CN116053341A - 一种外观可变光伏发电设备及制造方法 - Google Patents

一种外观可变光伏发电设备及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种外观可变的光伏发电设备，该设备包含至少一块光伏组件，同时含有外观在低温相和高温相有差别的相变材料，且该相变材料的相变温度高于环境温度并低于处在该环境温度中的光伏组件的工作温度。随着光伏组件在亮光环境，微光环境和黑暗环境中的温度变化，该光伏发电设备呈现出不同的外观。在光伏发电设备中加入相变材料的方法包括生成相变材料薄膜，加入相变材料粒子和加入前驱体后生成相变材料。

Description

一种外观可变光伏发电设备及制造方法
技术领域
本发明涉及一种包含光伏组件和相变材料的光伏发电设备，属于光伏模块技术领域。
背景技术
光伏电池，是利用光生伏打效应将光能转换为电能的器件。根据光伏电池的光电转换材料的不同，光伏电池分为单晶硅电池，多晶硅电池，非晶硅/微晶硅电池，碲化镉电池，黄铜矿(例如铜铟镓硒)电池，有机电池，染料敏化电池，钙钛矿电池，III-V族电池，钙钛矿单晶硅叠层电池等类型。采用单晶硅电池的光伏组件简称单晶硅组件，同理，采用其它光伏电池如钙钛矿电池的光伏组件简称钙钛矿组件。单晶硅组件和多晶硅组件被统称为晶硅组件。非晶硅组件，碲化镉组件和铜铟镓硒组件被统称为薄膜组件。
光伏电池容易受到外部气候因素，例如氧气、水蒸汽、紫外线、外力、雷电等的影响而老化以至于失效；因此光伏电池需要用耐候材料封装后才能长期使用。单个或多个光伏电池同时封装后形成的光伏电池板，被称为光伏组件。常用的封装材料包括玻璃、不锈钢等无机物，以及聚乙烯醋酸乙烯(EVA)，聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，聚烯烃(PO)，有机硅胶，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚氟乙烯(PVF),聚偏氟乙烯(PVDF)等有机聚合物。光伏组件中含有一个或多个光伏电池，同一光伏组件内部的光伏电池之间用导电材料如焊带或氧化铟锡层(ITO)形成电学连接。光伏电池中的电通过引出导线传到组件外部，然后通过有绝缘表皮的线缆接入外部电路。在导线穿越组件封装材料到达组件外表面的位置，通常用绝缘材料进行密封，绝缘材料通常做成盒状，盒体为中空或者填充绝缘材料如硅胶，有的盒体内还配有旁路二极管，此盒体被称为接线盒。
常规的晶体硅光伏组件具有层状结构。从正面(受光面)到背面(背光面)依次是低铁超白钢化玻璃、封装胶膜、晶体硅光伏电池、封装胶膜、光伏背板。其中的背板为玻璃或多层复合材料，如聚氟乙烯-聚对苯二甲酸乙二醇酯-聚氟乙烯复合材料背板(TPT)。常用的封装胶膜包括聚乙烯醋酸乙烯(EVA)、聚烯烃(PO)和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。在层状结构的组件四边，增加金属材质或复合材料材质的边框能够增强组件的抗变形能力。在边框和层状结构的组件之间，用胶带或有机硅胶进行粘接。
常规的薄膜组件如碲化镉组件，铜铟镓硒组件，以及钙钛矿组件同样具有层状结构。与晶硅组件不同，这些组件的光伏电池，通常是采用物理或化学方法在衬底上制备，然后以衬底作为组件的前板(或背板)，再覆盖上聚乙烯醋酸乙酯，聚烯烃或者聚乙烯醇缩丁醛作为封装胶膜，再覆盖上背板(或前板)。
所有上述光伏组件，在将光能转换为电能的同时，都伴随着发热。发热的原因主要有三个。第一，不能被光伏电池的光电转换层吸收的一部分波长较长的太阳光被光伏电池或组件的其它部分，如晶硅电池的铝背场或封装胶膜吸收，并转化为热能；第二，被光伏电池的光电转换层吸收的高能态光子，在转换为低能态的电子空穴对时，释放出的热能；第三，电流在光伏电池和组件中传导时产生的焦耳热。
上述光伏组件在工作时发出的热量，一部分被组件自身吸收，导致组件温度超过组件周围环境中的空气温度并持续上升，直到组件吸收的热量与组件耗散到环境中的热量达到动态平衡时温度停止上升。本发明中将组件周围环境中的空气温度简称为环境温度。在本发明中，将在白天的亮光环境下且组件的朝向可以充分接收阳光的辐照的情况下，组件工作达到热平衡状态时的温度简称为组件的工作温度。采用开放式支架安装的光伏组件，其工作温度通常比环境温度高二十摄氏度以上，安装在建筑表面的光伏组件，由于散热比开放式支架慢，其工作温度更高，通常比环境温度高四十摄氏度以上，有文献报道安装在建筑表面光伏组件的最高工作温度超过九十摄氏度。
在夜晚的黑暗环境，或者清晨，黄昏和阴雨天等微光环境下，光线很微弱，这样的情况下，光伏组件吸收的热量远低于亮光环境时吸收的热量，导致光伏组件的温度与环境温度接近，甚至低于环境温度(例如夜间地表温度低于环境温度就会导致这种情况)。可见光伏组件在亮光环境中的工作温度，与其在黑暗环境或微光环境中的温度有显著的不同，并且组件温度随上述环境的改变而变化的幅度要高于环境温度的变化幅度。
相变是指物质在不同物理状态(简称不同相)之间的转变。除了常见的气相液相固相之间的相变外，相变还包括其它的转变，如钢在奥氏体和马氏体之间的相变，陶瓷在玻璃态和固态之间的转变等。相变通常与温度有关，发生相变的温度被称为相变温度。例如在一个大气压下，水在零摄氏度时变成冰。
发明内容
本发明提供一种外观可变的光伏发电设备及制造方式。本发明中提到的光伏发电设备包含至少一块光伏组件，有的光伏发电设备还包含紧邻光伏组件的周边构造，如支架，附框，或者与光伏组件共同构成幕墙的玻璃等。
本发明中提到的光伏材料，是指用于制备光伏发电设备的材料，包括且不限于各种光伏电池、玻璃、聚乙烯醋酸乙酯、聚烯烃、有机硅胶，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚酯、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、玻璃纤维、铝合金、钢铁合金、镀锡铜带、导线、接线盒、线缆，以及由上述材料形成的复合材料。
选择满足以下两个条件的相变材料：(1)相变温度高于某个特定的环境温度并且低于处在该环境温度中的光伏组件的工作温度。(2)相变材料的外观如颜色，质感或者透明度在低温相和高温相中有差别。在黑暗环境和微光环境下，组件温度较低，相变材料处于低温相。若组件温度达到工作温度，则相变材料处于高温相。
将上述相变材料置于光伏发电设备的内部或表面，包括光伏组件可视的内部，光伏组件外表面，紧邻光伏组件的周边构造可视的内部或其外表面，制成外观可变的光伏发电设备。该光伏发电设备的外观受相变材料的影响，在相变材料的高温相和低温相呈现不同的外观。光伏组件处在工作温度下，相变材料处于高温相，光伏发电设备呈现高温相外观；光伏组件处于黑暗环境或微光环境下，相变材料处于低温相，光伏发电设备呈现低温相外观。
环境温度受季节，地域，天气，时辰等因素的影响，本发明中提到的特定环境温度的取值范围在零下40摄氏度到零上45摄氏度之间。光伏组件的工作温度受环境温度和光照强度的影响，本发明中提到的光伏组件工作温度的范围是零下20摄氏度到零上99摄氏度。
进一步的，选择两种或两种以上的相变材料，其相变温度各不相同，分别高于各自对应的特定环境温度且分别低于处在上述特定环境温度中的光伏组件的工作温度，且这些相变材料的外观如颜色，质感或者透明度在各自的低温相和高温相中有差别。将这些相变材料组合在一起使用，在不同的温度下，相变材料组合的整体外观随组合中各相变材料所处的相的区别而不同。
将上述各种相变材料共同加入光伏发电设备的内部或表面，制成外观可变的光伏发电设备。该光伏发电设备的外观受各种相变材料共同的影响。若光伏组件处在不同的环境温度或工作状态下，则光伏发电设备中各种相变材料所处的相因此而变化，从而导致光伏发电设备呈现不同的外观。
例如，选择A，B两种相变材料，A材料的相变温度高于冬季环境温度但是低于冬季组件工作温度和夏季环境温度，B材料的相变温度高于夏季环境温度和冬季组件工作温度但是低于夏季组件工作温度。将A，B两种相变材料组合使用。在冬季的黑暗环境或微光环境下，组件温度低于A和B的相变温度，光伏发电设备的外观呈现为A，B均处在低温相的外观。在冬季亮光环境中组件达到工作温度的情况下，光伏发电设备呈现A高温相，B低温相的外观。在夏季的黑暗环境或微光环境下，光伏发电设备呈现A高温相，B低温相的外观。在夏季亮光环境中组件达到夏季工作温度的情况下，光伏发电设备呈现A，B均为高温相的外观。
将相变材料加入光伏发电设备中的方式包括：
(1)将相变材料制成单独的薄膜放入光伏发电设备内部或表面。上述薄膜包括且不限于厚度均匀的连续薄膜，厚度不均匀的连续薄膜，以及不连续薄膜如带有孔洞或缝隙的薄膜。上述薄膜包括单层薄膜和多层薄膜。薄膜与光伏发电设备连接的方式包括化学反应，粘接，焊接，机械连接，磁吸附和静电吸附。
(2)以光伏发电设备为衬底，将相变材料在衬底上制成薄膜；或者以光伏材料为衬底，将相变材料在衬底上制成薄膜，然后使用带有相变材料薄膜的光伏材料制备光伏发电设备。成膜的方法包括且不限于蒸镀，溅射，化学气象沉积，溶胶凝胶，打印，丝网印刷等方法。上述薄膜包括厚度均匀的连续薄膜，厚度不均匀的连续薄膜，以及不连续薄膜如带有孔洞或缝隙的薄膜。上述薄膜包括单层薄膜和多层薄膜。
(3)将相变材料粒子直接加入光伏发电设备的内部或表面，或者加入光伏材料的内部或表面形成复合材料后再使用此种复合材料制备光伏发电设备。相变材料粒子的尺寸范围为10-9米至10-1米。
(4)将用来合成相变材料的前驱体加入光伏发电设备的内部或表面，反应生成含有相变材料的光伏发电设备；或将前驱体加入光伏材料的内部或表面，反应生成含有相变材料的光伏复合材料，再使用此种复合材料制备光伏发电设备。
(5)将用来合成相变材料的前驱体加入光伏材料的内部或表面，再使用此种复合材料制成光伏发电设备。在光伏发电设备的生产过程中或光伏发电设备生产完成后，通过加热，光照，紫外线照射，电子束照射等处理方式，将光伏发电设备中的前驱体反应生成相变材料。
将两种或两种以上相变材料加入光伏发电设备中的方式包括：
(1)参照将相变材料加入光伏发电设备中的方式(1)-(5)，分别将不同的相变材料以相同或不同的方式加入光伏发电设备中，
(2)先将上述各种相变材料制成复合材料，再参照将相变材料加入光伏发电设备中的方式(1)-(5)，将上述复合材料加入光伏发电设备中。
附图说明
图1为本发明的一个示意图。光伏发电设备在(1)清晨或黄昏，(3)阴雨天这两种微光环境，以及(4)夜晚这种黑暗环境下呈现出一种外观，在(2)亮光环境下呈现出另一种外观。
具体实施方式
实施例一：二氧化钒(VO2)在温度低于68摄氏度时为单斜相，在温度高于68摄氏度时为金红石相。单斜相二氧化钒对红外线和红光等波长较长的可见光吸收很少，其粉末呈淡黄色；金红石相的二氧化钒对红外线和红光等波长较长的可见光有明显的吸收，其粉末呈深褐色。将二氧化钒的粉末混入聚乙烯醋酸乙烯(EVA)的原料粒子中，通过挤出制成含有二氧化钒的聚乙烯醋酸乙烯胶膜。将超白压花玻璃，聚乙烯醋酸乙烯胶膜，电气互连的单晶硅光伏电池阵列，含有二氧化钒的聚乙烯醋酸乙烯胶膜，超白压花玻璃层叠在一起，使得含有二氧化钒的聚乙烯醋酸乙烯胶膜在光伏电池的背面，再经过层压机层压后，制成含有二氧化钒的单晶硅光伏组件。由于超白压花玻璃和聚乙烯醋酸乙烯是无色透明的，所以二氧化钒相变产生的颜色变化，导致组件背面的颜色或者组件正面没有光伏电池遮挡的区域颜色的变化。
使用若干这样的光伏组件代替平板玻璃用于建筑采光顶，这样的采光顶兼具采光、发电、取暖、遮阳、隔热、装饰的功能。在冬季室外环境温度低于15摄氏度的情况下，采光顶中的光伏组件的工作温度低于68摄氏度，二氧化钒始终处在低温的单斜相，从室内或室外观察，光伏采光顶中光伏电池区域不透光且呈现光伏电池的颜色，光伏电池之间的区域透光且呈现淡黄色。单斜相的二氧化钒对可见光和红外线吸收很少，所以冬季时阳光中的大部分可见光和红外线可以透过光伏电池之间的间隙射入室内，改善室内的采光和取暖。
在夏季室外环境温度超过30摄氏度，采光顶中的光伏组件的工作温度高于68摄氏度，此时二氧化钒处在高温的金红石相，吸收长波可见光和红外线，颜色转为深褐色。从室内观察，光伏采光顶中光伏电池的区域不透光呈深黑褐色，电池之间区域为深褐色半透明。从室外观察，光伏电池区域仍呈现单晶硅电池的黑色，电池之间区域为深褐色半透明。此时穿过光伏电池间隙的阳光中的部分可见光和红外线被二氧化钒吸收，减少了辐射到室内的热量并减弱了射入室内的光通量。在夜晚或微光环境下，光伏组件的温度低于68摄氏度，此时光伏组件呈现与冬季相似的颜色和透光率。
实施例二，将含有二氧化钒的前驱体偏钒酸钠以及锆酸四丁醇的溶液辊涂在超白钢化玻璃表面，在高温下退火，得到表面带有二氧化钒薄膜的超白钢化玻璃。控制锆的含量，将锆掺杂的二氧化钒薄膜的相变温度调整到45摄氏度。
采用5毫米厚普通超白钢化玻璃作为前板，在前板上覆盖聚乙烯醇缩丁醛胶膜，将沉积有硫化镉层和碲化镉层的3.2毫米厚的TCO玻璃置于胶膜上，再覆盖聚乙烯醇缩丁醛胶膜，最后覆盖内表面带有二氧化钒薄膜的超白钢化玻璃，将上述层叠物在高压釜中合片，制成碲化镉光伏发电玻璃，作为建筑的夹胶玻璃幕墙使用。其变色原理与实施例一相同。

Claims (10)

1.一种外观可变的光伏发电设备，其特征在于：
(1)包含至少一块光伏组件。
(2)含有满足以下两个条件的相变材料：第一，相变温度高于特定的环境温度并且低于处在该环境温度中的光伏组件的工作温度。第二，相变材料的外观如颜色，质感或者透明度在低温相和高温相中有差别。
2.根据权利要求1所述的光伏发电设备，其特征在于：含有两种或两种以上相变材料，其相变温度各不相同。且这些相变材料的外观如颜色，质感或者透明度在各自的低温相和高温相中有差别。
3.根据权利要求1或2所述的光伏发电设备，其特征在于：包含紧邻光伏组件的周边构造，如支架,附框,或者与光伏组件共同构成幕墙的玻璃。
4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的光伏发电设备，其特征在于：相变材料位于光伏发电设备的内部或外表面。
5.根据权利要求4所述的光伏发电设备的制备方法，包括：将相变材料制成单独的薄膜放入光伏发电设备内部或表面。上述薄膜包括厚度均匀的连续薄膜，厚度不均匀的连续薄膜，以及不连续薄膜如带有孔洞或缝隙的薄膜。上述薄膜包括单层薄膜和多层薄膜。薄膜与光伏发电设备连接的方式包括化学反应，粘接，焊接，机械连接，磁吸附和静电吸附。
6.根据权利要求4所述的光伏发电设备的制备方法，包括：以光伏发电设备为衬底，将相变材料在衬底上制成薄膜；或者以光伏材料为衬底，将相变材料在衬底上制成薄膜，然后使用带有相变材料薄膜的光伏材料制备光伏发电设备。成膜的方法包括且不限于蒸镀，溅射，化学气象沉积，溶胶凝胶，打印，丝网印刷等方法。上述薄膜包括厚度均匀的连续薄膜，厚度不均匀的连续薄膜，以及不连续薄膜如带有孔洞或缝隙的薄膜。上述薄膜包括单层薄膜和多层薄膜。
7.根据权利要求4所述的光伏发电设备的制备方法，包括：将相变材料粒子直接加入光伏发电设备的内部或表面，或者加入光伏材料的内部或表面形成复合材料后再使用此种复合材料制备光伏发电设备。相变材料粒子的尺寸范围为10-9米至10-1米。
8.根据权利要求4所述的光伏发电设备的制备方法，包括：将用来合成相变材料的前驱体加入光伏发电设备的内部或表面，反应生成含有相变材料的光伏发电设备；或将前驱体加入光伏材料的内部或表面，反应生成含有相变材料的光伏复合材料，再使用此种复合材料制备光伏发电设备。
9.根据权利要求4所述的光伏发电设备的制备方法，包括：将用来合成相变材料的前驱体加入光伏材料的内部或表面，再使用此种复合材料制成光伏发电设备。在光伏发电设备的生产过程中或光伏发电设备生产完成后，通过加热，光照，紫外线照射，电子束照射等处理方式，将光伏发电设备中的前驱体反应生成相变材料。
10.根据权利要求2所述的光伏发电设备的制备方法，包括：根据权利要求5-9中的任意一项所述的制备方法，分别将不同的相变材料以相同或不同的方式加入光伏发电设备中；或者先将不同的相变材料制成复合材料，再根据权利要求5-9中的任意一项所述的制备方法，将复合材料加入光伏发电设备中。
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