CN215723503U - 一种光热转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光热转换装置，包括光电转换模块和电热转换模块；光电转换模块用于将太阳能转换为电能；电热转换模块用于将电能转换为热能；电热转换模块包括半导体电热膜和蓄热层；半导体电热膜与光电转换模块的输出端连接；蓄热层的第一表面与半导体电热膜的第一表面连接，用于储存及释放半导体电热膜产生的热能。本实用新型的光热转换装置，利用太阳能发电，节能环保；同时，利用半导体电热膜将电能转换为热能，由于半导体电热膜使用的发热材质为金属氧化物半导体制热材料，其电阻低、化学性质稳定，长期受热结构不会改变，具有高均匀性，使得使用该半导体电热膜的光热转换装置发热均匀，且具有高效的光‑电‑热转换性能。

Description

一种光热转换装置

技术领域

本实用新型涉及一种光热转换装置，尤其是一种基于半导体电热膜的蓄热式光热转换装置，属于光热转换技术领域。

背景技术

电采暖是一种将电能转化成热能直接放热或通过热媒介质在采暖管道中循环以满足供暖需求的采暖方式，其是一种电热转换装置。

现阶段电能主要来自水能(水力发电)、内能(俗称热能、火力发电)、原子能(原子能发电)、风能(风力发电)、化学能(电池)及光能(光电池、太阳能电池等)等。

而太阳能作为一种可再生能源，因其洁净无污染、资源丰富逐渐成为一种理想的发电方式，在化石能源日益损耗和环境恶化的形势下，对太阳能资源的充分开发利用，具有重要意义。

现有使用太阳能供电的电采暖装置，其所使用的光热转换装置中的电热转换元件大多是以有机物为载体、石墨烯为主体制作的电热膜。该电热膜在长期受热时，存在如下问题：

(1)石墨烯中颗粒聚集，电阻变动，致使电热膜发热不均匀，存在局部过热的现象；

(2)由于石墨烯是高分子材料，而高分子材料长期受热过程中会老化出现缝隙，导致水汽进入电热膜，存在漏电的安全隐患；

(3)有机物加热易挥发，因此利用其制备的电热膜在工作过程中，会产生对人体有害的物质。

实用新型内容

本申请的目的在于，提供一种光热转换装置，尤其是一种基于半导体电热膜的蓄热式光热转换装置，以解决现有技术中利用太阳能供电的电采暖装置存在的发热不均匀、存在安全隐患的技术问题。

本实用新型公开了一种光热转换装置，尤其是一种基于半导体电热膜的蓄热式光热转换装置，包括光电转换模块和电热转换模块；

所述光电转换模块，用于将太阳能转换为电能；

所述电热转换模块，用于将所述电能转换为热能；

所述电热转换模块包括半导体电热膜和蓄热层；

所述半导体电热膜与所述光电转换模块的输出端连接；

所述蓄热层的第一表面与所述半导体电热膜的第一表面连接，用于储存及释放所述半导体电热膜产生的热能。

优选地，所述半导体电热膜的发热材质包括氧化铟锡、氧化锡锑、掺镓氧化锌、掺锡氧化锌和掺铝氧化锌中的一种或多种。

优选地，所述电热转换模块还包括保温反射层；

所述保温反射层的表面与所述半导体电热膜的第二表面连接，用于将所述半导体电热膜产生的热能反射至所述蓄热层。

优选地，所述电热转换模块还包括装饰层；

所述装饰层的表面与所述蓄热层的第二表面连接。

优选地，所述蓄热层中包括蓄热材料，所述蓄热材料为相变材料。

优选地，所述相变材料为有机相变材料，所述有机相变材料包括石蜡或醋酸。

优选地，所述蓄热层中还包括支撑材料，所述支撑材料为高密度聚乙烯和苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

优选地，所述装置还包括温控模块；

所述温控模块包括温度传感器、温控开关及温度控制器；

所述温度传感器的采集端与所述半导体电热膜连接，用于采集所述半导体电热膜的温度，并传输至所述温度控制器；

所述温控开关设置于所述半导体电热膜与所述光电转换模块连接线路上；

所述温度控制器，用于根据所述温度传感器反馈的温度，控制所述温控开关的通断。

优选地，所述光电转换模块包括太阳能电池组和与所述太阳能电池组连接的光伏控制器；

所述光伏控制器还与所述半导体电热膜连接，用于控制所述太阳能电池组为所述半导体电热膜供电；

所述温控开关设置于所述半导体电热膜和所述光伏控制器的连接线路上。

优选地，所述光电转换模块还包括逆变器；

所述逆变器与所述光伏控制器连接，用于将所述太阳能电池组产生的直流电转换为交流电，为与所述逆变器连接的电器供电。

本实用新型的光热转换装置相较于现有技术，具有如下有益效果：

本实用新型提供的光热转换装置，首先利用光电转换模块将太阳能转换为电能，然后利用半导体电热膜将电能转换为热能。由于半导体电热膜所使用的发热材质为一种金属氧化物半导体制热材料(Metal-Oxide-Semic onductor-Heating，简称MOSH)，该种制热材料化学性质稳定，长期受热结构不会改变，具有高均匀性，使得利用其制备的电热膜不会出现类似于石墨烯等碳基电热膜出现的长期受热颗粒聚集，电阻变动，电热膜发热不均匀、老化出现缝隙以及产生对人体有害的物质的问题。本实用新型的半导体电热膜，发热均匀，其低温辐射偏差为±1℃。另外，金属氧化物半导体制热材料(MOSH)还具有电阻低、透过率高的优点，因此利用其制备的电热膜具有高效的电热转换性能并且其透过率高达80％以上，使得使用该半导体电热膜的光热转换装置具有高效的光-电-热转换性能。本实用新型的光热转换装置，由于利用太阳能发电，节能环保。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的光热转换装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电热转换模块的结构示意图；

图3为含有蓄热层的半导体电热膜和未含蓄热层的半导体电热膜的均温分布图；

图4为本实用新型实施例提供的温控模块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的温控模块的工作流程图；

图6为本实用新型实施例提供的光电转换模块的结构示意图。

图中1为光电转换模块；11为太阳能电池组；12为光伏控制器；13为逆变器；2为电热转换模块；21为装饰层；22为蓄热层；23为半导体电热膜；24为保温反射层；3为温控模块；31为温度传感器；32为控制器；33为温控开关。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

图1为本实用新型实施例提供的一种光热转换装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电热转换模块的结构示意图；

如图1和图2所示，本实用新型实施例的光热转换装置包括光电转换模块1和电热转换模块2；

其中光电转换模块1用于将太阳能转换为电能；

电热转换模块2用于将电能转换为热能；

电热转换模块2包括半导体电热膜23，半导体电热膜23与光电转换模块1的输出端连接；

半导体电热膜23的发热材质包括氧化铟锡、氧化锡锑、掺镓氧化锌、掺锡氧化锌和掺铝氧化锌中的一种或多种。

本实用新型提供的光热转换装置，首先利用光电转换模块将太阳能转换为电能，然后利用半导体电热膜将电能转换为热能。由于半导体电热膜所使用的发热材质为金属氧化物半导体制热材料(Metal-Oxide-Semicondu ctor-Heating，简称MOSH)，该种制热材料化学性质稳定，长期受热结构不会改变，具有高均匀性，使得利用其制备的半导体电热膜不会出现类似于石墨烯等碳基电热膜出现的长期受热颗粒聚集，电阻变动，电热膜发热不均匀、老化出现缝隙以及产生对人体有害的物质的问题。本实用新型的半导体电热膜，发热均匀，其低温辐射偏差为±1℃。另外，金属氧化物半导体制热材料(MOSH)还具有电阻低、透过率高的优点，因此利用其制备的电热膜具有高效的电热转换性能并且其透过率高达80％以上。

在一个具体的实施例中，上述半导体电热膜23为透明导电薄膜，其发热材质中，氧化铟锡(ITO)中锡的掺入量为5～10wt％，、氧化锡锑(ATO)中锑的掺入量为10～20wt％、掺镓氧化锌(GZO)中镓的掺入量为2～8wt％、掺锡氧化锌(ZTO)中锡的掺入量为15～30wt％、掺铝氧化锌(AZO)中铝的掺入量为0.9～2.7wt％。

不同厚度的半导体电热膜23对应的方阻、透过率及电能转换率均不同。本实施例公开的半导体电热膜23的厚度为10nm-800nm，在该厚度范围内的半导体电热膜23的方阻为10Ω-50Ω，透过率可达80％以上，电热转换率可达90％以上。

上述制备所得的半导体电热膜23可以为单层结构也可为多层结构，可采用聚酯薄膜(PET)或聚酰亚胺膜(PI)等柔性材质作为基材，利用磁控溅射的方法制备得到。

本实用新型对半导体电热膜23的发热材质、层数及制备方法不作具体限制，在实际使用中，根据具体情况选取即可。

由于夜间太阳能有限，使得本实用新型实施例的光热转换装置在夜间仅能产生较少的热能，难以保证采暖效果。因此，本实用新型在电热转换模块2中还设置了蓄热层22，蓄热层22的第一表面与半导体电热膜23的第一表面连接，用于储存及释放半导体电热膜23产生的热能；蓄热层22的第二表面与装饰层21的表面连接，装饰层21的材质可以为玻璃、木地板、大理石、皮革、纺织物等，厚度可为0.8mm至1.5mm。

本实用新型实施例中半导体电热膜23产生的热能，一部分存储于蓄热层22中，以便夜间释放，其余部分会依次经由蓄热层22及装饰层21释放至空间内进行取暖。

为使蓄热层22能够接收更多的热量，从而保证蓄热层22的蓄热效果，本实施例在电热转换模块2中还设置了保温反射层24，保温反射层24的表面与半导体电热膜23的第二表面连接，用于将半导体电热膜23第二表面侧的热能反射至蓄热层22，避免热能流失，提高蓄热层22的蓄热量。

其中，保温反射层24的结构可以为铝箔复合XPE泡棉的一体结构或者无纺布铝箔和XPE泡棉的复合结构，当然也可以采用其他材质组成的单一结构，多种材质组成的一体结构或者复合结构，其中的材质可以为聚氨酯发泡材料、发泡PVC和发泡PU材料中的一种或者多种。

为保证蓄热层22的效果，本实用新型蓄热层22中的蓄热材料使用的是相变材料(Phase Change Material，简称PCM)，PCM是一种随温度变化而发生状态转变，并在此过程中吸收或者释放大量潜热的物质。本实用新型将其与半导体电热膜23结合，可以充分利用半导体电热膜23产生的热能，使其在夜间温度较低时，产生相变，释放热量，保证采暖效果。

所述相变材料可以为有机相变材料或者无机相变材料。有机相变材料主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；无机相变材料主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等。

本实施例中的蓄热层22还包括支撑材料，支撑材料为高密度聚乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、高岭土、蒙脱土、凹凸棒石、膨润土中的一种或多种。由于高密度聚乙烯和苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物具有优良的拉伸强度、弹性和电性能，故优选高密度聚乙烯和苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

在一个具体的实施例中，蓄热层22的相变材料使用石蜡，支撑材料使用高密度聚乙烯(HDPE)和苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)。其中，石蜡的质量百分比为70-80％，高密度聚乙烯的质量百分比为5-10％，苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)的质量百分比为5-10％。

本实施例的蓄热层22是利用熔融共混方法制备得到的，具体为：

步骤1、取质量百分比为70-80％的石蜡加热熔化至液蜡温度达到100-250℃；

步骤2、取质量百分比为5-10％的高密度聚乙烯和5-10％的苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物加入到液蜡中搅拌，得到混合物；

步骤3、将混合物放入温度为100-200℃的热模具中，使用200-300kPa的压力压制成型，自然冷却后从模具中取出。

利用上述方法制备得到的蓄热层22的厚度为10-20cm，相变潜热值为120-200k J/kg。

图3所示为设有蓄热层和未设蓄热层的半导体电热膜的均温分布图。

其中蓄热层使用的蓄热材料为相变材料。图中的1为未设蓄热层的半导体电热膜的温度曲线图，2为设有蓄热层的半导体电热膜的温度曲线图。其中蓄热层的厚度为12厘米。

由图3可见，未设蓄热层的半导体电热膜升温速率始终比设有蓄热层的半导体电热膜的的升温速率快。

随着加热过程的进行，设有蓄热层的半导体电热膜升温速率明显降低，且设有蓄热层和未设蓄热层的半导体电热膜的温度差距逐渐拉大。在4000s时，设有蓄热层的半导体电热膜的温度接近40℃，比未设蓄热层的半导体电热膜的温度低约20℃左右。

由此可见，加入相变材料组成的蓄热层，有利于降低半导体电热膜的升温速率，抑制半导体电热膜的温度，避免其局部温度过高，延长使用寿命，并能在确保供暖的热舒适性的基础上，达到经济节能的效果。

为进一步避免光热转换装置中的半导体电热膜23局部过热，本实用新型的光热转换装置中还设置了温控模块3，用于根据半导体电热膜23的温度控制电能的输入与否，从而提供局部过热保护。

其中温控模块3的结构见图4，包括温度控制器32和与温度控制器32连接的温度传感器31及温控开关33；

温度传感器31的采集端与半导体电热膜23连接，用于采集半导体电热膜23的温度，并传输至温度控制器32；

温控开关33设置于半导体电热膜23与光电转换模块1连接线路上；

温度控制器32用于根据温度传感器31反馈的温度，控制温控开关33的通断，避免局部过热。

在一个具体的实施例中，温控模块3使用的温度控制器32为STC89C52单片机、温控开关33为KSD9700、温度传感器31为DS18B20。该温控模块3额定电压为220V，精度±2℃，开停温差2℃，负载功率2kW，采用LED屏显示温度，具有温度加减设定、定时、开关电源等功能。

本实施例的温控模块3以单片机控制电源的通断，即半导体电热膜23与光电转换模块1连接线路的通断，从而控制半导体电热膜23的加热时间及加热温度，使半导体电热膜23的温度维持在设定值区间，防止局部过热。封装时，首先利用T型电缆将半导体电热膜23与光电转换模块1接通，然后将温控模块3中的温度传感器31设置于半导体电热膜23上再进行封装。

本实施例的温控模块3的工作流程见图5。

第一步、首先控制程序初始化；

第二步、初始化后在温度控制器32上输入预设温度；

第三步、温度传感器31采集半导体电热膜23的温度并在LED屏上显示；

第四步、温度控制器32在此过程中控制温控开关33开启，对半导体电热膜23进行持续加热；

第五步、温度控制器32获取温度传感器31反馈的温度，判定半导体电热膜23是否达到预设温度并稳定，如是，程序结束，温度控制器32控制温控开关33断开；如否，则重复第三步至第五步，直至程序结束。

本实用新型实施例中的光电转换模块1的结构见图6，包括太阳能电池组11和与太阳能电池组11连接的光伏控制器12；

光伏控制器12还与半导体电热膜23连接，用于控制太阳能电池组11为半导体电热膜23供电。

其中，太阳能电池组11为晶硅太阳能电池组或多元化合物薄膜太阳能电池组，可以根据供电要求和电池功率设置一组或多组。

其中，现有技术中晶硅太阳能电池转换效率为21.8％-23％，单面发电功率200-250W，双面发电400-500W。

使用晶硅太阳能电池组时，其设置数量可参照下述方法确定：

太阳能电池组使用单晶硅太阳能PERC(Passivated Emitterand Rear Cell)电池。

本实施例所使用的单晶硅太阳能PERC电池转换效率为22％，每平米太阳光功率按照1000W计算，每平方米太阳能电池的最大发电功率为220W(单面发电)。

假设本实施例的电热膜尺寸为600cm×600cm，其每平方米的发热功率为400W±10W，所以每平米需要两块单晶硅太阳能PERC电池为一组进行供电发热，根据用电供热场所的面积，可以匹配相应的太阳能电池组件数量。

为实现太阳能的充分利用，本实施例的光电转换模块1中还设置了逆变器13。逆变器13是把直流电能转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。

逆变器13分别与太阳能电池组11和电器连接，从而将太阳能电池组11产生的直流电转换为交流电，为与逆变器连接的电器供电。

本实用新型提供的光热转换装置，首先利用光电转换模块将太阳能转换为电能，然后利用半导体电热膜将电能转换为热能。由于半导体电热膜所使用的发热材质为一种金属氧化物半导体制热材料(Metal-Oxide-Semic onductor-Heating，简称MOSH)，该种制热材料化学性质稳定，长期受热结构不会改变，具有高均匀性，使得利用其制备的电热膜不会出现类似于石墨烯等碳基电热膜出现的长期受热颗粒聚集，电阻变动，电热膜发热不均匀、老化出现缝隙以及产生对人体有害的物质的问题。本实用新型的半导体电热膜，发热均匀，其低温辐射偏差为±1℃。

另外，金属氧化物半导体制热材料(MOSH)还具有电阻低、透过率高的优点，因此利用其制备的半导体电热膜具有高效的电热转换性能并且其透过率高达80％以上，使得使用该半导体电热膜的光热转换装置具有高效的光-电-热转换性能。

本实用新型的光热转换装置，利用太阳能发电，太阳能是一种可再生能源、洁净无污染且资源丰富，故本实用新型的装置具有节能环保的优点。

本实用新型的光热转换装置，结构简单、方便安装拆除，适用性更强；同时其是面状热源，加之使用的半导体电热膜导电性佳，使得通电后升温较快，可以实现快速供暖。

本实用新型设置了温控模块，可根据需求改变采暖周期，即人在时供暖，人离开时关闭，节约电能。

本实用新型的装置是一种电采暖装置，由于电可分户计量，故供暖费用可实现分户计量收取，更加合理，用户接受度更高。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种光热转换装置，其特征在于，包括光电转换模块和电热转换模块；

所述光电转换模块，用于将太阳能转换为电能；

所述电热转换模块，用于将所述电能转换为热能；

所述电热转换模块包括半导体电热膜和蓄热层；

所述半导体电热膜与所述光电转换模块的输出端连接；

所述蓄热层的第一表面与所述半导体电热膜的第一表面连接，用于储存及释放所述半导体电热膜产生的热能。

2.根据权利要求1所述的光热转换装置，其特征在于，所述半导体电热膜的发热材质包括氧化铟锡、氧化锡锑、掺镓氧化锌、掺锡氧化锌和掺铝氧化锌中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的光热转换装置，其特征在于，所述电热转换模块还包括保温反射层；

所述保温反射层的表面与所述半导体电热膜的第二表面连接，用于将所述半导体电热膜产生的热能反射至所述蓄热层。

4.根据权利要求1所述的光热转换装置，其特征在于，所述电热转换模块还包括装饰层；

所述装饰层的表面与所述蓄热层的第二表面连接。

5.根据权利要求1所述的光热转换装置，其特征在于，所述蓄热层中包括蓄热材料，所述蓄热材料为相变材料。

6.根据权利要求5所述的光热转换装置，其特征在于，所述相变材料为有机相变材料，所述有机相变材料包括石蜡或醋酸。

7.根据权利要求6所述的光热转换装置，其特征在于，所述蓄热层中还包括支撑材料，所述支撑材料为高密度聚乙烯和苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

8.根据权利要求1-7任一项所述的光热转换装置，其特征在于，所述装置还包括温控模块；

所述温控模块包括温度传感器、温控开关和温度控制器；

所述温度传感器的采集端与所述半导体电热膜连接，用于采集所述半导体电热膜的温度，并传输至所述温度控制器；

所述温控开关设置于所述半导体电热膜与所述光电转换模块连接线路上；

所述温度控制器，用于根据所述温度传感器反馈的温度，控制所述温控开关的通断。

9.根据权利要求8所述的光热转换装置，其特征在于，所述光电转换模块包括太阳能电池组和与所述太阳能电池组连接的光伏控制器；

所述光伏控制器还与所述半导体电热膜连接，用于控制所述太阳能电池组为所述半导体电热膜供电；

所述温控开关设置于所述半导体电热膜和所述光伏控制器的连接线路上。

10.根据权利要求9所述的光热转换装置，其特征在于，所述光电转换模块还包括逆变器；

所述逆变器与所述光伏控制器连接，用于将所述太阳能电池组产生的直流电转换为交流电，为与所述逆变器连接的电器供电。

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