CN113675285B - 一种双玻双面pv/t组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双玻双面PV/T组件，包括上玻璃盖板、光伏电池片、下玻璃盖板、集热器，所述光伏电池片与上、下玻璃盖板通过有机胶粘连固定，所述的集热器为上部敞口的扁平盒装结构，集热器内的冷却介质与下玻璃盖板直接接触。集热器采用钢化玻璃材料制成。所述的集热器底板朝向下玻璃盖板的一面涂覆可反射光功能涂层，或涂覆可吸热功能涂层。本发明设计的玻璃集热器内冷却工质直接与电池背板接触，减小传热热阻，提升组件热效率，同时又能很好的降低电池板温度提高组件电效率，本发明具有结构简单，成本低廉，太阳能综合利用效率高、安全可靠、适用场景广泛的优点。

Description

一种双玻双面PV/T组件

技术领域

本发明属于太阳能光伏/光热综合利用领域，涉及PV/T组件，尤其是一种冷却介质与电池背板直接接触的玻璃流道集热器双玻双面PV/T组件。

背景技术

太阳能光伏/光热一体化技术在能源高效清洁利用领域具有突出的优势，该技术既能提供电能又可以回收余热，在分布式供能、清洁能源供暖、光伏扶贫等方向具有广泛的应用前景。目前光伏/光热一体化技术中的集热器应用较广的是扁平盒式结构，材料多为导热性能良好的金属，如铝，铜等，集热器中的冷却工质与太阳能电池板之间有一层金属材料间隔，增加了电池板与集热器内部冷却工质之间的热阻，并且入射太阳光中会有部分光线由太阳能电池缝隙之间透射至集热器表面转化为热能，无法被双面太阳能电池的背面部分所利用。此外，传统集热器材料与太阳能电池盖板材料不同，长时间的冷热变化产生的热应力和膨胀系数的差异会使得接触面变形或松动，降低集热器对电池板的冷却效果，进而影响组件整体的性能表现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种冷却介质与电池背板直接接触的玻璃集热器双玻双面PV/T组件，具有更高的热电效率，有效的提高了太阳能综合利用效率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种双玻双面PV/T组件，包括上玻璃盖板、光伏电池片、下玻璃盖板、集热器，所述光伏电池片与上、下玻璃盖板通过有机胶粘连固定，所述的集热器为上部敞口的扁平盒装结构，集热器内的冷却介质与下玻璃盖板直接接触。

而且，所述的集热器采用钢化玻璃材料制成。

而且，所述的集热器底板朝向下玻璃盖板的一面涂覆可反射光功能涂层，或涂覆可吸热功能涂层。

而且，所述的集热器的底板两端分别制有冷却介质进孔、冷却介质出孔。

而且，所述的冷却介质为水或空气或油。

而且，所述的集热器顶部边缘向外延伸制出一圈法兰连接部，法兰连接部与上、下玻璃盖板通过C型卡扣连接，在下玻璃盖板与法兰连接部之间涂覆导热硅胶。

而且，双玻双面PV/T组件优化目标为：

maxQ_all＝N₁·Q_th(R_f,q_f)+N₂·P_el(T_c(R_f,q_f))

其中maxQ_all为组件的总功率的最大值，N₁、N₂分别为热电功率的系数，根据具体的组件应用场景决定；Q_th、P_el分别为组件的热功率、电功率，W；R_f为水与光伏组件下玻璃盖板的对流热阻，(m²*K)/W；q_f为冷却流体的流速，L/h；T_c为光伏组件的温度，K；

针对集热器的优化目标为：minR_f＝f(l,h,q_f)

其中，l、h分别为集热器的长度、厚度，m，热阻是集热器长度、厚度与流体速度的函数，而三者有以下限制条件：

其中P为集热器承受的压力，Pa，l_min为集热器的长度的下限，l_max为集热器的长度的上限，h_min为集热器的厚度的下限，h_max为集热器的厚度的上限，q_fmin为冷却流体的流速的下限，q_fmax为冷却流体的流速的上限，P(q_f，h)为集热器特定流速以及特定集热器厚度值对应的压力值，P_max为集热器承受的压力的上限，

根据实际的安装条件设定集热器长度、厚度的上下限；根据循环泵的选型确定流速的上下限；根据流体流速以及组件厚度确立流体在流动过程中的压力损失，即集热器承受的压力。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用敞口扁平盒式的玻璃集热器可以让集热器内的冷却介质直接与电池背板接触，减小了传热热阻，能更加有效的降低电池板的温度，使得组件有较高的电效率和热效率。

2、本发明玻璃集热器底层为反射镜面，可以将电池片缝隙的漏光二次反射回电池板背面，利用双面电池继续转换成电能，提高太阳能利用率，同时可以选择吸热镀层作为底面的涂覆材质，相较于反射镀层，吸热镀层的热效率更高电效率略微降低。

3、本发明玻璃集热器材料为钢化玻璃，集热器结构简单，使用安全方便，材料成本低，而且玻璃有良好的耐磨性、耐酸碱性、耐候性以及普遍的工质适应性，同时玻璃的采用可避免出现太阳能电池隐裂、弯曲等热应力导致的不可逆组件损坏。

4、本发明采用玻璃作为集热器材质，具备与太阳能电池盖板相近的热膨胀系数，二者的热应力近似，不会出现类似于传统PV/T组件应热应力区别而导致的电池板隐裂、弯曲等现象，在工程应用推广方面有着较强的工作稳定性。

5、本发明双玻双面PV电池为双面发电电池，正反面都可以接收太阳光线产生电能，反面效率可达正面的95％以上。

附图说明

图1为玻璃集热器PV/T组件立体结构图；

图2为玻璃集热器PV/T组件分解图；

图3为玻璃集热器PV/T组件主视图；

图4为图3的俯视图；

图5为图3的右视图；

图6为玻璃集热器立体结构图；

图7为现有技术PV/T组件立体结构图；

图8为现有技术PV/T组件结构分解图；

图9(a)为玻璃集热器双玻双面PV/T组件的热阻图；

图9(b)为现有技术PV/T组件的热阻图；

图10为玻璃集热器的双玻双面PV/T实验原理图；

图11为三种PV/T组件实验的辐照对比图；

图12为三种PV/T组件理论计算电功率曲线图；

图13为三种PV/T组件理论计算热功率曲线图；

图14为三种PV/T组件实验电热功率曲线图；

图15为三种PV/T组件实验电效率曲线图；

图16为三种PV/T组件实验热效率曲线图。

编号说明：1为本发明PV/T组件的上玻璃盖板，2为本发明PV/T组件的光伏电池片，3为C型卡扣，4为本发明PV/T组件的下玻璃盖板，5为本发明PV/T组件的玻璃集热器，5-1为冷却介质进孔，5-2为反射层或吸热层，5-3为冷却介质出孔，6为现有技术PV/T组件的上玻璃盖板，7为现有技术PV/T组件的光伏电池片，8为现有技术PV/T组件中的下玻璃盖板，9为现有技术PV/T组件中的集热器，10为冷水箱，11为水泵，12为负荷，13为电网，14为逆变器，15为蓄电池，16为玻璃集热器双玻双面PV/T双轴追踪实验台，17为热水箱。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种双玻双面PV/T组件，包括上玻璃盖板1、光伏电池片2、下玻璃盖板4、集热器5，所述光伏电池片2与上、下玻璃盖板4通过有机胶膜(EVA)粘连固定，所述集热器5为上部敞口的扁平盒装结构，在集热器5内循环冷却介质，冷却介质与下玻璃盖板4直接接触。

本发明采用玻璃作为集热器5材质，具备与太阳能电池盖板相近的热膨胀系数，二者的热应力近似，不会出现类似于传统PV/T组件应热应力区别而导致的电池板隐裂、弯曲等现象，在工程应用推广方面有着较强的工作稳定性。

集热器5的底板与冷却介质接触的一面为反射镜面5-2，利用铝或者银进行涂覆，可以反射光伏电池片2缝隙透射过来的太阳光线，利用双面电池的特点提高光电转换效率；或者底面可添加吸热镀层，提高冷却流体温度。

集热器5的底板的两端分别制出冷却介质进孔5-1、冷却介质出孔5-3，冷却介质从冷却介质进孔5-1进入集热器5，从冷却介质出孔5-3排出，将热量带走。在孔内安装有铜质管接头，接口处利用导热硅胶和聚四氟乙烯垫片进行密封。

太阳光线照射在并透过上玻璃盖板1后能激发电子跃迁的光线绝大部分在光伏电池片2上引发光电效应被转换成电能输出，还有部分透过光伏电池片2的缝隙和下玻璃盖板4达到集热器5，然后被集热器5底部的反射镜面5-2反射回光伏电池片2的背面继续转换成电能，另外部分不能激发电子跃迁的光线在电池板表面转换成热量使得电池板温度升高；若集热器5底部为吸热层，则到达集热器5的透射光线将被吸收转化为热量，由冷却流体带走，提高系统的热效率。

冷却介质经由集热器5底部两端的冷却介质进孔5-1进入，吸收光伏电池片2产生的热量后温度升高，同时降低了光伏电池片2的温度，然后再由另一端的冷却介质出孔5-3流出，产生热源或热水。

现有技术PV/T组件的上玻璃盖板6、现有技术PV/T组件的光伏电池片7、现有技术PV/T组件的下玻璃盖板8与本发明玻璃集热器PV/T组件的上玻璃盖板1、光伏电池片2、下玻璃盖板4有着相同的作用，二者区别在于集热器，现有技术PV/T组件的集热器9一般由铝制成，为密闭的腔体，腔体内通有冷却流体，冷却流体不与现有技术PV/T组件的下玻璃盖板8直接接触。

在实验台中，冷却介质由冷水箱10经水泵11泵入集热器5中，对电池板进行冷却，电池板产电经逆变器14后，可用于满足用户负荷，至电网或储存在蓄电池中。

PV电池正面接收辐照面的光电转换效率能达到20％以上，上、下玻璃盖板1、4比光伏电池片7的面积略大，光伏电池片7位于两块玻璃盖板的中间位置。

集热器5结构尺寸根据所用光伏电池片7的尺寸而调整，集热器使用热成型模具制备，模具热成型技术可以根据集热器的尺寸和形状制作模具，再利用模具生产出整体化的玻璃集热器。这种整体结构的集热器具有更好的密封性和承压性。

集热器5底面为反射镜面5-2，利用铝或者银进行涂覆，可以反射电池片缝隙透射过来的太阳光线，利用双面电池的特点提高光电转换效率，或者底面可添加吸热镀层，提高冷却流体温度。

敞口扁平玻璃集热器相较于传统的封闭式集热器在热阻方面优势较大，传统封闭式集热器在太阳能电池之间存在三层导热介质，分别为电池下盖板、导热硅胶、封闭式集热器上层，本发明采用的敞口扁平玻璃集热器移除了导热硅胶层和集热器上层，保留必须的电池下盖板，使冷却工质与玻璃盖板下层直接接触，提高组件的传热效率。此外为了保证集热器的承压性以及密封性，本发明在玻璃集热器的边缘添加了法兰片，与集热器由模具一体化热成型而成，同时利用C型卡扣3对电池与集热器之间的结合进行加固，加固层中间布置有导热硅胶，具体结构示意图如附图所示。

双玻双面PV/T组件优化目标为：

maxQ_all＝N₁·Q_th(R_f,q_f)+N₂·P_el(T_c(R_f,q_f))

其中maxQ_all为组件的总功率的最大值，N₁、N₂分别为热电功率的系数，根据具体的组件应用场景决定；Q_th、P_el分别为组件的热功率、电功率，W；R_f为水与光伏组件下玻璃盖板的对流热阻，(m²*K)/W；q_f为冷却流体的流速，L/h；T_c为光伏组件的温度，K。

热功率由热阻以及流体的流速决定，其他因素在集热器的优化过程可视为常数；电功率由组件温度决定，而组件温度同样由热阻以及流体的流速决定。因此集热器参数优化主要针对于热阻与流速的优化。

针对集热器的优化目标为：minR_f＝f(l,h,q_f)

其中，l、h分别为集热器的长度、厚度，m。热阻是集热器长度、厚度与流体速度的函数，而三者有以下限制条件：

其中P为集热器承受的压力，Pa。

集热器参数的优化主要针对于集热器长度与厚度的确定，集热器的宽度则由光伏电池的尺寸决定，可视为常数；根据实际的安装条件可以设定集热器长度、厚度的上下限；而循环泵的选型可以确定流速的上下限；此外，由于组件结构的特殊性，存在一定的承压上限，因此需要根据流体流速以及组件厚度确立流体在流动过程中的压力损失，即集热器承受的压力。

因此整体构成了一个多重双目标优化的结构，根据实际工况决定限制条件以及影响组件热电功率的常数的数值，从而可确定集热器的最佳尺寸与冷却水流速的选择。

双面双玻PV/T组与现有技术PV/T组件的电池辐照吸收率对比计算公式如下所示：

其中τ_g，α_AI，τ_l分别为玻璃的透射率、反射镀铝层的反射率、水的透射率，A_c，A_a分别为电池的面积、组件的面积，m²。

以十片构成的现有技术电池组件为例，电池组件为0.24883m²，电池的面积为0.24335m²，电池面积占比为97.798％，因为现有技术单面电池有效辐照吸收率为97.798％，光伏玻璃的透射率一般为91.6％左右，常用镀银镜面反射率为95％，常用双面电池背面效率可达到90％，综合计算可得双面双玻PV/T组件(底面为反射层)相较于现有技术PV/T组件效率增加了2.092％。

根据现有技术PV/T组件与本发明的结构对比，本发明绘制了二者的传热热阻网络图如图9分析二者热性能区别。以现有技术PV/T组件为例，对温度节点T_g列热平衡方程为：

其中q_g为太阳能中被上玻璃盖板吸收的热量：

q_g＝rec*C*G*α_g

T_sky为大气温度，是根据辐射换热折算的一个温度，计算公式如下：

式中，T_g、T_amb为玻璃盖板的温度、环境温度，K；R_g、R_ambg、R_skyg分别为晶硅电池与玻璃盖板间的热阻、玻璃盖板与环境间的对流热阻、玻璃盖板与环境间的辐射热阻，(m²*K)/W；C为聚光器的几何聚光比；G为辐照值，W/m²；α_g为玻璃盖板吸收率；rec为聚光器的反射比，本发明取0.88。

对温度节点T_c列平衡方程有：

其中q_c为晶硅电池片吸收的太阳能辐照值中的热量部分，计算公式如下：

q_c＝rec*C*G*τ_g*α_c*(1-η_e)

式中η_e为晶硅电池的电效率，计算公式如下：

η_e＝η_r*(1-β*(T_c-T_ref))

式中，T_b，T_ref分别为下玻璃盖板的温度与晶硅电池的参考温度，K；R_c为下玻璃盖板与晶硅电池之间的热阻，(m²*K)/W；τ_g、α_c分别为玻璃盖板的透射率与晶硅电池的吸收率；η_r为晶硅电池的参考电效率；β为电效率衰减系数。

对温度节点T_b列平衡方程有：

其中，T_w为铝集热器温度，K；R_b为下玻璃盖板与集热器之间的热阻，(m²*K)/W。

对温度节点T_w列平衡方程有：

其中T_i、T_f分别为绝热层与循环工质的温度，K；R_f、R_w分别为集热器与工质之间的对流传热热阻、集热器与绝热层之间的热阻，(m²*K)/W。

其中，q_f为循环工质获得的热量，W/m²；c_p为工质的比热容，J/kg*K；为循环工质质量流量，kg/s；W为集热器宽度，m。

对温度节点T_i列平衡方程有：

其中R_ambi、R_skyi分别为绝热层与环境间的对流热阻、绝热层与环境间的辐射热阻，(m²*K)/W。

而本发明组件与现有技术集热器组件的区别在于T_f与T_b之间减少了一层热阻R_b。此外玻璃的导热系数要低于铝的导热系数，因此本发明中光伏组件产生的热量可以更好的被流体带走，同时流体升温后的热量经由集热器下层向外界耗散的热量也比现有技术PV/T组件要少。综上所述，玻璃集热器PV/T组件在电性能与热性能方面要高于现有技术PV/T组件。

本发明与铝集热器的PV/T组件、热管冷却PV/T组件进行了对比，三种PV/T组件均采用双面电池实现漏光收集。所有PV/T组件均采用双轴追踪方式实现太阳追踪。三种PV/T组件的实验对应在三天中进行，理论计算也基于相同的环境数据。三天辐照对比如图11所示，对比三天辐照条件，辐照情况基本相似，因此可以直接比较三种PV/T组件的热电功率。

图12为根据实际天气数据进行电功率的理论计算，由图可知，在三种PV/T中，玻璃集热器PV/T的电功率可以达到450W，显著高于铝集热器以及热管组件，主要原因是玻璃集热器PV/T的传热层相比其他两种组件更少，热阻更低，玻璃集热器PV/T的PV电池能得到更有效的冷却，因此功率更高。图13为三种PV/T的理论计算热功率，同样也是因为玻璃集热器PV/T的热阻更小，热量能够有效被冷却介质带走，因此热功率相对更高，最高可以达到2500W。

图14为三种PV/T实验所得电热功率数据，由图可知，实际的玻璃集热器PV/T的电功率小于另外两种PV/T组件，相差约100W，结合图12中三种PV/T的电效率，玻璃集热器PV/T电效率相比其余两种PV/T也更低，并始终维持在10％以上，推测其主要原因为PV电池下表面与循环水直接接触，漏光经冷却介质后投射至集热器表面并反射回电池下表面，冷却介质对光进行吸收、折射导致光线能量下降，电性能劣化，此外实验中玻璃集热器底层为了提高热效率采用的是吸热镀层，因此相较于其他双面PV/T热效率更高，而电效率较低，本发明可根据需求在吸热镀层与反射镀层之间进行选择，适用于多种需求。但若与单面电池PV/T组件进行比较，由于玻璃集热器双玻双面PV/T组件吸收利用漏光，提高了太阳能综合利用效率，因此电功率高于传统结构PV/T组件。

玻璃集热器PV/T组件的热功率明显高于其他两种PV/T组件，由图可知，玻璃集热器PV/T热功率实验值可以达到2500W，在15：30-17：00，由于辐照量降低，玻璃集热器PV/T热功率迅速降低，进一步凸显出玻璃集热器PV/T在热性能方面的优势显著。图16为三种PV/T的热效率，可以看出，玻璃集热器PV/T热效率整体高于其余两种PV/T，最高时可以达到将近90％。

综上所述，玻璃集热器双玻双面PV/T组件采用新型玻璃集热器结构，并使用双面电池，达到漏光吸收的效果，实验数据与仿真数据证明，玻璃集热器PV/T有效提高了太阳能综合利用率，且玻璃集热器PV/T相比其他类型的PV/T，具有良好的热性能，电效率虽然较其余种类双面PV/T，但是整体的电性能优于传统PV/T。

本发明玻璃集热器双玻双面PV/T组件可以清洁高效的利用太阳能，可以同时输出电能和热源(热水)，热水可以直接作为生活热水或供暖用，热源可以与热泵耦合。玻璃集热器价格便宜，结构简单高效，耐磨性、耐酸碱和耐候性良好，对工质适用范围广等优点。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双玻双面PV/T组件，包括上玻璃盖板(1)、光伏电池片(2)、下玻璃盖板(4)、集热器(5)，所述光伏电池片(2)与上、下玻璃盖板通过有机胶粘连固定，其特征在于：所述的集热器(5)为上部敞口的扁平盒装结构，集热器(5)内的冷却介质与下玻璃盖板(4)直接接触，所述的集热器(5)底板朝向下玻璃盖板的一面涂覆可反射光功能涂层(5-2)；

双玻双面PV/T组件优化目标为：maxQ_all＝N₁·Q_th(R_f,q_f)+N₂·P_el(T_c(R_f,q_f))

其中maxQ_all为组件的总功率的最大值，N₁、N₂分别为热电功率的系数，根据具体的组件应用场景决定；Q_th、P_el分别为组件的热功率、电功率，单位为W；R_f为水与光伏组件下玻璃盖板的对流热阻，单位为(m²*K)/W；q_f为冷却流体的流速，单位为L/h；T_c为光伏组件的温度，单位为K；

针对集热器的优化目标为：minR_f＝f(l,h,q_f)

其中，l、h分别为集热器的长度、厚度，单位为m，热阻是集热器长度、厚度与流体速度的函数，而三者有以下限制条件：

其中P为集热器承受的压力，单位为Pa，l_min为集热器的长度的下限，l_max为集热器的长度的上限，h_min为集热器的厚度的下限，h_max为集热器的厚度的上限，q_fmin为冷却流体的流速的下限，q_fmax为冷却流体的流速的上限，P(q_f，h)为集热器特定流速以及特定集热器厚度值对应的压力值，P_max为集热器承受的压力的上限，

根据实际的安装条件设定集热器长度、厚度的上下限；根据循环泵的选型确定流速的上下限；根据流体流速以及组件厚度确立流体在流动过程中的压力损失，即集热器承受的压力。

2.根据权利要求1所述的双玻双面PV/T组件，其特征在于：所述的集热器(5)采用钢化玻璃材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的双玻双面PV/T组件，其特征在于：将可反射光功能涂层(5-2)替换为可吸热功能涂层。

4.根据权利要求1或2所述的双玻双面PV/T组件，其特征在于：所述的集热器(5)的底板两端分别制有冷却介质进孔(5-1)、冷却介质出孔(5-3)。

5.根据权利要求1或2所述的双玻双面PV/T组件，其特征在于：所述的冷却介质为水或空气或油。

6.根据权利要求1或2所述的双玻双面PV/T组件，其特征在于：所述的集热器(5)顶部边缘向外延伸制出一圈法兰连接部，法兰连接部与上、下玻璃盖板通过C型卡扣(3)连接，在下玻璃盖板与法兰连接部之间涂覆导热硅胶。