CN109104138B - 一种柔性薄膜状光热电转换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性薄膜状光热电转换器件，包括柔性薄膜基底、柔性热电薄膜模块和柔性光伏薄膜模块，所述柔性薄膜基底上放置有柔性热电薄膜模块；所述柔性热电薄膜模块的向光面平行搭载柔性导热层与柔性隔热层，所述柔性导热层的向光面搭载所述柔性光伏薄膜模块；所述柔性隔热层的向光面搭载柔性反光层，减少太阳热能的吸收，在所述柔性热电薄膜模块内制造温度差；所述柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块各选一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口，所述柔性热电薄膜模块的另一端输出端口作为热电输出端口，所述柔性光伏薄膜模块的另一端输出端口作为光伏输出端口。本发明能有效提高太阳能综合利用率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能及热能发电技术领域，特别是涉及一种柔性薄膜状光热电转换器件。
背景技术
在化石燃料储备日渐消耗的情况下，对可再生能源如太阳能的利用成为人们关注的重要方向。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，其中光电转换是目前对太阳能进行有效利用的主要途径，如通过光伏组件可以将太阳能转换为电能。但由于太阳能电池工作时的光电转换效率有限，普遍在20～30％，剩余的太阳能量以废热的形式散失在环境中。
热电材料能够直接将热能与电能相互转换，在废热回收及绿色制冷领域中展现出巨大的应用潜力。目前商业化的热电材料主要为碲化铋基的无机块体材料，其能量转化效率约为10％。热电材料的能量转换效率虽不如传统的压缩机制冷或者蒸汽热回收系统，但它的优点在于器件稳定性高、结构简单紧凑、易于维护；并且热电器件工作时不需要机械传动装置或配件，对环境友好。
将热电器件与光伏组件集成，在光伏电池吸收太阳光发电的同时，热电器件吸收光伏电池的废热发电，可实现光电、热电同时转化，是提高对太阳能利用率的有效途径。近年来，各类器件的微型化、柔性化发展逐渐成为潮流趋势，随之涌现出各种新型可穿戴、可折叠便携式的智能设备，若将光伏与热电器件做成薄膜结构，实现轻质、超薄、可弯折，便可推动太阳能/热电电池在航空航天、医疗监护以及可穿戴等领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性薄膜状光热电转换器件，能有效提高太阳能综合利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种柔性薄膜状光热电转换器件，包括柔性薄膜基底、柔性热电薄膜模块和柔性光伏薄膜模块，所述柔性薄膜基底上放置有柔性热电薄膜模块；所述柔性热电薄膜模块的向光面平行搭载柔性导热层与柔性隔热层，所述柔性导热层的向光面搭载所述柔性光伏薄膜模块；所述柔性隔热层的向光面搭载柔性反光层，减少太阳热能的吸收，在所述柔性热电薄膜模块内制造温度差；所述柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块各选一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口，所述柔性热电薄膜模块的另一端输出端口作为热电输出端口，所述柔性光伏薄膜模块的另一端输出端口作为光伏输出端口。
所述柔性热电薄膜模块与所述柔性导热层上下相贴的半面作为热端，与柔性隔热层上下相贴的半面作为冷端，所述柔性热电薄膜模块利用热端和冷端的温差发电。
所述柔性热电薄膜模块由多对P型热电薄膜及N型热电薄膜通过导电银胶首尾串联相接组成。
所述P型热电薄膜为P型Bi2Te3基、Bi2Se3基和Sb2Te3基纳米陶瓷基柔性薄膜中的一种，且厚度不大于30μm；所述N型热电薄膜为N型Bi2Te3基、Bi2Se3基和Sb2Te3基纳米陶瓷基柔性薄膜中的一种，且厚度不大于30μm。
所述柔性光伏薄膜模块为砷化镓、铜铟镓硒和钙钛矿类可弯折柔性薄膜太阳能电池中的一种，且厚度不大于1mm。
所述柔性薄膜基底为聚酰亚胺、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸乙二醇酯耐高温柔性聚合物薄膜中的一种，且厚度不大于150μm。
所述导热层为具有高导热和绝缘特性的导热双面胶，厚度不大于0.5mm。
所述隔热层为高密度多孔泡沫，厚度为1～3mm。
所述反光层为铝、银和金金属反射膜中的一种，厚度为0.1～0.3mm。
所述热电输出端口、光伏输出端口和光伏热电通用输出端口的电极材料为导电金属。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将柔性热电薄膜模块集成在柔性光伏薄膜电池背光面，在柔性光伏薄膜电池吸收太阳能发电的同时，柔性热电薄膜模块收集柔性光伏薄膜电池工作时产生的多余热量，利用温差发电原理将热能转换为电能。将两者集成，提高器件工作时对太阳能的能量利用率。本发明采用陶瓷基纳米片柔性薄膜作为热电材料，其尺寸可调，便于通过减小热电材料尺寸增加PN对数量，从而提高热电模块开路电压。本发明的柔性薄膜光热电转换器件轻薄、绿色环保、结构设计简明，不含运动部件，不消耗外界能源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的侧面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种柔性薄膜状光热电转换器件，包括柔性薄膜基底、柔性热电薄膜模块和柔性光伏薄膜模块，所述柔性薄膜基底上放置有柔性热电薄膜模块；所述柔性热电薄膜模块的向光面平行搭载柔性导热层与柔性隔热层，所述柔性导热层的向光面搭载所述柔性光伏薄膜模块，用于光照发电与光热转换；所述柔性隔热层的向光面搭载柔性反光层，减少太阳热能的吸收，在所述柔性热电薄膜模块内制造温度差；所述柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块各选一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口，所述柔性热电薄膜模块的另一端输出端口作为热电输出端口，所述柔性光伏薄膜模块的另一端输出端口作为光伏输出端口。
其中，所述柔性热电薄膜模块由多对P型热电薄膜及N型热电薄膜通过导电银胶首尾串联相接组成。所述柔性热电薄膜模块与所述柔性导热层上下相贴的半面作为热端，与柔性隔热层上下相贴的半面作为冷端，所述柔性热电薄膜模块利用热端和冷端的温差发电。
下面通过5个具体的实施例来进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，一种柔性薄膜状光热电转换器件，包括：柔性薄膜基底1、柔性热电薄膜模块2、柔性光伏薄膜模块7、光伏热电通用输出端口9、柔性导热层10、柔性隔热层11和柔性反光层12。其中柔性热电薄膜模块2包括P型热电薄膜3、N型热电薄膜4、导电银胶5和热电输出端口6；柔性光伏薄膜模块7包括柔性光伏薄膜电池和光伏输出端口8。
本实施例使用尺寸为5cm×6cm的聚酰亚胺薄膜作为柔性基底。
在柔性基底上方放置柔性热电薄膜模块，柔性热电薄膜模块由12条尺寸为3mm×4cm的P/N型Bi2Te3热电薄膜串联组成，每条热电薄膜厚度为5μm，条间相隔1mm。边缘热电薄膜分别连接银条作为热电输出端口。
在柔性热电薄膜模块上方半边放置柔性光伏薄膜模块，使用尺寸为5cm×3cm、厚度为0.2mm柔性砷化镓太阳能电池片作为柔性光电薄膜模块部件。在柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块之间以尺寸为5cm×3cm、厚度为0.15mm的导热双面胶紧密相贴，便于两模块间热量传递。
在柔性热电薄膜模块上方另一半边紧密贴合隔热层与反光层，使用尺寸为5cm×3cm、厚度为1mm的多孔泡沫胶带作为隔热层，可阻挡80％的热量传输。使用尺寸为5cm×3cm、厚度为0.1mm铝箔作为反光层，可有效反射光线并减少热量在隔热层积聚。
如图2所示，柔性热电薄膜模块2与柔性光伏薄膜模块7在同一平面相接，柔性热电薄膜模块2与柔性光伏薄膜模块7各一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口9。所述光伏热电通用输出端口9与热电输出端口6、光伏输出端口8共同构成所述柔性薄膜状光热电转换器件整体器件的三端输出，输出端口电极材料均为银。
实施例2
本实施例的结果与实施例1相同。区别在于：
本实施例使用尺寸为6cm×6cm的耐高温聚酯薄膜作为柔性基底。
在柔性基底上方放置柔性热电薄膜模块，柔性热电薄膜模块由16条尺寸为2mm×6cm的P/N型Bi2Se3热电薄膜串联组成，每条热电薄膜厚度为20μm，条间相隔1mm。边缘热电薄膜分别连接银条作为热电输出端口。
在柔性热电薄膜模块上方半边放置柔性光伏薄膜模块，使用尺寸为6cm×3cm、厚度为1mm柔性钙钛矿太阳能电池片作为柔性光电薄膜模块部件。在柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块之间以尺寸为6cm×3cm、厚度为0.45mm的导热双面胶紧密相贴，便于两模块间热量传递。
在柔性热电薄膜模块上方另一半边紧密贴合隔热层与反光层，使用尺寸为6cm×3cm、厚度为1.5mm的多孔泡沫胶带作为隔热层，可阻挡85％的热量传输。使用尺寸为6cm×3cm、厚度为0.15mm铝箔作为反光层，可有效反射光线并减少热量在隔热层积聚。
如图2所示，柔性热电薄膜模块2与柔性光伏薄膜模块7在同一平面相接，柔性热电薄膜模块2与柔性光伏薄膜模块7各一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口9。所述光伏热电通用输出端口9与热电输出端口6、光伏输出端口8共同构成所述柔性薄膜光热电转换器件整体器件的三端输出，输出端口电极材料均为铝。
实施例3
本实施例中，使用尺寸为4cm×6cm的聚酰亚胺薄膜作为柔性基底。在柔性基底上方放置柔性热电薄膜模块，柔性热电薄膜模块由10条尺寸为2mm×6cm的P/N型Bi2Te3热电薄膜串联组成，每条热电薄膜厚度为15μm，条间相隔2mm。边缘热电薄膜分别连接银条作为热电输出端口。在柔性热电薄膜模块上方半边放置柔性光伏薄膜模块，使用尺寸为4cm×3cm、厚度为0.45mm柔性钙钛矿太阳能电池片作为柔性光伏薄膜模块部件。在柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块之间以尺寸为4cm×3cm、厚度为0.3mm的导热双面胶紧密相贴，便于两模块间热量传递。在柔性热电薄膜模块上方另一半边紧密贴合隔热层与反光层，使用尺寸为4cm×4cm、厚度为2mm的多孔泡沫胶带作为隔热层，可阻挡90％的热量传输。使用尺寸为4cm×4cm、厚度为0.2mm铝箔作为反光层，可有效反射光线并减少热量在隔热层积聚。本实施例的柔性薄膜状光热电转换器件可弯折。
实施例4
本实施例中，使用尺寸为4cm×6cm的耐高温聚酯薄膜作为柔性基底。在柔性基底上方放置柔性热电薄膜模块，柔性热电薄膜模块由8条尺寸为2.5mm×2.5cm的P/N型Sb2Te3热电薄膜串联组成，每条热电薄膜厚度为18μm，条间相隔1.5mm。边缘热电薄膜分别连接银丝作为热电输出端口。在柔性热电薄膜模块上方半边放置柔性光伏薄膜模块，使用尺寸为4cm×2cm、厚度为0.3mm柔性钙钛矿太阳能电池片作为柔性光电薄膜模块部件。在柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块之间以尺寸为4cm×2cm、厚度为0.28mm的导热双面胶紧密相贴，便于两模块间热量传递。在柔性热电薄膜模块上方另一半边紧密贴合隔热层与反光层，使用尺寸为4cm×2cm、厚度为2.5mm的多孔泡沫胶带作为隔热层，可阻挡95％的热量传输。使用尺寸为4cm×2cm、厚度为0.25mm铝箔作为反光层，可有效反射光线并减少热量在隔热层积聚。
在室温下，将所制得的柔性薄膜状光热电转换器件放置于温度为25℃测试台上。测试在太阳光模拟器AM 1.5光源下进行，采用两电极测试方法，将数字源表的高低电势夹头与器件热电模块输出端口充分接触。打开太阳光模拟器，以光照开/关各60s为一个周期，循环十个周期，记录数字源表中获得的开路电压数值。测试结束，关闭太阳光模拟器，关闭电脑。柔性薄膜状光热电转换器件热电模块在光照条件下产生的开路电压平均值为23mV。
实施例5
本实施例使用尺寸为4cm×6cm的聚酰亚胺薄膜作为柔性基底。在柔性基底上方放置柔性热电薄膜模块，柔性热电薄膜模块由10条尺寸为2mm×6cm的P/N型Bi2Te3热电薄膜串联组成，每条热电薄膜厚度为30μm，条间相隔2mm。边缘热电薄膜分别连接银条作为热电输出端口。在柔性热电薄膜模块上方半边放置柔性光伏薄膜模块，使用尺寸为4cm×3cm、厚度为0.5mm柔性染料敏化太阳能电池片作为柔性光电薄膜模块部件。在柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块之间以尺寸为4cm×3cm、厚度为0.36mm的导热双面胶紧密相贴，便于两模块间热量传递。在柔性热电薄膜模块上方另一半边紧密贴合隔热层与反光层，使用尺寸为4cm×4cm、厚度为3mm的多孔泡沫胶带作为隔热层，可阻挡99％的热量传输。使用尺寸为4cm×4cm、厚度为0.3mm铝箔作为反光层，可有效反射光线并减少热量在隔热层积聚。所制得的柔性薄膜状光热电转换器件可弯折。将柔性热电薄膜模块与柔性光电薄膜模块其中一端输出端口相连接，柔性薄膜光热电转换器件整体器件为三端输出。
在室温下，将所制得的柔性薄膜状光热电转换器件放置于温度为25℃测试台上。测试在太阳光模拟器AM 1.5光源下进行，采用两电极测试方法，将数字源表的高低电势夹头分别与器件光电模块输出端口和器件热电模块输出端口充分接触。打开太阳光模拟器，以光照开/关各60s为一个周期，循环十个周期，记录数字源表中获得的开路电压数值。柔性薄膜状光热电转换器件光电模块在光照条件下产生的开路电压平均值为800mV，柔性薄膜状光热电转换器件热电模块在光照条件下产生的开路电压平均值为34mV。相同测试条件下，将数字源表的高低电势夹头与整体器件光电模块的一端输出端口和热电模块的一端输出端口接触，十个周期后，柔性薄膜状光热电转换器件整体在光照条件下产生的开路电压平均值为820mV。
Claims (9)
1.一种柔性薄膜状光热电转换器件，包括柔性薄膜基底、柔性热电薄膜模块和柔性光伏薄膜模块，其特征在于，所述柔性薄膜基底上放置有柔性热电薄膜模块；所述柔性热电薄膜模块的向光面平行搭载柔性导热层与柔性隔热层，所述柔性导热层的向光面搭载所述柔性光伏薄膜模块；所述柔性隔热层的向光面搭载柔性反光层，减少太阳热能的吸收，在所述柔性热电薄膜模块内制造温度差；所述柔性热电薄膜模块与柔性光伏薄膜模块各选一端输出端口相连接，构成光伏热电通用输出端口，所述柔性热电薄膜模块的另一端输出端口作为热电输出端口，所述柔性光伏薄膜模块的另一端输出端口作为光伏输出端口；所述柔性热电薄膜模块与所述柔性导热层上下相贴的半面作为热端，与柔性隔热层上下相贴的半面作为冷端，所述柔性热电薄膜模块利用热端和冷端的温差发电。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述柔性热电薄膜模块由多对P型热电薄膜及N型热电薄膜通过导电银胶首尾串联相接组成。
3.根据权利要求2所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述P型热电薄膜为P型Bi2Te3基、Bi2Se3基和Sb2Te3基纳米陶瓷基柔性薄膜中的一种，且厚度不大于30μm；所述N型热电薄膜为N型Bi2Te3基、Bi2Se3基和Sb2Te3基纳米陶瓷基柔性薄膜中的一种，且厚度不大于30μm。
4.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述柔性光伏薄膜模块为砷化镓、铜铟镓硒和钙钛矿类可弯折柔性薄膜太阳能电池中的一种，且厚度不大于1mm。
5.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述柔性薄膜基底为聚酰亚胺、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸乙二醇酯耐高温柔性聚合物薄膜中的一种，且厚度不大于150μm。
6.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述导热层为具有高导热和绝缘特性的导热双面胶，厚度不大于0.5mm。
7.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述隔热层为高密度多孔泡沫，厚度为1～3mm。
8.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述反光层为铝、银和金金属反射膜中的一种，厚度为0.1～0.3mm。
9.根据权利要求1所述的柔性薄膜状光热电转换器件，其特征在于，所述热电输出端口、光伏输出端口和光伏热电通用输出端口的电极材料为导电金属。
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