的的温度升高分别约为39℃和44℃，温度变化可以缩小25—30℃，如附图2所示。与此同时，如附图3所示，金属型材基底光伏构件的功率衰减百分比约77.62％，下降幅度为22.38％，而市售TPT基底光伏组件和玻璃基底光伏组件的功率衰减百分比分别为75.33％和70.73％，对应下降幅度分别为24.67％和29.27％，金属型材基底功率衰减百分比可减少2.5％—5％。这也表明，与市售的TPT基底光伏组件和玻璃基底光伏组件相比，金属型材基底光伏构件的输出功率可增加2.5％—5％。若进一步把循环冷却流体更换为水或者防冻液，预期金属型材基底光伏构件的输出功率可提高10％—20％。也就是说，金属型材基底对太阳能电池片的散热效果优于市场上的晶硅组件基底。此外，在实验中，光照30min，电池片的温度变化范围在25℃-75℃，电池片性能正常，实验数据真实可靠。
本发明设计的金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的实际封装效果图如附图4所示，从下至上顺序依次为：金属边框、保温层、金属型材、EVA缓冲层、光伏电池层、EVA缓冲层、钢化玻璃覆盖层和钢化玻璃盖板层。
实施例2
将基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件、太阳能控制器、蓄电池、逆变器、温控器、风阀、风机、水泵、储热水箱和K型热电偶组装；所述太阳能控制器分别与基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件、蓄电池及逆变器相连接；所述温控器分别与风阀、水泵和K型热电偶相连接；所述风机通过风道与风阀与基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件相连接；所述储热水箱通过水流道、水泵与基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件相连接；K型热电偶K1检测基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的当前温度T1；K型热电偶K2检测储热水箱内热水的当前温度T2，温控器分别与K型热电偶K1和K型热电偶K2连接；
基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，空腔流道有两层，其中一层为通水流道，与水流道连通，另一层为通风流道，与风道连通；将光伏光热一体化构件产生的热能传导存储在流体介质内。
温度控制器接收K型热电偶K1和K2的当前温度值T1和T2，并判断基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的当前温度T1与储热水箱内热水温度T2的温差是否大于等于预设温差；若大于等，则判定基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的当前温度过高，进而控制循环泵打开，储热水箱内冷水开始经循环泵给基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件进行冷却；若小，则判定基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件的当前温度过低，进而控制循环泵关闭；同时温度控制器也判断储热水箱内热水的温度T2是否大于预设水温；若大于等于，则判定储热水箱内热水温度过高，进而控制风阀打开，风机通过风道给基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件通风冷却；若小于，则判定储热水箱内热水温度过低，进而控制风阀关闭，风机不运行。本发明法可以实现通过实时温度反馈控制空气和水两种介质同时对光伏光热一体化构件进行冷却，增加单位面积光伏光热一体化构件的电能输出，同时可将光伏光热一体化构件产生的热量储存在流体介质水中，实现太阳能的高效利用，节约能源。
Claims (6)
1.一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，该构件包括保温层、金属型材基底层、缓冲层、由多个光伏电池单元串联构成的光伏组件层、透明覆盖层和金属边框；所述的保温层处于最下方，所述的金属型材基底层位于保温层上方，所述的缓冲层位于金属型材基底层的上方，所述的光伏组件层位于缓冲层之内，所述的透明覆盖层包括两层，两层之间有空隙且均位于缓冲层上方，所述的金属边框设置于各层叠加之后的外部；所述的金属基底层为翅鳍状的板层，包括多个供散热介质流通的空腔流道；所述的金属型材基底层包括两层，每层均有多个空腔流道，上层与缓冲层相贴合，下层与保温层相贴合；金属型材基底材料表面作绝缘吸热涂层处理；金属型材基底上层为具有多个管型空腔流道的鳍状金属型材，下层为翅状金属型材，翅片之间的空腔作为流道；其中鳍层厚度为2-10mm，流道直径为1-6mm；翅层厚度为10-50mm；金属基底层的厚度为50-100mm；保温层，其传热系数小于0.04W/(m·K)，厚度为20-50mm。
2.按照权利要求1所述的一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，缓冲层为热熔型胶体材料，且上胶温度不高于200℃，用于粘结透明覆盖层和金属基底层。
3.按照权利要求1所述的一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，透明覆盖层为高透过率玻璃或者透明性树脂，透过率不低于90％，其包括两层：一层用于光伏组件的封装；另一层用于光伏光热一体化构件的盖板层。
4.按照权利要求1所述的一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，金属型材的流道内，通入的流体介质是气体、液体以及气液混合体；金属基底层的通道截面的形状为圆形、椭圆形、长方形或其他多边形。
5.按照权利要求1所述的一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，光伏组件层的光伏组件单元为单晶硅片、多晶硅片、非晶硅片、铜铟镓硒片、砷化镓片、碲化镉片或有机光伏片中的一种，采用多片串联。
6.按照权利要求1所述的一种基于金属型材基底的复合型光伏光热一体化构件，其特征在于，金属边框为金属铝合金材料或者金属-有机框架材料或者金属不锈钢材料。
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