CN110770512A - 具有广角集中器的热电联产太阳能收集器 - Google Patents

具有广角集中器的热电联产太阳能收集器 Download PDF

Info

Publication number
CN110770512A
CN110770512A CN201880038950.XA CN201880038950A CN110770512A CN 110770512 A CN110770512 A CN 110770512A CN 201880038950 A CN201880038950 A CN 201880038950A CN 110770512 A CN110770512 A CN 110770512A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microchannels
solar
solar collector
solar cell
microchannel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880038950.XA
Other languages
English (en)
Inventor
罗兰·温斯顿
江伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of California
Original Assignee
University of California
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of California filed Critical University of California
Publication of CN110770512A publication Critical patent/CN110770512A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/40—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors
    • F24S10/45—Solar heat collectors using working fluids in absorbing elements surrounded by transparent enclosures, e.g. evacuated solar collectors the enclosure being cylindrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/90—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation
    • F24S10/95—Solar heat collectors using working fluids using internal thermosiphonic circulation having evaporator sections and condenser sections, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/30—Arrangements for connecting the fluid circuits of solar collectors with each other or with other components, e.g. pipe connections; Fluid distributing means, e.g. headers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/052—Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells
    • H01L31/0525—Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells including means to utilise heat energy directly associated with the PV cell, e.g. integrated Seebeck elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S2023/86—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors in the form of reflective coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

披露了非成像太阳能收集器，所述非成像太阳能收集器利用广角集中器通过使用在透明壳体内部的新颖太阳能吸收器组件来生成电能和热能两者。一个或多个微通道或热管包括所述吸收器组件的一部分，并且从邻近和/或附接到所述微通道或热管的光伏太阳能电池有效地移除热量，从而冷却并提高所述太阳能电池的效率，而同时将热量传递到流动通过所述微通道的流体。还披露了制造生成电能和热能两者的非成像太阳能收集器的方法。

Description

具有广角集中器的热电联产太阳能收集器
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2017年4月14日提交的美国临时申请序列号62/485,798的优先权，该申请特别地以引用方式并入本文，如同在本文完全阐述一般。
技术领域
本发明总体上涉及太阳能领域。具体地，本发明的实施例涉及一种使用广角集中器和非成像光学器件来集中太阳能以产生电力和热水两者的热电联产太阳能收集器。
背景技术
常规太阳能电力系统使用光伏(PV)电池直接从太阳光生成电力。PV装置一般采用光集中器将太阳光集中到光伏表面上，从而最大化所收集的能量的量，以用于电力生产的目的。将非成像光学器件用于太阳能集中提供最广的可能接受角，并且因此与常规成像光学器件(诸如抛物面反射器)或追踪太阳的位置的系统相比，更有效地收集来自太阳的能量。
用于空间加热、家用热水和其他应用的常规太阳能集热器通过使用太阳能热水面板、太阳能抛物线型槽或太阳能空气加热器吸收太阳能辐射来收集热量。平板收集器是最常见的太阳能集热器类型，并且典型地利用深色平板吸收器和热传递流体，诸如水或空气。将热量从太阳有效地传递到流体介质继续对太阳能集热器的工程师和设计者产生挑战。
最典型地，上述常规太阳能系统是单独的系统，它们将生成热量或电力，而不是这两者。近年来，已经开发出热电联产(CHP)收集器系统，但一般地，这些CHP系统在平坦的散热器上使用太阳能电池而没有任何光学器件。这因为仅利用吸收器的一侧而增加材料的成本。通过使用非成像集中器，可以有利地利用吸收器的两侧，从而进一步提高效率并降低CHP太阳能系统的成本。
因此，强烈需要提供一种利用非成像集中器的CHP太阳能收集器，以改进性能并降低常规太阳能电力和太阳能热收集器系统的成本。
发明内容
本发明有利地提供了通过使用PV太阳能电池来有效地生成电力，以及通过到流体介质的热传递来有效地收集热能，它们全部在同一太阳能收集器内。在优选实施例中，非成像太阳能收集器使用广角集中器通过使用新颖太阳能吸收器组件来生成电能和热能两者。包括所述吸收器组件的一部分的一个或多个微通道或热管从所述太阳能电池有效地移除热量，从而提高所述太阳能电池的效率，而同时将热能传递到流动通过所述微通道的流体(最典型地，水)。
因此，本发明的目标是提供一种利用非成像光学器件和广角集中器的改进的CHP太阳能收集器。
本发明的另一目标是提供一种改进的非成像太阳能收集器，其中，PV太阳能电池因为从太阳能电池内移除热量而以提高的效率操作。
本发明的又一目标是提供一种改进的非成像太阳能收集器，其中，热量传递到流动通过非成像太阳能电池起壳体内的微通道的流体，以提供热水来供消费者使用。
本发明的另一目标是提供一种具有吸收器组件的改进的CHP太阳能收集器，所述吸收器组件包括一个或多个微通道和至少一个太阳能电池。
本发明的另一个目标是提供一种利用非成像光学器件的改进的CHP太阳能收集器，所述太阳能收集器具有透明壳体、广角集中器和在所述壳体内的吸收器组件，其中，所述吸收器组件将太阳光转换成电力并将热量传递到流动通过所述组件的流体。
本发明的另一个目标是提供一种制造用于提供电力和热能两者的改进的CHP太阳能收集器的方法。
应理解，前述的一般性说明和以下的详细描述两者都是示例性，而并不限制本发明。将向本领域技术人员提供对本文披露的改进的太阳能收集器和方法的更完整理解。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的用于热量和电力两者的生成的非成像太阳能收集器的顶视图。
图1B是图1A的非成像太阳能收集器的正视图。
图1C是图1A的非成像太阳能收集器的截面图，示出了在管状壳体中处于180度位置的吸收器组件。
图2A是非成像太阳能收集器的截面图，示出了在管状壳体中处于90度位置的吸收器组件。
图2B是非成像太阳能收集器的截面图，示出了在管状壳体中处于约225度位置的吸收器组件。
图3A是吸收器组件的正视图，示出了隔板以将顶部微通道中的流体流动重定向到组件的底部微通道中的流动的反方向。
图3B是图3A的吸收器组件的截面图，示出了处于堆叠安排的底部微通道和顶部微通道。
图4示出了非成像太阳能收集器部件，包括具有端帽和锁环的壳体，以及具有太阳能电池、微通道和双面胶带的吸收器组件。
图5是壳体的螺纹端、端帽和锁环的放大透视图。
图6是根据本发明的实施例的具有圆顶端、平直部段、锥形部段和螺纹部段的壳体的侧视图。
图7A是使用薄导体进行互连的太阳能电池的后视图。
图7B是示出太阳能电池使用双面热胶带附接到微通道的透视图。
图8是示出太阳能电池效率的图。
图9A和图9B示出了IBC太阳能电池的两个切割模式。
图9C示出了IBC太阳电池接触结构的一部分。
图10是重力热管的示意图。
图11是根据本发明的实施例的微通道的截面图。
图12是热传递速率随多种热传递流体的温度而变的图。
图13是根据本发明的实施例的微通道热管的歧管设计的透视图。
图14是针对工作流体流速的沿着微通道的加热部分的长度的温度变化的图。
图15是示出微通道温度分布的示意图。
图16示出了直流配置中的温度分布。
图17是非成像太阳能收集器的一部分的透视图，示出了横向和纵向角度。
图18是对非成像太阳能收集器的横向角度分析的截图。
图19是吸收器的左侧上的辐射图。
图20是吸收器的右侧上的辐射图。
图21示出了沿着吸收器的轴线的太阳能电池的安排的辐射。
图22A是光线追踪的截图，其中吸收器处于180°位置。
图22B是处于图22A的位置的吸收器的吸收功率图。
图23A是光线追踪的截图，其中吸收器处于90°位置。
图23B是处于图23A的位置的吸收器的吸收功率图。
图24A是光线追踪的截图，其中吸收器处于135°位置。
图24B是处于图24A的位置的吸收器的吸收功率图。
图25是热传递随非成像太阳能收集器中的空气、氮气和氩气的温度而变的图。
图26A是空气流循环图，其中吸收器处于90°位置。
图26B是空气流循环图，其中吸收器处于180°位置。
图27A是对流热量损失图，其中吸收器处于180°位置。
图27B是对流热量损失图，其中吸收器处于135°位置。
图27C是对流热量损失图，其中吸收器处于90°位置。
图28是自由对流热量损失随工作温度而变的图。
图29是典型的可商购太阳能电池的光谱性质的图。
图30是TCO层的光学性质随波长而变的图。
图31是处于不同角度的玻璃的发射率随波长而变的图。
图32是热量损失随工作温差而变的图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的优选实施例，优选实施例的实例在附图中展示。尽管将结合优选实施例来描述本发明，但将理解，它们不意图将本发明限于这些实施例。相反，本发明意图涵盖可以包括在本发明的精神和范围内的替代方案、修改和等效物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐明了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将显而易见，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
生成电力的非成像PV太阳能收集器在本领域中是众所周知的(参见例如美国专利号5,289,356、4,387,961、4,359,265、4,230,095、4,003,638、4,002,499和3,597,031)。同样地，收集太阳热能以产生热量的太阳能收集器在本领域中也是众所周知的(参见例如美国专利号9,383,120和7,971,587)。另外，已经开发出有限数量的热电联产(CHP)太阳能系统(参见例如温斯顿(Winston)的2012年8月3日公布的WO 2012030744)。所有这些引用的专利和公开通过引用并入本文。
本发明的实施例提供改进的CHP太阳能系统及其制造方法，该CHP太阳能系统利用用于太阳能集中的非成像光学器件和广角集中器、用于热收集的微通道(典型地，铝微通道)以及用于电力生产的可商购太阳能电池，它们全部封装在便宜的壳体中。通过用低成本光学器件替换太阳能面板和平板集热器的常规包装，产生了可以组装成阵列的有成本竞争力的太阳能CHP收集器。此类CHP收集器有效地产生电力和热能两者，从而提供优于仅产生电力或仅产生热能的常规太阳能收集器和先前开发的CHP收集器的显著改进。
具有广角集中器的热电联产太阳能收集器
太阳能收集器的结构
现在参考图1A至图1C，即时太阳能收集器100典型地包括：透明壳体120，其允许光线透入到壳体120的内部；在壳体120的一部分上的用于集中光线的反射涂层122；以及吸收器组件130，其吸收集中的光线和热能以产生电力和热量两者。吸收器组件130可以包括一个或多个微通道132以及至少一个PV太阳电池134。壳体120可以是玻璃、树脂玻璃(PLEXIGLAS)、聚碳酸酯、丙烯酸和/或在本文讨论的太阳能电池的操作温度下具有高度透光性、清晰度和强度的其他塑料材料。最典型地，壳体将包括硼硅酸盐和/或钠钙玻璃。硼硅酸盐玻璃(也被称为派热克斯玻璃(PYREX))是具有高透明度(91.8％透射率)和低热膨胀率(3.3e-6m/m℃)的低铁玻璃。由于这些性质，可以在优选实施例中使用硼硅酸盐玻璃。
如图所示的壳体120具有圆形截面，但在其他实施例中，可以包括圆锥形、抛物线型或其他几何形状的截面。具有圆形截面的典型壳体120的直径可以在40mm至125mm的范围内、最典型地70mm，并且长度在1.5m至2.7m的范围内，但可以使用更长的壳体，只要它们可以容易提升、运输和安装。具有圆形截面的壳体120容易生产且成本有效。
壳体120的内部可以排空(即，内部可以是真空或部分真空)，或者在其他方面，可以包括惰性气体136(例如，氩气、氦气、氡气等)。最典型地，惰性气体是处于大气压力(1atm.)的氩气，但也可以利用其他压力。
壳体120的表面的一部分涂有反射涂层122，使得涂层122反射并将太阳光线集中到一个或多个太阳能电池134上。太阳光线直接照射太阳能电池134中的至少一者，或照射在反射涂层122上并且由此被太阳能电池134反射、集中和收集。反射涂层122最典型地布置在大约壳体的外表面的下半部上、径向地在约90度至约270度(其中0度是壳体120的高度)、并且纵向地沿着壳体120的长度的大部分或全部，由此产生广角(大约180度)集中器。然而，在其他实施例中，反射涂层可以布置在壳体120的径向表面的多于或小于180度上，或者可以布置在壳体120的内表面上。
反射涂层122最典型地是包括银或铝的镜面涂层，其布置在壳体120的表面上，使得太阳光线指向壳体120的内部。反射涂层122可以在一系列涂层中实现，包括以下一者或多者：(1)氯化锡(或将反射涂层粘合到壳体120的外部的其他化合物)；(2)银或其他反射材料；(3)化学激活剂(或用于使锡/银硬化的其他硬化剂)；(4)铜(以获得耐久性)；以及(5)油漆(以保护涂层免受意外损坏)。
吸收器组件130一般包括一个或多个微通道132，以及邻近和/或可操作地附接和/或连接到微通道132的至少一个太阳能电池134。广泛范围的常规太阳能电池可以用于吸收器组件130中，包括但不限于，硅(Si)、铜铟镓二硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)、非晶硅(aSi)等。
在一些实施例中，太阳能电池利用常规高温热传导粘合剂(例如，单组分或双组分环氧树脂、硅树脂、聚酰亚胺树脂和/或弹性体产品)附接到一个或多个微通道132。在其他实施例中，使用常规热传递带(例如，丙烯酸带)可以用于将太阳能电池附接到微通道。各种类型和效率的常规太阳能电池的使用使得能够调谐太阳能阵列以获得最佳性能，而同时确保即时CHP太阳能收集器保持成本有效。另外，由于PV太阳能电池邻近和/或附接到微通道并且被配置成将热能传递到微通道，因此不需要典型的平板收集器所要求的背部绝缘。
一个或多个微通道132的宽度可以在约15mm与75mm之间，并且厚度在约1mm与6mm之间。微通道132在壳体120内纵向地行进，并且因此，一个或多个微通道的有效热传递长度与壳体120的长度大致相同或略小。最典型地，微通道132包括铝，但在一些实施例中，它们可以是铜或另一金属和/或金属合金。
微通道132中的每一者可以具有六(6)个与二十四(24)个之间或更多个的通道，其中通道的数量至少部分地由通道的大小和期望的流体流动决定。在通道具有矩形截面的微通道中，水力直径可以在0.2mm与3mm之间。然而，可以利用其他截面(例如，圆形、正方形、椭圆形、三角形和/或半圆形)。最典型地，微通道132将具有0.75mm与2.5mm之间的水力直径。
通过微通道132的流体流动可以在0.05升/min(0.013gpm)与0.3升/min(0.079gpm)之间的范围内，并且流体的入口/出口温度可以在4℃(39°F)与100℃(212°F)之间的范围内。最典型地，流体是水，但也可以利用其他流体(例如，乙二醇、丙二醇、丙酮、乙醇、甲醇、氨等)。
在一些实施例中，吸收器组件130可以定位在壳体120的最低点。例如，并且如图1C所示，对于具有圆形截面的壳体120，吸收器组件130可以定位在180度处(其中0度是壳体120的高点)。然而，在其他实施例中，吸收器组件可以处于替代径向位置。
现在参考图2A和图2B，其中示出了包括微通道232和太阳能电池234的备选吸收器组件230，该吸收器组件230可以在壳体220内定位在约90度与270度之间的任何径向点(例如，处于90度、105度、122度、140度、167度、205度、225度等)。在图2A中，吸收器组件230定位在约90度，并且在图2B中，吸收器组件230定位在约225度。下面的讨论中进一步阐明吸收器组件的定位。
如所述，吸收器组件可以包括一个或多个微通道。在仅包括单个微通道的吸收器组件中，通过微通道的流体流动是单向的。换句话说，流体在吸收器组件/壳体的一端进入微通道，并且在吸收器组件/壳体的相反端离开。然而，在具有至少两个微通道的其他方面，流体可以在一端进入吸收器组件、在一个方向上流动通过一个或多个微通道、颠倒方向并且在相反方向上流动通过一个或多个微通道、并且然后在与流体进入的相同端离开吸收器组件/壳体。
图3A和图3B示出了具有处于“堆叠”安排的两个微通道332A和332B的吸收器组件330(微通道332A沿着其最薄边缘邻近微通道332B)。在这样的安排中，流体在一个方向上流动通过第一微通道332A。流体然后在相反方向上定向并且在相反方向上流动通过第二微通道332B，使得流体在与流体进入吸收器组件330的相同端离开吸收器组件330。在一些方面，流体可以首先流动通过微通道332A并且然后通过微通道332B。在其他方面，流动可以首先通过微通道332B、然后通过微通道332A。
在图3A和图3B所示的实施例中，流体流动通过隔板(歧管)340进行反向。然而，在其他方面，U型弯管可以致使流体在与通过其他微通道的流体流动相反的方向上流动通过微通道。在一些方面，可以利用如在下面的讨论中详细阐明的热管安排。
如图3A和图3B所示，微通道332A和332B进行“堆叠”，使得由微通道332A和332B中的每一者的厚度“T”和长度“L”形成的区域彼此邻近。然而，在其他情况下，微通道332A和332B可以“并排”，使得由相应的微通道的宽度“W”和长度“L”形成的区域彼此邻近。
完全组装结构
现在参考图4，CHP太阳能收集器包括：玻璃(例如，硼硅酸盐玻璃)管/壳体420，其具有反射器和/或反射涂层422；吸收器组件430，其包括至少一个太阳能电池434；微通道热传递元件432；以及将太阳能电池附接到热传递元件的器件(例如，双面热传递胶带、环氧树脂或另一种粘合剂等)436。最典型地，玻璃管420的一端呈圆顶。玻璃管/壳体的另一端可以包括端帽438和锁环439。
在诸如图4所示的实施例的一些实施例中，吸收器组件430可以是可替换的。在此类实施例中，如图5所示的“梅森罐”设计允许密封、打开并且然后重新密封CHP太阳能收集器。在具有可替换的吸收器组件的一些实施例中，端帽可以利用环氧树脂或胶直接附接到管/壳体。在其他方面，管/壳体520的端部可以带螺纹，并且可以利用两部分密封端帽538至539，其中锁环539可以旋拧以将端帽固定到玻璃管520。归因于CHP太阳能收集器的低压力要求，这样的密封不像例如在真空工业中使用的典型金属到玻璃密封那么重要。
在一些方面，管的螺纹部段可以单独地制造并且随后与常规玻璃管接合在一起。例如，管的螺纹部段可以使用具有或不具有塑料(或其他类型)夹具的锥形毛玻璃接头或者其他进行玻璃到玻璃连接的常规器件(例如，利用环氧树脂或胶)来与常规玻璃管接合。在诸如图6所示的一者的其他实施例中，玻璃管620可以预先制造成具有平直部段621、圆顶端622、螺纹部段623和锥形部段624的单件。在图6的实施例中，玻璃管的平直部段621可以是一个直径(例如，70mm)，并且螺纹部段623可以是更大直径(例如，100mm)。在其他实施例中，螺纹部段和平直部段可以具有相同的直径，并且因此，没有锥形部段。附接到吸收器组件630的太阳能电池的电连接器在螺纹端623处引出管/壳体620，并且可以利用常规的薄电线到金属玻璃密封件或者围绕引线密封管/壳体620的端部623的其他常规器件。在一些实施例中，端帽(例如，图5的端帽538)可以是塑料、树脂塑料或其他合适的材料，并且代替图4和图5所示的两件实施例，可以制成单件。
太阳能电池子组件
所利用的太阳能电池的电和机械特性对于CHP太阳能收集器的成功实现来说很关键。太阳能电池的电效率显著影响装置的整体电效率。在图8中示出了典型的太阳能电池的效率曲线。
在一些情况下，太阳能电池到铝微通道的机械附接取决于太阳能电池背衬的机械强度并且影响CHP太阳能收集器的操作寿命。
在典型的实施例中，可以利用太阳电力公司(SUNPOWER)的叉指背接触(IBC)太阳能电池，因为它们的背接触具有高效率和稳健性。在其他实施例中，可以使用其他太阳能电池。IBC太阳能电池具有耐用的铜背衬，从而与常规薄片式晶体太阳能电池相比，使得对IBC太阳能电池的处理相对更容易。太阳能电池的这种稳健性是重要的，因为在一些情况下，可以使用热传导的电绝缘胶带组装太阳能电池和热传递元件(最典型地，铝微通道)。
如图7A和图7B所示，IBC太阳能电池734可以使用薄导体(狗骨)735进行互连。此类薄导体735可以焊接到太阳能电池734的背部或者通过其他常规手段进行附接。太阳能电池734然后可以使用例如热传导的电绝缘双面胶带736(诸如信越(SHIN-ETSU)胶带)胶到或以其他方式粘附到微通道732。优选使用被设计成在延长时间的高温应用下具有低发射率和高强度的胶带736，诸如用于半导体的散热的胶带。
太阳能电池可以根据需要切割以附接到微通道。IBC太阳能电池具有使得太阳能电池甚至在电池的前部上的易碎硅圆晶被破坏的情况下也能工作的触头分布。参考图9C，示出了IBC太阳能电池的部分960C。在分别如图9C中的蓝色和红色所示的邻近的电传导梳指961与962之间形成p/n结。红色梳指962是正电极，并且蓝色梳指961是负电极。电池可以沿着梳指切割，并且电触头将保持工作，即使在晶体硅顶部被破坏或毁坏时也是如此。电极附接区域964是低电阻区域，并且可以用于被切割的太阳能电池的互连。IBC太阳能电池的铜背部触头(未示出)甚至在切割之后也提供强支撑和良好的导电性。因此，IBC太阳能电池或等效物因其高效率和优越的机械强度而是优选的。然而，CHP太阳能电池的其他实施例可以使用其他类型的太阳能电池。
可以利用至少两种不同的切割方案来根据需要切割太阳能电池，以便配合微通道。图9A和图9B中示出了这些方案，其中太阳能电池960A和960B的相应虚线966A和966B表示切割线。如可以在图9A中看出，在切割线966A处进行三(3)次平行切割，使得IBC太阳能电池960A被分成四(4)个基本上相等的部分968A。图9A所示的方案适合于利用常规圆晶切片技术大量制造CHP太阳能收集器。替代地，并且如图9B所示，可以进行六(6)次平行切割966B，使得IBC太阳能电池960B被分成三(3)个基本上相等的部分968B。也可以利用保留太阳能电池的功能性并提供太阳能电池到微通道的适当配合的其他切割方案。
热传递配置
可以利用至少两个热传递配置以将太阳能传递到流动通过微通道的流体：(1)热管(HP)配置；以及(2)直流(DF)配置。
热管(HP)配置
热管通常被视作热传递元件的“超导体”。热管的冷凝部段与蒸发部段之间的温度下降典型地低于2℃，并且充当用于从太阳能电池提取热量的优选热传递元件。在一些实施例中，热管内部的芯部有助于工作流体的循环。然而，在优选实施例中并且为了降低成本，利用重力热管。
现在参考图10，示出了重力热管1032的示意图，该重力热管包括冷凝部段1041和蒸发部段1042。在冷凝部段1041中，冷凝的液体(工作流体)滴到热管的底部。在蒸发部段1042中，已经被蒸发的液体上升。归因于热管1032内部的低压，工作流体(例如，水、丙酮等)蒸发并从蒸发部段提取热量。蒸气然后朝向热管1032的顶部上升并且向附近环境释放其热量，由此恢复成液体。液体然后因为重力而往回朝向热管1032的底部滴落或“蠕动”。
在一些实施例中，热管可以由铝和/或铜构造，并且工作流体可以是水、丙酮、乙醇、甲醇、氨等。在正常工作条件下利用丙酮的实施例中，热管可以传递有限量的热量，直到工作流体/丙酮被蒸发干的时间为止。
典型地，热管具有一定长度(例如，2000mm)，使得典型的运输箱可以用于运输热管，并且可以利用标准大小的常规铝多孔挤压(MPE)工艺来制造该热管。图11中示出了根据实施例的热管1132的典型截面。另外地，在利用歧管的实施例中，热管的大小可以取决于冷凝器与歧管之间的连接配置。
在具有0℃至120℃的中温操作范围的实施例中，常用的热管热传递流体是水、丙酮、氨、乙醇、甲醇和庚烷。图12中示出了基于使用工程方程求解器(EES)软件的理论模型的用于2米长热管的这些流体的操作曲线。理论模型的沸点固定在50℃，并且示出了热管内的对应压力(真空)。
在一些情况下(例如，由铜构造成的热管)，由于热管的与低温度下降对应的高有效电导率，水可以是优选的热传递流体。在一些情况下，可以利用氨，因为它在热传递特性方面类似于水，但在此类情况下，热管必须高度加压。丙酮也因为其热传递性质而是优选的热传递流体，如图12所示。
对工作流体的选择取决于周围操作条件。例如，在低温下水的融化可能存在限制，而在典型的操作条件下，丙酮不会冻结。因此，在具有低操作温度的一些情况下，水和丙酮的混合物可以优选的流体。在将铝用作用于构造热管的材料的情况下，丙酮是优选的工作流体。
热管的歧管设计
现在参考图13，在具有多个热管1333的实施例中，歧管1340可以用来提供工作流体返回通过热管。如图13所示，歧管1340可以包括两个歧管部分1340A和1340B，它们从正面和背面将热管1340的冷凝器部段(未示出)夹在中间。在一些情况下，歧管1340可以是100mm宽的微通道，因为此类微通道是标准化大小。在其他情况下，可以利用其他歧管宽度。由于热管的冷凝器部段是扁平的而不是常规圆柱形形状，因此微通道在工作流体与歧管的壁之间实现较低温度下降。在优选实施例中，选择歧管的宽度，使得冷凝器的长度与歧管表面完全接触。
对热管歧管的热分析
如上所述，在具有100mm宽的歧管的优选实施例中，冷凝器的长度与歧管表面完全接触。在冷凝器表面长度的一部分不与歧管表面接触的实施例中，冷凝器与歧管之间的热交换表面减小。这样减小接触表面区域会减少由歧管材料接收的热量，并且对应地，减少由工作流体接收的总热量。然而，较宽的歧管将增大体积和宽度，进而将增加生产、处理和运输成本。较宽的歧管还将不利地允许沿着由附加宽度产生的间隙对环境的较大热量损失。在一些实施例中，歧管中的通道中的流动深度的深度可以是1.5mm。在其他实施例中，可以利用通道的其他深度。
被工作流体吸收的热量由公式给出，其中Q是接收到的总热量，
Figure BDA0002314338670000142
是质量流速，Cp是流体的比热，并且*ΔT是热量接收接触区域的入口与出口之间的温差。
如可以在图14中看出，较高的流速会降低工作流体的净温度增益，并且减小流速会增加净温度增益。另外，如图14所示，沿着等于32mm的冷凝器宽度的热量接收区域建立线性关系。基于流速和热传递系数，确定歧管的内表面温度。因此，取决于由歧管表面接收的热量和待加热的流体的流速，确定用于实现目标流体温度的热管阵列的数量。
例如，对于0.5l/min的流速与1.45℃的增益，需要串联的至少十个热管阵列。作为附加实例，对于2.5l/min的流速与2.9℃的增益，需要串联的五个热管阵列。净水温增益取决于流速和接收到的热量。这些仅仅是实例，并且可以利用流速、流体温度和热管数量的各种不同组合。
直流(DF)配置
在一些实施例中，可以利用直流(DF)配置。直流配置提供与热管的性能类似的性能。如图15所示，工作流体从箭头1流入微通道1532中，并且在箭头2处离开微通道1532。工作流体的流动然后反向/重定向180°(例如，通过U形弯管或歧管，未示出)到点3并且将在箭头4处离开。由于光的集中主要是在点3与点4之间，因此工作流体在该部段(箭头3与4之间)比它在第一部段(箭头1与2之间)加热更多。由于薄壁的(并且在一些实施例中)铝微通道的优良热传递，热量容易传递到微通道，从而冷却太阳能电池并改进电池的操作效率。
现在参考图16，其中示出了直流配置的温度分布，其中吸收器处于90°位置。图16的分布表明处于这个位置的微通道的表面温度是几乎一致的，并且对壳体/管内部的氩气的自然对流模拟表明与其他太阳能收集安排相比更少的热量损失。在微通道(吸收器)定位在3点钟(水平)的情况下，温度增加主要集中在微通道周围而不是壳体的整个体积，从而提供CHP太阳能收集器的增加的性能。
典型地，在太阳能电池的加热/过渡阶段，微通道的表面上的最大温度是21.55℃，并且工作流体中的最低温度是20.25℃。因此，由直流微通道的表面上的热传递引起的温差小于1.5℃。鉴于从太阳能电池到微通道工作流体的总温度下降是最大10℃，直接配置中的微通道的热传递是足够的。因此，在CHP太阳能收集器的一些实施例中，可以使用直流配置。
吸收器组件定位
如上所述，吸收器组件可以在壳体/管内定位在约90°与270°之间的任何径向点处，其中0°是壳体/管的最高点(12点钟位置)。在优选实施例中，吸收器定位在90°(3点钟)、180°(6点钟)或135°(3点钟位置与6点钟位置之间的一半，即，4:30位置)。
为了确定最佳吸收器位置，针对使用单个CHP太阳能收集器的200mm部段的三个优选吸收器位置(即，90°、135°和180°)中的每一者，执行使用LIGHTTOOLS的模拟。在图17中，示出了CHP太阳能收集器1700的横向角度和纵向角度。太阳光线的入射角被限于x，y平面，如图17和图18所示，该平面是太阳能收集器的截面平面。在图18中，吸收器组件1830被示为处于壳体/管1820内部的180°/6点钟位置。入射角在春分日的上午约10点钟是33度。太阳能收集器根据当地纬度纵向地倾斜。图18示出了在CHP太阳能收集器的横向角度分析下的光线追踪。
基于图18的横向角度分析，确定吸收器处的辐射密度。现在参考图19，其中示出了图18的吸收器1830的左侧上的太阳辐射密度(以W/mm2为单位)。应注意，对于吸收器1830的左侧，图19中的y正方向是图18的3D模型的y负方向。
光学模拟的结果也被记录为下表1所示的单元格数据，并且利用如由LIGHTTOOLS软件分析确定的吸收的瓦特来验证总辐射。
Figure BDA0002314338670000161
表1
类似于图19，图20示出了吸收器的右侧上的太阳能密度。与左侧相比，右侧上的分布的最大值较低。然而，集中区域的宽度更宽。因此，在轴向(或纵向)方向上，功率密度的分布大致相同；然而，在横向方向上，分布变化达集中的2.4倍。
现在参考图21，其中示出了沿着CHP太阳能收集器中的吸收器的纵向轴线的太阳能电池的安排的辐射图。如上所述，沿着纵向方向，功率密度大致相同。因此，图21示出了类似于图21的辐射映射的辐射分布，但也示出了纵向方向上的太阳能电池的安排。
热点效应与缓解
光线追踪的结果表明可以缓解热点的效应。热点效应在6点钟吸收器配置的情况下比3点钟配置更明显。然而，如果太阳能电池沿着轴向(纵向方向)串联连接，那么太阳能电池之间的电流的不匹配就被最小化。热点处的太阳辐射的集中受到限制(典型地小于3倍)，并且高浓度的太阳光仅在日出和日落时间期间对于180°(六点钟)吸收器配置发生。接收器的水平90°(3点钟)配置不经受任何高浓度/热点，并且因此，热点效应对于90°配置来说不是问题。
不同太阳位置的光线追踪
由于太阳因每日和季节变化而位置不同，执行对CHP太阳能收集器的敏感性模拟。所执行的模拟是基于反射涂层/镜面(参见例如图1的反射涂层122)的92％反射率以确定整体效率，并且因此，确定CHP收集器中的吸收器的最佳位置。图22A示出了处于180°位置的吸收器2230。图23A示出了处于90°位置的吸收器2330，并且图24A示出了处于135°位置的吸收器2430。图22B、图23B和图24B示出了三个吸收器位置的对应功率曲线。
根据敏感性分析的三个配置的整体效率表明，90°水平定位(3点钟)的吸收器配置具有比135°吸收器配置稍微更好的光学效率，其中竖直定位的接收器180°(6点钟)配置效率最低。90°配置具有最高效率的事实是逻辑上的，因为水平定位的吸收器的至少一侧将从不经受镜面的较低反射率。
CHP太阳能收集器的热效果
在CHP太阳能收集器的优选实施例中，壳体/管填充有氩气。如图25所示，使用氩气来代替空气或氮气将自由对流热量损失减少约三分之一(1/3)。使用COMSOL对自由对流执行有限元分析(FEA)。自由对流建模是基于两种不同的流体(也就是，空气和氩气)、两种不同的吸收器配置(3点钟和6点钟)、以及管的外表面上的风冷。首先执行对气流循环的流体力学分析。
如图26A和图26B所示，空气的最高速度在处于90°配置的吸收器的左边缘处发生，并且空气流型是不对称的。然而，在180°(6点钟)配置中，空气速度场是对称的，并且管周围全部都有气流，从而引起附加的热量损失。而且，如图26A和图26B所示，低瑞利数指示气流层流，该层流气流与湍流气流相比引起更少的热传递。
因此，执行热传递分析以确定管中的自由对流热量损失。图27A至图27C中示出了基于吸收器的三个优选配置的热传递分析的结果。归因于热空气的浮力，180°和135°配置两者都允许自然对流产生空气的循环。相比之下，90°配置与其他(180°和135°)配置相比具有23％更少的对流热量损失。因此，分析了90°配置的随工作温度而变的对流热量损失的分析，并且结果在图28中示出。
收集器内的自由对流保持为层流直到高于环境温度的吸收器温度180℃，并且根据这样的温差，热量损失以线性方式上升。因此，对流热量损失可以利用收集器壳体中的适当气体(例如氩气)和接收器的有效配置(例如90°)进行很好地控制。由于对流热量损失可以被控制，因此辐射热量损失变成控制吸收器的热效率的主要因素。
由于辐射的热量损失
对辐射热量损失的分析显著影响CHP太阳能收集器的性能，因为在较高工作温度下辐射热量损失急剧增加，该热量损失有效地决定吸收器的滞流温度。图29中示出了孙兴书(Xingshu Sun)等人的“对光伏的热管理的基于光学器件的方法：选择性光谱和辐射冷却(Optics-Based Approach to Thermal Management of Photovoltaics:Selective-Spectral and Radiative Cooling)”，IEEE光伏杂志(2017年3月第7卷第2期)(“辐射冷却”)的对典型可用的太阳能电池执行的太阳能电池发射率分析的结果。
在被分析的太阳能电池中，只有硅(Si)太阳能电池可以直接暴露于环境，而由其他材料制造的太阳能电池将需要顶饰层和/或涂层。因此，尽管Si太阳能电池可以充当发射表面，但其他薄膜太阳能电池(例如，GaAs、CdTe、CIGS)具有由它们的顶饰层/涂层决定的发射率。此类顶饰层/涂层可以是透射导电氧化物(TCO)层或玻璃。因此，存在用于计算辐射损失的三个选择：(1)硅；(2)TCO；或(3)玻璃。
对于大多数的可商购单晶和多晶太阳能电池，硅的发射率较高。这是因为由背反射器性质或硅电池的地层的掺杂引起的子带隙光子的高吸收率。这也将导致高辐射热量损失和低滞流温度。
在一些实施例中，可以移除现有的玻璃顶饰太阳能电池，以暴露薄膜太阳能电池的TCO层，或者TCO可以沉积在硅太阳能电池(例如，松下(Panasonic)的本征薄层异质结(HIT)电池)上以降低发射率。由于TCO顶饰层的高红外(IR)反射率可以通过将来自太阳能电池的红外发射反射回去而降低发射率，因此将TCO用作顶层增加热效率，从而也增加太阳能收集器的滞流温度。图30(干雄田口等人的“薄硅圆晶上的24.7％记录效率HIT太阳能电池(24.7％Record Efficiency HIT Solar Cell on Thin Silicon Wafer)”IEEE光伏杂志，2014年1月第4卷第1期)示出了TCO随波长而变的理想光学性质。使TCO顶饰层的高透射率和反射率交替导致在波长光谱上的太阳能电池的低发射率。
相比之下，玻璃的发射率较高，从而导致高辐射损失和低热效率。然而，利用玻璃的太阳能收集器的滞流温度将低，从而允许太阳能电池的更简单粘合机构。使用玻璃覆盖物的典型太阳能电池可以是CIGS、CdTe或GaAs薄膜太阳能电池。图31示出了针对长波长处于不同角度的玻璃的发射率。图31的阴影区域是发射率光谱。
热传递
利用水平(90°)配置来评估因其较低对流热量损失而引起的滞流温度。如图32所示，如果没有辐射热量损失，那么基线对流损失(蓝绿色虚线)将导致CHP太阳能电池停滞在远高于150℃的温度。
由于太阳能电池的发射率是变化的，因为热性能改变。为了实现更好的热效率，必须缓解更高的滞流温度。热性能/滞流温度主要受热量损失影响，该热量损失由太阳能电池顶饰层/涂层决定。在图32中，曲线与1000W/m2蓝色点线相交的点标记滞流温度。理想地，滞流温度应低于150℃(绿色虚线)，因为在较高温度下，太阳能电池的附接可能被影响。例如，双面丙烯酸胶带的剪切强度随温度升高而下降(参见例如http://www.shinetsusilicone-global.com/products/function/heat/index.shtml)。
CHP太阳能收集器性能
下面分别在表2、3和4中示出了三个优选装置配置(90°、135°和180°)的性能。
90度(3点钟)配置
Figure BDA0002314338670000201
表2
135度(4:30)配置
Figure BDA0002314338670000202
Figure BDA0002314338670000211
表3
180度(6点钟)配置
Figure BDA0002314338670000212
Figure BDA0002314338670000221
表4
太阳能电池的温度受工作温度和电池类型影响。热量的值随着收集器的工作温度而上升，从而实现使用热能的应用的更大潜力。然而，较高的工作温度会降低太阳能电池效率并且负面地影响所生成的电力量和因此电力值。与诸如单-多晶硅电池的晶体电池相比，薄膜太阳能电池在较高工作温度下具有更低的效率衰退。但硅电池在市场上更常见且相对更便宜。
不使用TCO顶饰的实施例将导致太阳能收集器的低热效率。然而，不具有TCO顶饰的此类实施例也消除了高滞流温度的风险。使用具有TCO顶饰层的太阳能电池将限制辐射损失，从而导致更高温度下的滞流，并且如果例如装置中的热传递流体因任何原因(诸如在功率输出期间)而不流动，则导致对太阳能电池的潜在损坏。这样的滞流也可能在安装阶段期间发生，从而可以引起胶带或用来将太阳能电池与微通道接合的其他粘合剂失去强度。然而，可以缓解此类风险(例如，通过使用散热器)，并且在一些实施例中，所生成的高温热量的附加值(约50％更多的热量)可以证明使用备选类型的太阳能电池是合理的。
在一些实施例中并且为了改进热性能，使用氩气来降低约三分之一(1/3)的自由对流热量损失。自由对流模拟表明辐射热量损失将是主导。在接收器定位在水平(90°)配置的实施例中，自由对流热量损失也被限制。这样的配置还有益于光学效率，特别是在银涂层的反射率没有被很好控制的情况下。
制作热电联产太阳能收集器的方法
制造热电联产太阳能收集器的方法包括：(i)将反射涂层沉积在壳体(典型地，玻璃管)的表面的至少一部分上；以及(ii)将吸收器组件定位在壳体内部，吸收器组件包括邻近至少一个太阳能电池放置和/或附接到至少一个太阳能电池的一个或多个微通道或热管，其中至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能，并且其中一个或多个微通道或热管通过将热量传递到流动通过一个或多个微通道或热管的流体来为至少一个太阳能电池提供冷却。
在一些实施例中，流动通过微通道或热管的流体可以是水。在其他实施例中，流动通过微通道的流体可以是丙酮、乙醇、甲醇或氨。
在一些实施例中，吸收器组件可以在壳体中径向地定位在90°、135°或180°。在其他实施例中，吸收器组件可以在壳体中定位在90°与270°之间的任何地方，其中0°是壳体的径向最高点。
如上所述，壳体可以包括玻璃、树脂玻璃、聚碳酸酯、丙烯酸和/或其他塑料材料中的任一者。最典型地，壳体将包括具有圆形截面的硼硅酸盐和/或钠钙玻璃，但截面也可以是圆锥形、抛物线型或另一几何形状的截面。
在一些实施例中，该方法还包括密封壳体并用惰性气体填充壳体。最典型地，惰性气体是氩气，并且壳体内的压力是约一个大气压(1atm)。在替代性实施例中，该方法包括排空壳体以产生真空或部分真空。
该方法还可以包括利用高温热传导粘合剂或利用双面热传导热胶带将至少一个太阳能电池粘附到一个或多个微通道。
在一些实施例中，吸收器组件包括至少两个微通道，并且该方法还包括将隔板连接到至少两个微通道中的每一者的端部，该隔板被配置成将流动通过至少两个微通道中的至少一者的流体的方向变成通过至少两个微通道中的至少另一者的相反方向。在其他方面，代替隔板，可以利用U型弯管以将流体流动重定向在与微通道中的初始流动方向相反的方向。
在具有两个或更多个微通道的实施例中，微通道可以“堆叠”在彼此的顶部上，或者可以处于并排安排。在微通道堆叠的实施例中，流动可以首先通过靠近壳体的内表面的微通道，并且然后通过更远离壳体的内表面的微通道，或者替代地，流动可以首先通过远离壳体的内部的微通道，并且然后通过靠近壳体的内表面的微通道。
出于说明和描述的目的呈现了对本发明的具体实施例的前述描述。它们不意图详尽或将本发明限于所披露的确切形式，并且显然，鉴于上述教导可以进行许多修改和变化。选择并描述实施例是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域普通技术人员能够最佳利用具有适合于所考虑的具体用途的各种修改的本发明和各实施例。本发明的范围意图由所附权利要求及其等效物限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种太阳能收集器，包括：
透明管；
反射涂层，所述反射涂层布置在所述透明管的外表面的至少一部分上；
吸收器组件，所述吸收器组件定位在所述透明管内，所述吸收器组件包括：
一个或多个微通道，其中，流体流动通过所述微通道中的每一者；
至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池在所述透明管内并且附接所述一个或多个微通道，其中所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能，并且其中由所述至少一个太阳能电池生成的热量传递到所述流体。
2.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明管具有圆形截面。
3.如权利要求2所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道定位在所述透明壳体的内圆周上、在约90度与约270度之间，其中0度是所述透明壳体的所述内圆周的最高点。
4.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明管是玻璃。
5.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体是水。
6.如权利要求5所述的太阳能收集器，其中，所述水的温度在约10℃与约150℃之间的范围内。
7.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明壳体被密封并容纳惰性气体。
8.如权利要求7所述的太阳能收集器，其中，所述惰性气体是氩气。
9.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体是丙酮。
10.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括呈堆叠配置的在相应的表面处彼此邻近的第一微通道和第二微通道。
11.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括铝。
12.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体的流速在0.05与0.30升/分钟之间。
13.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述反射涂层包括银并且布置在所述透明壳体的大致下半部上。
14.一种太阳能收集器，包括：
透明圆柱形壳体，所述透明圆柱形壳体具有(i)圆形截面、(ii)封闭的第一端和(iii)第二端；
反射涂层，所述反射涂层布置在所述圆柱形壳体的至少一部分上；
吸收器组件，所述吸收器组件位于在所述壳体的内部，所述吸收器组件包括：
第一微通道和第二微通道，所述第一微通道和所述第二微通道在相应的表面处彼此邻近；
至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池位于所述圆柱形壳体中并且附接至所述第一微通道和所述第二微通道；
其中，所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能；并且
其中由所述至少一个太阳能电池生成的热量传递到流动通过所述第一微通道和所述第二微通道的流体。
15.如权利要求14所述的太阳能收集器，其中，所述流体在一个方向上流动通过所述第一微通道，并且在相反方向上流动通过所述第二微通道。
16.如权利要求15所述的太阳能收集器，进一步包括在所述封闭的第一端处和/或附近的隔板，并且其中，所述隔板将来自所述方向的流体流动重定向到所述相反方向。
17.一种制造太阳能收集器的方法，所述方法包括：
将反射涂层布置在玻璃管的至少一部分上；
将吸收器组件定位在所述玻璃管的内部，所述吸收器组件是通过将至少一个太阳能电池附接到一个或多个微通道而形成，其中，所述管内部的所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能，并且其中，所述一个或多个微通道通过将热量传递到流动通过所述一个或多个微通道的流体来为所述至少一个太阳能电池提供冷却。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括密封所述玻璃管并用惰性气体填充所述玻璃管。
19.如权利要求17所述的太阳能收集器，进一步包括使用高温热传导粘合剂将两个或更多个太阳能电池粘附到所述一个或多个微通道。
20.如权利要求17所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括两个微通道，并且所述方法进一步包括将隔板连接到所述两个微通道中的每一者的端部，所述隔板被配置成将流动通过所述两个微通道中的一者的所述流体的方向变成通过所述两个微通道中的另一者的相反方向。

Claims (20)

1.一种太阳能收集器，包括：
透明壳体；
反射涂层，所述反射涂层布置在外表面的至少一部分上；
吸收器组件，所述吸收器组件定位在所述透明壳体内，所述吸收器组件包括：
一个或多个微通道，其中，流体流动通过所述微通道中的每一者；
至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池附接到和/或邻近一个或多个微通道，其中所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能，并且其中由所述至少一个太阳能电池生成的热量传递到所述流体。
2.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明壳体是具有圆形截面的圆柱。
3.如权利要求2所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道定位在所述透明壳体的内圆周上、在约90度与约270度之间，其中0度是所述透明壳体的所述内圆周的最高点。
4.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明壳体是玻璃。
5.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体是水。
6.如权利要求5所述的太阳能收集器，其中，所述水的温度在约10℃与约150℃之间的范围内。
7.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述透明壳体被密封并容纳惰性气体。
8.如权利要求7所述的太阳能收集器，其中，所述惰性气体是氩气。
9.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体是丙酮。
10.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括呈堆叠配置的在相应的表面处彼此邻近的第一微通道和第二微通道。
11.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括铝。
12.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述流体的流速在0.05与0.30升/分钟之间。
13.如权利要求1所述的太阳能收集器，其中，所述反射涂层包括银并且布置在所述透明壳体的大致下半部上。
14.一种太阳能收集器，包括：
透明圆柱形壳体，所述透明圆柱形壳体具有(i)圆形截面、(ii)封闭的第一端和(iii)第二端；
反射涂层，所述反射涂层布置在所述圆柱形壳体的至少一部分上；
吸收器组件，所述吸收器组件位于在所述壳体的内部，所述吸收器组件包括：
第一微通道和第二微通道，所述第一微通道和所述第二微通道在相应的表面处彼此邻近；
至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池在相反表面处与所述第一微通道和所述第二微通道中的每一者接触和/或附接；
其中，所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能；并且
其中由所述至少一个太阳能电池生成的热量传递到流动通过所述第一微通道和所述第二微通道的流体。
15.如权利要求14所述的太阳能收集器，其中，所述流体在一个方向上流动通过所述第一微通道，并且在相反方向上流动通过所述第二微通道。
16.如权利要求15所述的太阳能收集器，进一步包括在所述封闭的第一端处和/或附近的隔板，并且其中，所述隔板将来自所述方向的流体流动重定向到所述相反方向。
17.一种制造太阳能收集器的方法，所述方法包括：
将反射涂层布置在玻璃管的至少一部分上；
将吸收器组件定位在所述玻璃管的内部，所述吸收器组件是通过将至少一个太阳能电池附接到一个或多个微通道而形成，其中，所述管内部的所述至少一个太阳能电池将太阳光转换成电能，并且其中，所述一个或多个微通道通过将热量传递到流动通过所述一个或多个微通道的流体来为所述至少一个太阳能电池提供冷却。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括密封所述玻璃管并用惰性气体填充所述玻璃管。
19.如权利要求17所述的太阳能收集器，进一步包括使用高温热传导粘合剂将两个或更多个太阳能电池粘附到所述一个或多个微通道。
20.如权利要求17所述的太阳能收集器，其中，所述一个或多个微通道包括两个微通道，并且所述方法进一步包括将隔板连接到所述两个微通道中的每一者的端部，所述隔板被配置成将流动通过所述两个微通道中的一者的所述流体的方向变成通过所述两个微通道中的另一者的相反方向。
CN201880038950.XA 2017-04-14 2018-04-16 具有广角集中器的热电联产太阳能收集器 Pending CN110770512A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762485798P 2017-04-14 2017-04-14
US62/485,798 2017-04-14
PCT/US2018/027830 WO2018191757A1 (en) 2017-04-14 2018-04-16 Combined heat and electricity solar collector with wide angle concentrator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110770512A true CN110770512A (zh) 2020-02-07

Family

ID=63793000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880038950.XA Pending CN110770512A (zh) 2017-04-14 2018-04-16 具有广角集中器的热电联产太阳能收集器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210135622A1 (zh)
CN (1) CN110770512A (zh)
WO (1) WO2018191757A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113241385A (zh) * 2021-05-08 2021-08-10 上海亥茨能源技术有限公司 一种光伏集热冷却复合装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3104242A1 (fr) * 2019-12-04 2021-06-11 Emv2 Capteur thermique solaire, panneau thermique solaire et procédé de chauffage d’un bâtiment avec stockage calorifique intégré.

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4159706A (en) * 1976-03-23 1979-07-03 U.S. Philips Corporation Solar collector comprising an evacuated absorber cover tube
US4392008A (en) * 1981-11-13 1983-07-05 Monegon, Ltd. Combined electrical and thermal solar collector
CN1983639A (zh) * 2006-02-06 2007-06-20 江希年 太阳能光电光热复合真空管
CN1983640A (zh) * 2006-02-06 2007-06-20 江希年 内聚光太阳能光电光热复合管
CN203605506U (zh) * 2013-12-09 2014-05-21 扬州大学 U型真空热管式真空光热光电转换玻璃管
CN102159903B (zh) * 2008-07-22 2015-02-04 加利福尼亚大学董事会 微通道管太阳能集热器
CN105042897A (zh) * 2015-07-02 2015-11-11 北京建筑大学 一种真空管夹心式太阳能热电联供装置
CN105605798A (zh) * 2014-08-08 2016-05-25 北京建筑大学 一种真空管式太阳能集热器及热泵系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4059093A (en) * 1975-09-22 1977-11-22 Grumman Aerospace Corporation Solar energy collector
US4625711A (en) * 1981-12-07 1986-12-02 Sharp Kabushiki Kaisha Solar heat collector
US4587376A (en) * 1983-09-13 1986-05-06 Sanyo Electric Co., Ltd. Sunlight-into-energy conversion apparatus
US20070186922A1 (en) * 2006-01-27 2007-08-16 Hydrogain Technologies, Inc. Solar panel with a translucent multi-walled sheet for heating a circulating fluid
JP2008151490A (ja) * 2006-12-20 2008-07-03 Electric Power Dev Co Ltd 太陽光発電集熱ユニット
PL2218978T3 (pl) * 2009-02-17 2011-09-30 Cockerill Maintenance & Ingenierie Wymiennik ciepła typu flagi
KR101046230B1 (ko) * 2010-05-20 2011-07-07 신유현 기둥형 집광장치를 구비한 태양광 발전 장치
US10132538B2 (en) * 2012-05-25 2018-11-20 Hussmann Corporation Heat exchanger with integrated subcooler

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4159706A (en) * 1976-03-23 1979-07-03 U.S. Philips Corporation Solar collector comprising an evacuated absorber cover tube
US4392008A (en) * 1981-11-13 1983-07-05 Monegon, Ltd. Combined electrical and thermal solar collector
CN1983639A (zh) * 2006-02-06 2007-06-20 江希年 太阳能光电光热复合真空管
CN1983640A (zh) * 2006-02-06 2007-06-20 江希年 内聚光太阳能光电光热复合管
CN102159903B (zh) * 2008-07-22 2015-02-04 加利福尼亚大学董事会 微通道管太阳能集热器
CN203605506U (zh) * 2013-12-09 2014-05-21 扬州大学 U型真空热管式真空光热光电转换玻璃管
CN105605798A (zh) * 2014-08-08 2016-05-25 北京建筑大学 一种真空管式太阳能集热器及热泵系统
CN105042897A (zh) * 2015-07-02 2015-11-11 北京建筑大学 一种真空管夹心式太阳能热电联供装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
曹国璋等: "《太阳能热水器及系统安装技术》", 31 January 2015 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113241385A (zh) * 2021-05-08 2021-08-10 上海亥茨能源技术有限公司 一种光伏集热冷却复合装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20210135622A1 (en) 2021-05-06
WO2018191757A1 (en) 2018-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jaaz et al. Design and development of compound parabolic concentrating for photovoltaic solar collector
Ju et al. A review of concentrated photovoltaic-thermal (CPVT) hybrid solar systems with waste heat recovery (WHR)
Sharaf et al. Concentrated photovoltaic thermal (CPVT) solar collector systems: Part II–Implemented systems, performance assessment, and future directions
Tyagi et al. Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology
US8049150B2 (en) Solar collector with end modifications
US4686961A (en) Integrated solar thermal energy collector system
CN1773190B (zh) 一种太阳能热电联供系统
US20080210292A1 (en) Stationary Photovoltaic Module With Low Concentration Ratio of Solar Radiation
US8226253B2 (en) Concentrators for solar power generating systems
WO2010025550A1 (en) Staggered light collectors for concentrator solar panels
US8101850B2 (en) Asymmetric parabolic compound concentrator with photovoltaic cells
Salvi et al. Technological advances to maximize solar collector energy output: a review
Memon et al. Modern eminence and concise critique of solar thermal energy and vacuum insulation technologies for sustainable low-carbon infrastructure
US20220311378A1 (en) Hybrid receiver for concentrated photovoltaic-thermal power systems, and associated methods
CN110770512A (zh) 具有广角集中器的热电联产太阳能收集器
Pandey et al. Solar energy: direct and indirect methods to harvest usable energy
US20100275902A1 (en) Photovoltaic and thermal energy system
WO1996024954A1 (en) Non-tracking solar concentrator heat sink and housing system
WO2023077833A1 (zh) 一种分光反射高倍聚光光伏光热一体化腔式接收器
CN103262261A (zh) 热电联供的太阳能系统
JP2004317117A (ja) 太陽光発電機能を有する太陽熱集熱器
EP2827383B1 (en) A hybrid solar energy converter
Nahar Numerical investigation and modelling of solar photovoltaic/thermal systems
Tabet et al. Performances Improvement of photovoltaic thermal air collector by planer reflector
CN219640464U (zh) 一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200207

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication