CN113241385A - 一种光伏集热冷却复合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏集热冷却复合装置，用于利用太阳能实现光电转换、集热和辐射冷却，复合装置包括具有高透射率的真空管和底部基座以及封装在真空管中的光伏集热组件、辐射冷却组件和组件支架，光伏集热组件和辐射冷却组件采用屋脊式对称布置在真空管内，光伏集热组件和辐射冷却组件与组件支架固定连接；所述的真空管固定在底部基座上。与现有技术相比，本发明具有能源利用效率高、安全性可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能综合利用技术领域，尤其是涉及一种利用太阳能实现光电转换、集热和辐射冷却三种功能的光伏集热冷却复合装置。
背景技术
太阳能是驱动并实现全球气候保护和低碳排放中和的三种主要的可再生能源载体之一，实现太阳能量的利用主要途径为光伏、光热发电和太阳能集热三种技术。国际能源署能源展望报告指出，截止2019年底，全球光伏的总装机规模为672GWel，提供能量751TWh；光热发电总装机规模6GWel，提供能量16TWh；太阳能集热装机规模479GWth，提供能量389TWh。全球范围内2020年度可再生能源的净增装机容量为200GWel，其中光伏装机占比54％。而在中国市场光伏净增装机容量达到了38GWel，占比超过了全球净增容量的三分之一。光伏发电、太阳能集热已经成为全球能源供应结构中不可逆转的增长引擎。
随着光伏组件效率的不断提升，光伏组件的生产成本已经不再是限制光伏发电发展和增长的主要因素，主要的限制还是在光伏间歇性、分散性的供给与需求之间的平衡；太阳能集热相比光伏发电有着其无法企及的利用效率，但是受能量传输和利用价值上的局限，相应的装机规模远远低于光伏，但是在热能储存的成本和技术成熟程度上，相比电能的储存更高效、成本更低。
电、热和冷三种能量是现代工业社会中不可或缺的能源需求，无论是在城市、偏远的乡村都需要这三种能量来满足工作、生活、生产场所或区域的能量需求。目前，电能是利用最广泛的二次能量，冷和热都能通过电能进行转换实现，但都需要通过一次能源进行二次或三次以上的转换，每次转换过程中均有相应的损失，每次转换的过程必然伴随着利用效率的降低、系统的熵增和投资成本的升高。寻求通过一次能源转换实现这三种能量的需求是未来人类社会必然的追求和迫切的需要。
整合光伏和集热两种太阳能利用于一体的技术在过去的十年经历了快速的迭代发展，涌现了大量基于光伏和集热的技术发明，根据对过往发明专利的检索发现，针对光伏和集热的技术发明主要集中于优化冷却介质和冷却结构布置、优化对太阳入射角度的跟踪、优化对太阳光谱的全范围吸收等方面，如中国专利CN110108044B、CN110224672B、CN110068160B、CN108895683B、CN107388602B、CN106533340B、CN106849865B、CN104901625B和CN106160630B，通过对上述技术发明专利的内容检索和分析发现，对于光热能量利用上大部分的技术发明专利忽视了集热单元对外部的能量散热损失，或着部分发明考虑了对集热组件部分进行隔热保温，但却对上部的光伏组件部分设计中未考虑能量的辐射散热损失。很多技术发明设计了太阳光入射跟踪调节系统，来被动跟踪太阳，但大量独立的太阳跟踪系统大大提高了系统的造价和投资成本，限制了技术的大范围推广和实际部署应用的可行性。
此外，相关技术中对光伏、集热和辐射冷却采用一体化的设计，如：中国专利CN105245184B公开了一种具有夜间辐射制冷功能的平板型光伏光热综合利用装置，该装置采用平板式结构，光伏板布置于集热板上部，集热板下部布置冷却空气和冷却水通道，光伏板上部布置聚乙烯薄膜，薄膜在200nm-3μm太阳光波长范围内透射率大于85％，8-13μm透射率大于80％；白天利用空气和冷却水收集集热板吸收的热量，夜间通过红外辐射冷却热空气或热水。该系统实现了在白天光伏发电和集热，在夜间辐射冷却的。但是该系统主要的局限在于，未采用特殊的辐射冷却单元设计，只是通过平板结构上部透明的聚乙烯薄膜透射特定波长范围的可见光和红外光，没有特定的高反射和发射率的组件结构设计，该系统的夜间的辐射冷却效果会非常有限，此外该系统在白天太阳辐照下无法实现单独冷能量的制取。又如：中国专利CN109631417B中公开了一种具有夜间辐射制冷功能的光伏光热一体化装置，该装置包含本体模块和传动模块，本体模块由光伏板、集热板和辐射冷却板。其中，辐射冷却板布置在背面，光伏板布置在正面，集热板布置在中间。通过传动模块调整正面光伏板跟踪太阳入射角度，夜间传动模块将背面辐射模块调整到正面，进行辐射冷却。该系统虽然单独设计的辐射冷却结构，但由于其未采用特殊的结构封装保护，本体模块中只采用了空气夹层，本体模块的对流散热损失仍然无法完全忽略，且无法在白天太阳辐照条件下进行辐射冷却供能，夜间传动模块将背部辐射冷却面翻转后，表面的薄膜材料直接暴露在室外环境中，实际应用中很难保证薄膜材料不受恶劣天气或其它大气中颗粒物的坠落而产生的物理损坏。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能源利用效率高、安全可靠的光伏集热冷却复合装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光伏集热冷却复合装置，用于利用太阳能实现光电转换、集热和辐射冷却，所述的复合装置包括具有高透射率的真空管和底部基座以及封装在真空管中的光伏集热组件、辐射冷却组件和组件支架；所述的光伏集热组件和辐射冷却组件采用屋脊式对称布置在真空管内；所述的光伏集热组件和辐射冷却组件与组件支架固定连接；所述的真空管固定在底部基座上。
优选地，所述的光伏集热组件包括低反射涂层、光伏吸收层、绝缘粘合层、集热吸收层、集热流体进口管道和集热流体出口管道；所述的低反射涂层通过等离子强化化学气相沉积方法涂布在光伏吸收层的上表面；光伏吸收层的下表面通过绝缘粘合层与集热吸收层相连；所述的集热吸收层的上表面设有低发射涂层；所述的集热流体进口管道和集热流体出口管道分别紧贴集热吸收层的下表面。
更加优选地，所述的光伏吸收层包括透明导电氧化层、背面电极和正面电极以及依次相连的P型掺杂非晶硅层、非晶硅钝化过渡层、N型掺杂晶硅层、非晶硅钝化过渡层和N型掺杂非晶硅层；所述的透明导电氧化层的数量为两个，分别涂布在P型掺杂非晶硅层的上表面和N型掺杂非晶硅层的下表面；所述的背面电极设置在光伏吸收层的底部，其上表面与位于底部的透明导电氧化层相连；所述的正面电极插入光伏吸收层的顶部，依次穿过位于顶部的透明导电氧化层、P型掺杂非晶硅层和非晶硅钝化过渡层。
更加优选地，所述的光伏集热组件设有第一隔热层；所述的第一隔热层填充在集热流体进口管道和集热流体出口管道的四周。
优选地，所述的辐射冷却组件包括聚乙烯凝胶反射层、冷却辐射层、冷却流体进口管道和冷却流体出口管道；所述的聚乙烯凝胶反射层涂布在冷却辐射层的上表面；所述的冷却流体进口管道和冷却流体出口管道分别紧贴冷却辐射层的下表面。
更加优选地，所述的聚乙烯凝胶反射层的制备方法为：
通过聚乙烯和石蜡油混合溶液在冷却辐射层的铝基金属模块表面进行涂布后，进行恒温水浴，经过通过溶剂置换后通过临界干燥方法得到凝胶涂层。
更加优选地，所述的辐射冷却组件设有第二隔热层；所述的第二隔热层填充在冷却流体进口管道和冷却流体出口管道的四周。
优选地，所述的真空管设有真空接口。
优选地，所述的真空管内绝对压力低于10-6Torr。
优选地，所述的真空管通过底部的弧形面与底部基座粘合连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、能源利用效率高：本发明中的集热冷却复合装置采用屋脊式真空封装布置可以保证组件的散热损失降至最低；同时相邻单元的组件在白天不同时间，通过特殊的屋脊布置可以降低冷却组件的辐照强度，增强光伏组件的辐照强度；通过光伏组件上部的低辐射涂层，提高光伏组件光电转换效率，从而提高装置整体的能源利用率，单位功率的投资成本具有较大优势，具有良好的商业应用价值和广阔的市场前景。
二、安全可靠：本发明中的集热冷却复合装置采用真空封装布置，保护组件免受恶劣气候条件造成的物理损伤，极大的提高了装置的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中相邻两个光伏集热冷却复合装置进行布置时的示意图；
图2为本发明实施例中光伏集热组件的结构示意图；
图3为本发明实施例中辐射冷却组件的结构示意图；
图4为本发明实施例中光伏吸收层的结构示意图。
图中标号所示：
1、真空管，2、光伏集热组件，3、辐射冷却组件，4、组件支架，5、底部基座，6、低反射涂层，7、光伏吸收层，8、绝缘粘合层，9、集热吸收层，10、第一隔热层，11、集热流体进口管道，12、集热流体出口管道，13、聚乙烯凝胶反射层，14、冷却辐射层，15、冷却流体进口管道，16、冷却流体出口管道，17、第二隔热层，18、透明导电氧化层，19、P型掺杂非晶硅层，20、非晶硅钝化过渡层，21、N型掺杂晶硅层，22、非晶硅钝化过渡层，23、N型掺杂非晶硅层，24、背面电极，25、正面电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种全真空闭式封装结构、在不同太阳入射角度下，实现光伏集热与辐射冷却组件之间、不同单元之间相互补偿，实现能源转换效率最大化、具备电、热、冷三种能量供应的复合光伏集热冷却组件设计。
一种光伏集热冷却复合装置，用于利用太阳能实现光电转换、集热和辐射冷却，包括具有高透射率的真空管1和底部基座5以及封装在真空管1中的光伏集热组件2、辐射冷却组件3和组件支架4，光伏集热组件2和辐射冷却组件3采用屋脊式对称布置在真空管1内，光伏集热组件2和辐射冷却组件3与组件支架4固定连接，真空管1通过弧形面与底部基座5粘合连接。
图1中示出了相邻两个光伏集热冷却复合装置进行布置时的示意图，需要指出的是本实施例仅描述了单个复合装置，本领域技术人员可以对本实施例中的单个复合装置进行任意排列和组合，图1也仅是示出了相邻两个光伏集热冷却复合装置进行布置时的示意图。
下面对各个部件进行详细描述：
一、真空管1
真空管1采用高透射率真空管，真空管1内的绝对压力低于10-6Torr，这样的真空封装结构，不仅可以保证光伏集热组件接受太阳的辐射并保持稳定的工作温度，将组件的对流散热损失降至忽略不计，同时可以保护组件在恶劣气候条件下(冰雹、沙尘等)免受相关的物理损伤。真空管1设有单独的真空接口，用于在组件安装后建立真空，真空管对太阳光谱范围内的各种波长的光呈现近乎透射特性。
二、光伏集热组件2
如图2所示，光伏集热组件2采用层叠结构，可以实现部分紫外、可见光和部分红外部分的太阳能量吸收转换，包括低反射涂层6、光伏吸收层7、绝缘粘合层8、集热吸收层9、集热流体进口管道11和集热流体出口管道12，低反射涂层6通过等离子强化化学气相沉积方法涂布在光伏吸收层7的上表面，光伏吸收层7的下表面通过绝缘粘合层8与集热吸收层9相连，集热吸收层9的上表面设有低发射涂层，使集热层的对0.8-8μm波长范围的红外吸收率超过90％，集热流体进口管道11和集热流体出口管道12分别紧贴集热吸收层9的下表面。
光伏吸收层7包括透明导电氧化层18、背面电极24和正面电极25以及依次相连的P型掺杂非晶硅层19、非晶硅钝化过渡层20、N型掺杂晶硅层21、非晶硅钝化过渡层22和N型掺杂非晶硅层23，透明导电氧化层18的数量为两个，分别涂布在P型掺杂非晶硅层19的上表面和N型掺杂非晶硅层23的下表面，背面电极24设置在光伏吸收层7的底部，其上表面与位于底部的透明导电氧化层18相连，正面电极25插入光伏吸收层7的顶部，依次穿过位于顶部的透明导电氧化层18、P型掺杂非晶硅层19和非晶硅钝化过渡层20。
集热吸收层9，与加热流体管道通过导热传递热量，设置第一隔热层10，第一隔热层10填充在集热流体进口管道11和集热流体出口管道12的四周，强化集热吸收层与加热流体的传热强化，加热流体管道上设置相应的流量控制调节，可以根据实际制热需求量进行调节。
三、辐射冷却组件3
辐射冷却组件3可以反射太阳光谱范围的大部分能量，实现辐射冷却，包括聚乙烯凝胶反射层13、冷却辐射层14、冷却流体进口管道15和冷却流体出口管道16，聚乙烯凝胶反射层13涂布在冷却辐射层14的上表面，冷却流体进口管道15和冷却流体出口管道16分别紧贴冷却辐射层14的下表面。
聚乙烯凝胶反射层13的制备方法为：
通过聚乙烯和石蜡油混合溶液在冷却辐射层的铝基金属模块表面进行涂布后，进行恒温水浴，经过通过三步溶剂置换后通过临界干燥方法得到凝胶涂层。冷却辐射层14下部冷却流体管道通过导热方式，由冷却流体将热量传递给冷却辐射层14的金属，再通过向天空辐射方式进行冷却，辐射冷却流体管道设置相应的流量控制调节，可以根据实际制冷需求量进行调节。
辐射冷却组件3设有第二隔热层17，第二隔热层17填充在冷却流体进口管道15和冷却流体出口管道16的四周。
本实施例中光伏集热组件2中集热流体进口管道11和出口管道12，辐射冷却组件3中冷却流体进口管道15和出口管道16，以及光伏输出电缆分别从组件的单侧引出，采用装配式结构，单独设置真空接口，用于组件安装后建立真空。每个单元组件真空管下部采用高性能的粘合层与底部基座5固定，底部基座5通过膨胀螺栓与安装面进行固定，底部基座5采用装配式设计，有利单元组件的快速安装。单元组件的安装角度，根据安装地理位置的历史太阳辐照数据，通过PVsyst软件进行计算后确定。
上述光伏集热冷却复合装置提供电、热和冷三种形式能量的方法为：
太阳光谱范围内透射进入地球大气层后仅有小部分紫外、大部分可见光和红外区间内不同波长的光通过辐照穿透真空管，部分光被反射，部分光通过折射进行组件表面，光伏集热组件表层布置了低反射的玻璃涂层，即低反射涂层，进入真空管的大部分可见光可以透过低反射涂层后，进入光伏吸收层，光伏吸收层由异质结层叠布置的P-N掺杂的晶硅材料沉积合成，P型(空穴)掺杂的非晶硅、钝化过渡层及N型(载流子)掺杂晶硅层，在可见光的激励下，载流子和空穴打破了不同层的能隙带宽，在P型掺杂的非晶硅层产生带正电荷的空穴，N型晶硅层产生带负电荷的载流子(carrier)以及钝化掺杂中间层同时产生空穴和载流子，在上下电场力的作用下，载流子和空穴，分别向相反方向移动，形成了稳定的开口电压差；同时在光伏吸收层最下部布置的N型(载流子)掺杂非晶硅层强化了电场力，加强了空穴和载流子相互反向流动的驱动力，使光伏吸收层的效率相比单一的P-N掺杂结构吸收更多的光子，产生更多稳定的载流子流动，实现光电转换过程。经过光伏吸收层后还未全部被吸收的可见光、红外和紫外部分光子在光伏吸收层下部的集热吸收层被大部分吸收，集热吸收层中原子与原子间的晶格或化学键受到光子的持续激励，产生振动或共振，但是该激励能量不足以将原子结构中电子激励至更高能级，只能产生准粒子级(quasi-particle)的声子(phonon)，声子与原子晶格结构或分子化学键相互振动作用下，稳定的产生热能。隔热层中布置的冷却流体可以将集热层吸收的热能带走，送到热能需求侧。辐射冷却组件最上层采用合成的聚乙烯凝胶涂层(polyethylene aerosol)，可以在白天太阳光下反射大部分可见光，而红外部分光可以穿透聚乙烯凝胶涂层，进入下部的辐射冷却层。辐射冷却层由反射涂层和表面抛光金属铝层组成，反射涂层可以实现大部分红外光和小部分紫外光的反射，整体反射率超过90％。剩余未被反射的太阳光子进入辐射冷却层，产生热能，使辐射层本体温度升高，利用任何物理体在绝对零度以上的状态下，均能够产生辐射的特性，由于地球大气层在8-13μm近红外波长范围内几乎透射，地球表面温度范围(300-330K)的对应的热辐射电磁波正好是在8-13μm波长范围，同时由于地球大气层外宇宙空间处于真空和绝对零度。地球表面在此温度的物体均可以通过红外波长向宇宙空间辐射。通过设计表面的涂层，能够在白天反射辐照太阳小部分紫外和可见光范围的大部分能量，通过发射层将自身热量通过红外辐射出去，产生稳定的冷能量，冷能量可以通过流体冷却输送至冷能需求侧。
本实施例中的光伏集热冷却复合装置提升转换效率的原理为：
光伏集热组件与辐射冷却组件采用真空管内屋脊式布置，真空结构封装，不仅可以有效的降低集热吸收层的对流散热损失，也可以实现在复杂气候条件下对光伏集热、冷却组件的物理保护；同时，这样的布置设计在上午太阳入射角度较小时，可以降低辐射冷却组件上的太阳辐照强度，提高辐射冷却组件的冷却能力；在中午或下午太阳入射角度较大时，辐射冷却组件的反射层可以将太阳辐射反射至相邻单元的光伏集热组件上，增强了相邻单元组件上的太阳辐照强度，提高了相邻单元光伏集热组件的工作温度，提高了光电转换效率。
本实施例中的光伏集热冷却复合装置在全天候实现制冷能量供应的原理为：
辐射冷却组件最上层采用合成的聚乙烯凝胶涂层(polyethylene aerosol)，可以在白天太阳光下反射大部分可见光，而红外部分光可以穿透聚乙烯凝胶涂层，进入下部的辐射冷却层。辐射冷却层由反射涂层和表面抛光金属铝层组成，反射涂层可以实现大部分红外光和小部分紫外光的反射，整体反射率超过90％。在白天太阳辐照下，能够将大部分能量通过反射作用，为辐射冷却组件提供稳定可靠的工作条件。
本实施例中的光伏集热冷却复合装置的一次能源太阳能转换效率高，原因在于：
复合光伏组件在单一光电转换效率上低于主流的PERC组件约5-7个百分点，在单一集热效率上低于主流的平板集热组件约15个百分点，但当同时有电和热需求下，复合光伏集热冷却组件，同时将太阳光谱能量转换为电和热能量需求，能源转换效率接近75％。而通过光伏发电+太阳能集热/热泵制热的能源转换效率低于40％；冷却组件的冷却能力约95W/m2是日常制冷需求50W/m2的一倍，在相同制冷功率下，能量利用效率更高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光伏集热冷却复合装置，用于利用太阳能实现光电转换、集热和辐射冷却，其特征在于，所述的复合装置包括具有高透射率的真空管(1)和底部基座(5)以及封装在真空管(1)中的光伏集热组件(2)、辐射冷却组件(3)和组件支架(4)；所述的光伏集热组件(2)和辐射冷却组件(3)采用屋脊式对称布置在真空管(1)内；所述的光伏集热组件(2)和辐射冷却组件(3)与组件支架(4)固定连接；所述的真空管(1)固定在底部基座(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的光伏集热组件(2)包括低反射涂层(6)、光伏吸收层(7)、绝缘粘合层(8)、集热吸收层(9)、集热流体进口管道(11)和集热流体出口管道(12)；所述的低反射涂层(6)通过等离子强化化学气相沉积方法涂布在光伏吸收层(7)的上表面；光伏吸收层(7)的下表面通过绝缘粘合层(8)与集热吸收层(9)相连；所述的集热吸收层(9)的上表面设有低发射涂层；所述的集热流体进口管道(11)和集热流体出口管道(12)分别紧贴集热吸收层(9)的下表面。
3.根据权利要求2所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的光伏吸收层(7)包括透明导电氧化层(18)、背面电极(24)和正面电极(25)以及依次相连的P型掺杂非晶硅层(19)、非晶硅钝化过渡层(20)、N型掺杂晶硅层(21)、非晶硅钝化过渡层(22)和N型掺杂非晶硅层(23)；所述的透明导电氧化层(18)的数量为两个，分别涂布在P型掺杂非晶硅层(19)的上表面和N型掺杂非晶硅层(23)的下表面；所述的背面电极(24)设置在光伏吸收层(7)的底部，其上表面与位于底部的透明导电氧化层(18)相连；所述的正面电极(25)插入光伏吸收层(7)的顶部，依次穿过位于顶部的透明导电氧化层(18)、P型掺杂非晶硅层(19)和非晶硅钝化过渡层(20)。
4.根据权利要求2所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的光伏集热组件(2)设有第一隔热层(10)；所述的第一隔热层(10)填充在集热流体进口管道(11)和集热流体出口管道(12)的四周。
5.根据权利要求1所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的辐射冷却组件(3)包括聚乙烯凝胶反射层(13)、冷却辐射层(14)、冷却流体进口管道(15)和冷却流体出口管道(16)；所述的聚乙烯凝胶反射层(13)涂布在冷却辐射层(14)的上表面；所述的冷却流体进口管道(15)和冷却流体出口管道(16)分别紧贴冷却辐射层(14)的下表面。
6.根据权利要求5所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的聚乙烯凝胶反射层(13)的制备方法为：
通过聚乙烯和石蜡油混合溶液在冷却辐射层的铝基金属模块表面进行涂布后，进行恒温水浴，经过通过溶剂置换后通过临界干燥方法得到凝胶涂层。
7.根据权利要求5所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的辐射冷却组件(3)设有第二隔热层(17)；所述的第二隔热层(17)填充在冷却流体进口管道(15)和冷却流体出口管道(16)的四周。
8.根据权利要求1所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的真空管(1)设有真空接口。
9.根据权利要求1所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的真空管(1)内绝对压力低于10-6Torr。
10.根据权利要求1所述的一种光伏集热冷却复合装置，其特征在于，所述的真空管(1)通过底部的弧形面与底部基座(5)粘合连接。
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