CN111101181A - 一种多孔阳极氧化铝冷却材料、制备方法及其在太阳能电池板冷却中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔阳极氧化铝冷却材料、制备方法及其在太阳能电池板冷却中的应用，该多孔阳极氧化铝冷却材料可以起到选择性透过及被动冷却的作用，以达到提高发电效率、延缓阵列老化速度的目的，为太阳能晶硅电池板提供被动式降温的方法。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种多孔阳极氧化铝冷却材料、制备方法及其应用。
背景技术
光伏技术是目前解决能源和环境问题很重要的措施之一，但是太阳能发电存在成本高、转换效率低的问题。市场占比最大的晶体硅太阳能电池工作温度每升高1℃，其相对发电效率下降约0.45％，每增加10℃，其阵列的老化速度就会增加一倍。由于外界环境温度的变化及板在工作过程中产生的热量致使板温度升高，一般可达到50℃-55℃或更高，导致太阳能电池板的发电功率下降、阵列使用寿命降低。因此，迫切需要研究经济有效的太阳能电池板冷却方法以提高太阳能电池板发电效率，延缓老化速度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多孔阳极氧化铝冷却材料、制备方法及其在太阳能电池板冷却中的应用，该多孔阳极氧化铝冷却材料可以起到选择性透过及被动冷却的作用，以达到提高发电效率、延缓阵列老化速度的目的，为太阳能晶硅电池板提供被动式降温的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多孔阳极氧化铝冷却材料，其具有如下特征：在0.3-0.375微米的反射率为0.5-0.7，在1.1-2.5微米的反射率为0.85-0.95，在0.375-1.1微米的透过率约为100％。
其制备方法如下所述：
步骤一、将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有浓度为2wt％-20wt％的酸溶液作为电解液的容器内，电极两端施加10-60V的恒定电压或者0-200mA的周期电流，采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，在0-5℃的环境下，反应2-5h后取出反应物；
步骤二、利用含有3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；
步骤三、去除氧化膜的反应物在步骤一所述的实验条件下再次进行第二次反应，反应时长为15h-25h，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔；
步骤四、反应结束后利用5vol％盐酸与1M的氯化铜配成的混合溶液去除未反应的纯铝，最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中扩孔20-40min后得到多孔阳极氧化铝冷却材料。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述酸溶液为草酸、磷酸、硒酸或硫酸。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述磁力搅拌器的搅拌转速为800-1200r/min。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述恒定电压优选为20-50V，周期电流优选为50-150mA。
在上述技术方案中，在步骤三中，所述反应时长优选为10-20h。
一种太阳能电池板冷却结构，包括玻璃盖板、冷却材料层和保护层；
所述玻璃盖板设置于太阳能电池板EVA胶膜层上，所述冷却材料层设置于所述玻璃盖板上，所述保护层设置于所述冷却材料层上；所述冷却材料层由上述多孔阳极氧化铝冷却材料制得，厚度为50-100微米，所述玻璃盖板厚度为3-5毫米，所述保护层为PE膜，厚度为8-12微米。
本发明的优点和有益效果为：
本发明采用被动式辐射冷却方法，冷却材料层利用形成的二维多孔纳米材料多孔阳极氧化铝对0.3-0.375微米和1.1-2.5微米的太阳光高效反射，但对太阳能电池板光谱响应波长0.375-1.1微米的太阳光没有影响；利用被空气穴稀释的非连续的阳极氧化铝能够更好的与周围介质(空气)阻抗匹配，在大气窗口(8-13微米)具有较高的红外发射率特性，将晶体硅层的热量以红外线的形式发射出去，起到降温的作用。
本发明在冷却材料层外加一层保护层，保护材料需要具有高透光效果，防止冷却材料层长期暴露于环境中集尘并保护冷却材料。
本发明选择性透过被动式辐射冷却方法，可以有效的降低晶体硅层的温度，提高太阳能电池板的效率，是解决目前普遍存在的晶体硅太阳能电池效率低的有效手段。
附图说明
图1是本发明中一种太阳能电池板冷却结构的示意图。
其中：1为保护层，2冷却材料层，3为EVA胶膜层，4为玻璃盖板，5为太阳能电池板，6为背板。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种多孔阳极氧化铝冷却材料A，其制备方法为：利用电化学氧化原理将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有浓度为5wt％草酸作为电解液的容器内，电极两端施加恒定电压30V，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，转速约为1000r/min，整个装置放置在低温1℃的环境下，反应2后取出样品，利用3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；去除氧化膜的样品在上述条件下再次进行第二次反应，反应时长为15h，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔，反应结束后利用5vol％盐酸与1M的氯化铜配成的混合溶液去除未反应的纯铝，最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中扩孔20min后得到冷却材料层。
利用紫外-可见光-近红外分光光度计可测的冷却材料层在0.3-0.375微米的反射率为0.5，在1.1-2.5微米的反射率为0.85，在0.375-1.1微米的透过率约为100％。
实施例2
一种多孔阳极氧化铝冷却材料B，其制备方法为：利用电化学氧化原理将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有浓度为10wt％的磷酸作为电解液的容器内，电极两端施加恒定电压60V，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，转速约为1000r/min，整个装置放置在低温3℃的环境下，反应4h后取出样品，利用3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；去除氧化膜的样品在上述条件下再次进行第二次反应，反应时长为20h，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔，反应结束后利用5vol％盐酸与1M的氯化铜配成的混合溶液去除未反应的纯铝，最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中扩孔30min后得到冷却材料层。
利用紫外-可见光-近红外分光光度计可测的冷却材料层在0.3-0.375微米的反射率为0.6，在1.1-2.5微米的反射率为0.9，在0.375-1.1微米的透过率约为100％。
实施例3
一种多孔阳极氧化铝冷却材料C，其制备方法为：利用电化学氧化原理将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有浓度为20wt％的硒酸作为电解液的容器内，电极两端施加周期电流150-200mA，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，转速约为1000r/min，整个装置放置在低温5℃的环境下，反应5h后取出样品，利用3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；去除氧化膜的样品在上述条件下再次进行第二次反应，反应时长为25h，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔，反应结束后利用5vol％盐酸与1M的氯化铜配成的混合溶液去除未反应的纯铝，最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中扩孔40min后得到冷却材料层。
利用紫外-可见光-近红外分光光度计可测的冷却材料层在0.3-0.375微米的反射率为0.7，在1.1-2.5微米的反射率为0.95。在0.375-1.1微米的透过率约为100％。
实施例4
如图1所示，图中显示出由上至下依次为：保护层1、冷却材料层2、玻璃盖板、一侧EVA胶膜层3、太阳能电池板5、另一侧EVA胶膜层3和背板6，本发明基于选择性透过的辐射式太阳能电池板被动冷却结构，包括组合材料层，所述组合材料层设置于太阳能电池板的玻璃盖板4表面，所述组合材料层包括冷却材料层2和保护层1，所述冷却材料层2设置于玻璃盖板4和保护层1之间，与玻璃盖板4充分接触，所述保护层1采用高透光材料板PE膜(太阳光透过率100％，红外线透过率为92％)，防止冷却材料层2长期暴露于环境中集尘，并起到防止冷却材料层2受损的作用。所述冷却材料层2由一二维多孔纳米材料阳极氧化铝构成，所述冷却材料层2将反射太阳光中被太阳能电池吸收转化为热能的部分，透过可以转化为电能的太阳辐射，同时将电池板的热量以红外线的形式发射出去。其中，被空气穴稀释的非连续的阳极氧化铝能够更好的与周围介质(空气)阻抗匹配，氧化铝在远红外窗口具有很强的声共振吸收，但连续体不能直接适用于冷却应用，而冷却材料层2是由氧化铝与空气穴组成的非连续体，空气穴稀释可以大大降低介电常数，从而改善与周围介质(空气)的阻抗匹配，提高其在大气窗口(8-13微米)具有较高的红外发射率，通过阳极氧化形成很多大小不一的微孔。利用傅里叶变换分光光度计可测得冷却材料层2在大气窗口的发射率/吸收率为0.9-0.96。
由于晶体硅太阳能电池板的光谱响应波长范围为0.375-1.1微米，而在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为0.3-2.5微米，通过控制氧化时间、氧化电压/电流、电解质浓度来控制膜的厚度和孔隙率，其中厚度随着氧化电压/电流和时间的增加而增大，孔隙率随着电解液浓度的减小和扩孔时间的增加而增大。使冷却材料层薄膜对0.3-0.375微米和1.1-2.5微米的太阳光高效反射，减少太阳光对太阳能电池板加热作用，透过0.375-1.1微米的太阳辐射，使太阳能电池进行光伏效应。
同时，晶体硅层的热量可以传递给此冷却材料，冷却材料利用本身的高红外发射率，将热量以红外线的形式通过8-13微米的大气窗口发射到温度只有3K(零下272℃)的宇宙中，从而达到降低太阳能电池板工作温度的目的。其温降可达到5-10℃。其相对效率提高为2.25％-4.5％。所述冷却材料层2对0.3-0.375微米和1.1-2.5微米的太阳光反射，所述冷却材料层2的制作方法如上述实施例1-3所述。
实施例5
本发明基于选择性透过的辐射式太阳能电池板被动冷却方法，包括以下步骤：
第一步：利用电化学氧化原理将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有草酸(或者磷酸、硒酸、硫酸)作为电解液的容器内，电极两端施加恒定电压或者周期电流，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，整个装置放置在低温环境下，反应一段时间后取出样品，利用三氧化铬和磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；
第二步：去除氧化膜的样品在上述条件下再次进行反应，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔，去除未反应的纯铝后得到冷却材料层；
第三步：将冷却材料层附着在玻璃盖板表面，二者充分接触，四周用胶水粘合；
第四步：将高透光材料板PE膜(太阳光透过率100％，红外线透过率为92％)紧紧覆盖在冷却材料层上，作为保护层，阻止空气中的颗粒物堵塞微孔，并起到防止冷却材料层受损的作用；
第五步：将覆盖有保护层和冷却材料层的太阳能板暴露在室外，尽量保证周围无遮挡，使得太阳能电池板内的热量以红外线形式通过冷却材料层和保护层发射到太空。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多孔阳极氧化铝冷却材料，其特征在于：在0.3-0.375微米的反射率为0.5-0.7，在1.1-2.5微米的反射率为0.85-0.95，在0.375-1.1微米的透过率为100％。
2.一种多孔阳极氧化铝冷却材料的制备方法，其特征在于：
步骤一、将纯铝作为阳极，石墨碳棒作为阴极，放置在盛有浓度为2wt％-20wt％的酸溶液作为电解液的容器内，电极两端施加10-60V的恒定电压或者0-200mA的周期电流，采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，在0-5℃的环境下，反应2-5h后取出反应物；
步骤二、利用含有3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液去除样品表面的氧化膜；
步骤三、去除氧化膜的反应物在步骤一所述的实验条件下再次进行第二次反应，反应时长为15h-25h，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面形成孔径大小不一的微孔；
步骤四、反应结束后利用5vol％盐酸与1M的氯化铜配成的混合溶液去除未反应的纯铝，最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中扩孔20-40min后得到多孔阳极氧化铝冷却材料。
3.如权利要求2所述的一种多孔阳极氧化铝冷却材料的制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述酸溶液为草酸、磷酸、硒酸或硫酸。
4.如权利要求2所述的一种多孔阳极氧化铝冷却材料的制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述磁力搅拌器的搅拌转速为800-1200r/min。
5.如权利要求2所述的一种多孔阳极氧化铝冷却材料的制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述恒定电压为20-50V，周期电流为50-150mA。
6.如权利要求2所述的一种多孔阳极氧化铝冷却材料的制备方法，其特征在于：在步骤三中，所述反应时长为10-20h。
7.一种太阳能电池板冷却结构，其特征在于：包括玻璃盖板、冷却材料层和保护层；
所述玻璃盖板设置于太阳能电池板EVA胶膜层上，所述冷却材料层设置于所述玻璃盖板上，所述保护层设置于所述冷却材料层上；所述冷却材料层由上述多孔阳极氧化铝冷却材料制得，厚度为50-100微米，所述玻璃盖板厚度为3-5毫米，所述保护层为PE膜，厚度为8-12微米。
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