CN111953290B - 一种热电联合多功能玻璃装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热电联合多功能玻璃装置，属于太阳能器件领域，包括太阳能聚光模块和套设在太阳能聚光模块外围的边框；太阳能聚光模块包括从上到下依次设置的上层玻璃盖板、SEH聚光阵列、光伏电池阵列、平板热交换器及下层玻璃盖板；光伏电池阵列包括多个与四方体聚能单元配合的光伏电池散片，每个四方体聚能单元的下表面黏贴有一块光伏电池散片，相邻两块光伏电池散片用导线焊接；上层玻璃盖板与SEH聚光阵列采用一体化成型加工或透明硅胶封装，平板热交换器通过高导热胶封装在光伏电池阵列底部，下层玻璃盖板与平板热交换器采用高导热的透明胶封装。该模块具有透光、隔热、同时提供电能和热源的多重功能，用于建筑玻璃及汽车天窗等领域。
Description
技术领域
本发明属于太阳能器件技术领域，具体涉及一种热电联合多功能玻璃装置。
背景技术
太阳能是可再生能源可利用的最大资源之一，其有效利用尚待开发。迄今为止，已经证明使用光伏(PV)技术将入射的太阳辐射转换为电能是一种有效的能源产生方式。通过使用光学集中的概念，将其中大量的太阳能集中在小型太阳能电池上，该过程变得更加高效，这不仅有助于提高太阳能电池的效率，而且还将每单位太阳能电池材料产生的能量放大了几倍，即所谓的聚光光伏发电(CPV)技术。将此类系统集成到建筑平台，形成所谓的建筑一体化聚光光伏系统(BICPV)，具有减少相关碳足迹和与清洁能源生产相关的总成本的巨大潜力。利用时的能源产生也将减少传输损耗，是近年来的热点，受到广泛关注。
现有发明专利“CN101093968A-复合抛物线反射聚光太阳能发电板”采用的是复合抛物面聚光模块，将其与夹层玻璃共同组成发电系统。但是这种发电板存在以下问题：
1.采用的最简单形式的旋转复合抛物面聚光器，其底部是圆形，无法和现有市场量产的方形太阳能电池片吻合，导致浪费发电面积；
2.该发电阵列结构紧凑，没有考虑光伏电池散热问题，而太阳能电池发电效率随着温度的升高而显著降低；
3.该发明的透光、隔热特性没有经过综合考虑，只是以单纯光伏发电为目的，无法被广泛应用在建筑一体化聚光光伏系统等领域。
因此，本申请提出一种热电联合多功能玻璃装置。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种热电联合多功能玻璃装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种热电联合多功能玻璃装置，包括太阳能聚光模块和套设在所述太阳能聚光模块外围的边框；
所述太阳能聚光模块包括从上到下依次设置的上层玻璃盖板、SEH聚光阵列、光伏电池阵列、平板热交换器及下层玻璃盖板；
所述SEH聚光阵列由多个四方体聚能单元组成，每个所述四方体聚能单元的上表面的面积大于下表面的面积；
所述光伏电池阵列包括多个与所述四方体聚能单元配合的光伏电池散片，每个所述四方体聚能单元的下表面通过硅胶黏贴有一块光伏电池散片，相邻两块所述光伏电池散片用导线焊接；
所述上层玻璃盖板与所述SEH聚光阵列采用一体化成型加工或透明硅胶封装，保证没有缝隙；所述平板热交换器通过高导热胶封装在所述光伏电池阵列底部，所述下层玻璃盖板与所述平板热交换器采用高导热的透明胶封装，保证充分接触、没有缝隙。
优选地，所述四方体聚能单元的上表面为椭圆形平面，下表面为方形面，所述上表面和下表面之间由双曲面进行过渡形成一体结构。
优选地，所述四方体聚能单元在三维笛卡尔坐标系下，其参数构造方程为：
其中，
式中，x,y,z为结构坐标，其余参数为中间变量。
优选地，所述四方体聚能单元为四面二维复合抛物面结构，所述四面二维复合抛物面结构的形成过程为：
首先将两条对称布置的抛物线截取的两个焦点连线作为底面接收面，上表面截取面作为入射面，形成复合抛物面，达到非成像聚光的作用；
然后，将四个相同复合抛物面结构以方形底面连接，形成四面二维复合抛物面。
优选地，所述四方体聚能单元为亚克力平板或玻璃制作成为的透镜，或由抛光铝、抛光钢或抛光铁等金属制作为的反射镜。
优选地，所述边框包括内边框和设置在所述内边框外圈的外边框，两者共同作为结构支撑，所述内边框和外边框之间形成空气夹层从而提升隔热效果，所述上层玻璃盖板和下层玻璃盖板的边缘均嵌在所述内边框内壁的安装槽内。
优选地，所述光伏电池散片为三代多结太阳电池。
本发明提供的热电联合多功能玻璃装置具有以下有益效果：
1.椭圆-双曲面四方体(SEH)结构采用先进非成像光学技术设计，具有入射角度容差性能强、便于加工、造型美观等优势，易于大众接受；太阳能电池呈现方形，而SHE结构底部出口也是方形形状，特别适用于现有太阳能电池散片的封装需求，能够达到完美匹配的效果，做到最大化利用光学能量；
2.采用三代多结太阳电池，整体转换效率更高；无需跟踪系统、无需/少需能源存储设备，减少占用面积；
3.将SEH聚光阵列同平板平板热交换器结合，降低光伏电池温度、提高发电效率，同时热交换器中的换热工质升温之后，能够提供热源，提升了整体的能源转换效率，达到很好的节能减排效果；
4.将聚光光伏发电技术同夹层玻璃相结合，具有透光、隔热、同时提供电能和热源的多功能系统，可直接代替建筑表面材料、汽车玻璃等，降低整体投入成本，用于建筑玻璃及汽车天窗等领域具备很大优势；
5.可高度模块化，种类灵活多样；其中，四方体聚能单元可任意搭配，整体SEH聚光阵列还可以任意搭配，易于在建筑、汽车、航空航天等领域的大规模量产应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的热电联合多功能玻璃装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的热电联合多功能玻璃装置的正视图；
图3为本发明实施例1的热电联合多功能玻璃装置的零件图；
图4为四方体聚能单元的结构示意图；
图5为四方体聚能单元的正视图；
图6为四方体聚能单元的俯视图；
图7为四面二维复合抛物面面型结构示意图；
图8为四面二维复合抛物面构造示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种热电联合多功能玻璃装置，具体如图1至图6所示，包括太阳能聚光模块和套设在太阳能聚光模块外围的边框；
太阳能聚光模块包括从上到下依次设置的上层玻璃盖板1、SEH聚光阵列2、光伏电池阵列3、平板热交换器4及下层玻璃盖板5；
SEH聚光阵列2由多个四方体聚能单元组成，每个四方体聚能单元的上表面的面积大于下表面的面积；具体的，本实施例中四方体聚能单元为椭圆-双曲面四方体(SquareElliptical Hyperbolic,SEH)聚能单元，如图4至图6所示，每个四方体聚能单元的上表面为椭圆形平面，用于收集太阳辐射能量；下表面为方形面，用于布置光伏电池；上表面的面积大于下表面的面积，上表面和下表面之间由双曲面进行过渡形成一体结构；
光伏电池阵列3包括多个与四方体聚能单元配合的光伏电池散片，每个四方体聚能单元的下表面通过硅胶黏贴有一块光伏电池散片，相邻两块光伏电池散片用导线焊接；本实施例中，光伏电池散片为三代多结太阳电池。
上层玻璃盖板1与SEH聚光阵列2采用一体化成型加工或透明硅胶封装，保证没有缝隙；平板热交换器4通过高导热胶封装在光伏电池阵列3底部，下层玻璃盖板5与平板热交换器4采用高导热的透明胶封装，保证充分接触、没有缝隙。
具体的，本实施例中，四方体聚能单元在三维笛卡尔坐标系下，其参数构造方程为：
其中，
式中，x,y,z为结构坐标，其余参数为中间变量。
本实施例中，四方体聚能单元为亚克力平板或玻璃制作成为的透镜，或由抛光铝、抛光钢或抛光铁等金属制作为的反射镜。
为了方便安装，本实施例中，边框包括内边框6和设置在所述内边框6外圈的外边框7，两者共同作为结构支撑，所述内边框6和外边框7之间形成空气夹层从而提升隔热效果，所述上层玻璃盖板1和下层玻璃盖板5的边缘均嵌在所述内边框6内壁的安装槽内。
本实施例创新性地提出采用椭圆-双曲面四方体(SEH)结构设计作为太阳能聚光模块，该模块基于非成像光学原理设计，可实现不同入射容差角度下的太阳辐射能量收集，便于匹配方形光伏电池，采用亚克力平板材料制备，具有低成本、美观、可高度模块化等优势。
如图3所示，本实施例提供的热电联合多功能玻璃装置，组装装配过程如下：
步骤1、根据实际尺寸及发电量需求，取一块亚克力平板(PMMA、有机玻璃)、玻璃或上述金属中的一种材料，采用精雕机加工出多个四方体聚能单元；
步骤2、将多个四方体聚能单元进行排布，构成SEH聚光阵列2；
步骤3、根据电流/电压输出需求，将光伏电池散片用导线焊接，布置在SEH聚光阵列2的各个四方体聚能单元底部方形位置处，用透明硅胶进行粘黏固定，形成CPV模块；
步骤4、采用高导热胶将光伏电池散片组成的光伏电池阵列3同平板热交换器4进行固定封装；
步骤5、将上层玻璃盖板1与SEH聚光阵列2采用一体化成型加工或透明硅胶封装，保证没有缝隙；将下层玻璃盖板5与平板热交换器4采用高导热的透明胶封装，保证充分接触、没有缝隙；
步骤6、利用内边框6将上下玻璃盖板及SEH聚光阵列2、光伏电池阵列3、平板热交换器4四周包围住，上层玻璃盖板1和下层玻璃盖板5的边缘均嵌在内边框6内壁的安装槽内；
步骤7、最后将外边框7嵌套在内边框6的外侧，两者之间形成空气夹层从而提升隔热效果。
基于上述安装的上下两层玻璃盖板以及边框装配成一块既有玻璃视觉效应、又具有高太阳能利用率的集成聚光光伏太阳能玻璃窗。
系统运行时，SEH聚光阵列2汇聚不同角度太阳辐射能量，能够达到全天8小时稳定供电，同时阵列底部的平板热交换器4用于为光伏电池降温，提升发电效率，平板热交换器4内可采用水或空气作为换热工质，被加热的工质可为附近提供稳定热源，热电联合转换形式最大程度上提升了整体转换效率，该系统具备高度模块化特性，可代替传统的建筑玻璃建材，也可用于汽车天窗玻璃等领域。
实施例2
本实施例中，四方体聚能单元为四面二维复合抛物面结构，四面二维复合抛物面的面型结构如图7所示，四面二维复合抛物面结构的形成过程为：
首先将两条对称布置的抛物线截取的两个焦点连线作为底面接收面，上表面截取面作为入射面，形成复合抛物面，达到非成像聚光的作用；
然后，将四个相同复合抛物面结构以方形底面连接，形成四面二维复合抛物面，该模型可达到和SHE相似的聚光效果。
其余结构及组装方法与实施例1相同，这里不再赘述。
四面二维复合抛物面构造示意图如图8所示，抛物线A和抛物线B成对构建，上端面为入射面，下端面为接收面，两者比例根据聚光比需求进行设计，底面接收面的线段两端分别为抛物线A和抛物线B的焦点，抛物线A的光轴轴线平行于抛物线B的焦点和入射面右端点之间连接对角线，基于此在入射面和接收面之间构建抛物线A，抛物线B的构建方法同理。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，包括太阳能聚光模块和套设在所述太阳能聚光模块外围的边框；
所述太阳能聚光模块包括从上到下依次设置的上层玻璃盖板(1)、SEH聚光阵列(2)、光伏电池阵列(3)、平板热交换器(4)及下层玻璃盖板(5)；
所述SEH聚光阵列(2)由多个四方体聚能单元组成，每个所述四方体聚能单元的上表面的面积大于下表面的面积；
所述光伏电池阵列(3)包括多个与所述四方体聚能单元配合的光伏电池散片，每个所述四方体聚能单元的下表面通过硅胶黏贴有一块光伏电池散片，相邻两块所述光伏电池散片用导线焊接；
所述上层玻璃盖板(1)与所述SEH聚光阵列(2)采用一体化成型加工或透明硅胶封装，所述平板热交换器(4)通过高导热胶封装在所述光伏电池阵列(3)底部，所述下层玻璃盖板(5)与所述平板热交换器(4)采用高导热的透明胶封装；
所述四方体聚能单元在三维笛卡尔坐标系下，其参数构造方程为：
其中，
式中，x,y,z为结构坐标，其余参数为中间变量。
2.根据权利要求1所述的热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，所述四方体聚能单元的上表面为椭圆形平面，下表面为方形面，所述上表面和下表面之间由双曲面进行过渡形成一体结构。
3.根据权利要求1所述的热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，所述四方体聚能单元为四面二维复合抛物面结构，所述四面二维复合抛物面结构的形成过程为：
首先将两条对称布置的抛物线截取的两个焦点连线作为底面接收面，上表面截取面作为入射面，形成复合抛物面，达到非成像聚光的作用；
然后，将四个相同复合抛物面结构以方形底面连接，形成四面二维复合抛物面。
4.根据权利要求1所述的热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，所述四方体聚能单元为亚克力平板或玻璃制作成为的透镜，或由抛光铝、抛光钢或抛光铁制作为的反射镜。
5.根据权利要求1所述的热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，所述边框包括内边框(6)和设置在所述内边框(6)外圈的外边框(7)，所述内边框(6)和外边框(7)之间形成空气夹层，所述上层玻璃盖板(1)和下层玻璃盖板(5)的边缘均嵌在所述内边框(6)内壁的安装槽内。
6.根据权利要求1所述的热电联合多功能玻璃装置，其特征在于，所述光伏电池散片为三代多结太阳电池。
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