CN219304725U - 一种光伏热电耦合柔性发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏热电耦合柔性发电装置，涉及发电设备技术领域，其包括：钙钛矿太阳能薄膜电池、柔性复合相变材料储能层以及若干温差发电柔性薄膜电池，柔性复合相变材料储能层热连接在所述钙钛矿太阳能薄膜电池的下表面，柔性复合相变材料储能层包括上底面大于下底面的四棱台和连接在四棱台的下底面的突出平台；每个所述温差发电柔性薄膜电池的热面与突出平台热连接，其中，所述柔性复合相变材料储能层在白天期间吸收上层所述钙钛矿太阳能薄膜电池因受光辐照而产生的热量，进而将所述钙钛矿太阳能薄膜电池的工作温度保持在设定区间，同时全天将白天期间所吸收的热量传达至底层所贴合的所述温差发电柔性薄膜电池从而进行温差发电。

Description

一种光伏热电耦合柔性发电装置

技术领域

本实用新型涉及发电设备技术领域，具体涉及一种光伏热电耦合柔性发电装置。

背景技术

在传统的太阳能发电领域中，晶硅太阳能电池的制作成本高，光电转换效率低，投入成本高而回报低，在大面积应用后依然需要多年运行才能取得收益。近年来，钙钛矿太阳能电池一经问世便迅速发展，在十几年内不断突破光电转换效率上限，已超过目前已有晶硅技术的光电转换效率极限，具有更低成本、更高效率、更多应用的优势。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性却使其难以投进实际应用，其中，温度与湿度的工作条件对钙钛矿运行寿命的影响最大，不健康的温度与湿度条件将降低钙钛矿太阳能电池的发电效率，并使钙钛矿层降解而且大多数的电池连接通过串联的方式，致使输出的电流过小，难以满足实际的需求。经过多数研究人员的实验研究，已验证通过良好的封装技术可以将钙钛矿电池与环境良好隔绝，因此湿度对钙钛矿电池的运行影响可以忽略。而温度依然是作为限制钙钛矿太阳能电池应用的主要因素之一，对此，传统的冷却方式，如液冷、风冷等，因其成本问题、体积占用问题并不适用与钙钛矿这种低成本薄膜发电电池。传统晶硅太阳能电池为降低工作温度提高发电效率而采用了在电池底部叠加一层相变材料层，但传统的相变材料的应用依然会限制了钙钛矿柔性电池的应用。

因此，亟需研发一种可以实现对钙钛矿太阳能薄膜电池有效控温并提高光伏发电效率的发电装置。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型提供一种光伏热电耦合柔性发电装置，其能够实现对钙钛矿太阳能薄膜电池的有效控温并提高光伏发电效率。

为实现上述目的，本实用新型可以采用以下技术方案进行：

一种光伏热电耦合柔性发电装置，其包括：

钙钛矿太阳能薄膜电池，

柔性复合相变材料储能层，其热连接在所述钙钛矿太阳能薄膜电池的下表面，所述柔性复合相变材料储能层包括上底面大于下底面的四棱台和连接在四棱台的下底面的突出平台；以及，

若干温差发电柔性薄膜电池，每个所述温差发电柔性薄膜电池的热面与突出平台热连接，其中，

所述柔性复合相变材料储能层在白天期间吸收上层所述钙钛矿太阳能薄膜电池因受光辐照而产生的热量，进而将所述钙钛矿太阳能薄膜电池的工作温度保持在设定区间，同时全天将白天期间所吸收的热量传达至底层所贴合的所述温差发电柔性薄膜电池从而进行温差发电。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，还包括将所述钙钛矿太阳能薄膜电池、所述柔性复合相变材料储能层和若干所述温差发电柔性薄膜电池一体封装的外封装壳层。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，所述温差发电柔性薄膜电池包括热电薄膜、衬底和导电块，其中，所述热电薄膜沿电传输和热传输方向的纵向截面为变截面，且所述热电薄膜通过所述导电块与突出平台热连接，所述衬底连接在所述热电薄膜的下底面。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，所述热电薄膜的横截面为梯形。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，所述钙钛矿太阳能薄膜电池与所述温差发电柔性薄膜电池之间对应位置重叠，且所述钙钛矿太阳能薄膜电池与所述温差发电柔性薄膜电池的对应正极及其对应负极区域通过导电金属锡连接，从而构成并联的回路。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，所述柔性复合相变材料储能层具有可弯曲性和延展性。

如上所述的光伏热电耦合柔性发电装置，进一步的，所述柔性复合相变材料储能层的四棱台的上底面的形状尺寸与所述钙钛矿太阳能薄膜电池形状尺寸相同，所述柔性复合相变材料储能层的下底面的突出平台与热电薄膜的p-n结对数相适应，且该突出平台的侧面积大于导电块的面积。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本实用新型通过柔性复合相变材料吸收钙钛矿太阳能电池受太阳辐射所产生的热量，使其温度区间始终位于输出功率为最佳的状态，以实现对钙钛矿太阳能薄膜电池的有效散热控温，从而能够提高光伏发电效率，延长电池运行寿命；

2、本实用新型将光伏发电过程中产生的热能储存在柔性复合相变材料中并用于温差发电，之后耦合钙钛矿太阳能薄膜电池与温差发电柔性薄膜电池，通过电池之间的并联电路提高了输出电流，并能在夜间持续发电。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本实用新型实施例的光伏热电耦合柔性发电装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的光伏热电耦合柔性发电装置的结构爆炸图；

图3为本实用新型实施例的温差发电柔性薄膜电池的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的光伏热电耦合柔性发电装置的整体封装图；

图5为本实用新型实施例的光伏热电耦合柔性发电装置的并联电路示意图。

其中：1、钙钛矿太阳能薄膜电池；2、柔性复合相变材料储能层顶部；3、柔性复合相变材料储能层底部；4、导电块；5、热电薄膜；6、衬底。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本实用新型实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

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”、“顺时针”、“逆时针”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图5，本实用新型提供一种光伏热电耦合柔性发电装置，其可以包括：钙钛矿太阳能薄膜电池1、柔性复合相变材料储能层以及若干温差发电柔性薄膜电池，柔性复合相变材料储能层热连接在钙钛矿太阳能薄膜电池1的下表面，柔性复合相变材料储能层包括上底面大于下底面的四棱台和连接在四棱台的下底面的突出平台；每个温差发电柔性薄膜电池的热面与突出平台热连接，其中，柔性复合相变材料储能层在白天期间吸收上层钙钛矿太阳能薄膜电池1因受光辐照而产生的热量，进而将钙钛矿太阳能薄膜电池1的工作温度保持在设定区间，同时全天将白天期间所吸收的热量传达至底层所贴合的温差发电柔性薄膜电池从而进行温差发电。本实施例中，钙钛矿太阳能薄膜电池1在白天进行光采集，完成发电。

如此，通过柔性复合相变材料储能层可以吸收钙钛矿太阳能薄膜电池1受太阳辐射所产生的热量，使得钙钛矿太阳能薄膜电池1的温度区间始终位于输出功率为最佳的状态，从而实现对钙钛矿太阳能薄膜电池1的有效控温，并提高钙钛矿太阳能薄膜电池1的光伏发电效率，保障其稳定长久的运行。另外，通过将储存在柔性复合相变材料储能层的热量在夜间进行温差发电，可以弥补光伏电池在夜间无法发电的缺点，同时通过耦合太阳能电池与温差发电柔性薄膜电池，通过电池之间的并联电路，可以提高输出电流，解决传统串联电池输出电流过小的问题。

再次参见图1、图2和图4，本实用新型的光伏热电耦合柔性发电装置可以包括：钙钛矿太阳能薄膜电池1、柔性复合相变材料储能层、温差发电柔性薄膜电池以及外封装壳层。

示例性的，钙钛矿太阳能薄膜电池1可以是介孔钙钛矿型太阳能电池和平面钙钛矿型太阳能电池，其一般可以分为五层结构，分别为电子传输层(ETL)、活性钙钛矿层、HTL、电极和衬底。活性钙钛矿层为光吸收层，起到吸收入射光和转移光照下产生电荷的作用，ETL层与HTL层分别传输电子与空穴，从电极引出连成连通电路即可产生电流。

示例性的，柔性复合相变材料储能层整体可以采用方形漏斗型，并可以划分为柔性复合相变材料储能层顶部2和柔性复合相变材料储能层底部3，其中，柔性复合相变材料储能层顶部2与钙钛矿太阳能薄膜电池1相贴合，可以吸收光伏发电过程产生的热量，储存并传输至柔性复合相变材料储能层底部3。柔性复合相变材料储能层底部3的侧面分别与温差发电柔性薄膜电池中的导电块4贴合，可将储存的热量传输至导电块4。柔性复合相变材料储能层可以起到吸收太阳能电池发电过程中产生的热量的作用，从而有效对装置进行控温，使得钙钛矿太阳能薄膜电池1维持在实现高效率发电的温度，同时作为钙钛矿太阳能薄膜电池1与温差发电柔性薄膜电池之间的热量导通元件。另外，柔性复合相变材料储能层可弯曲且具有一定延展性，可以保留整体电池装置的柔性，强化装置应用性。

具体的，柔性复合相变材料储能层在全天发挥功效，在白天期间吸收上层钙钛矿太阳能薄膜电池1因受光辐照而产生的热量，具有巨大的相变潜热，可将钙钛矿太阳能薄膜电池1的工作温度保持在合适区间，从而提高光伏发电效率，延长其运行寿命；在全天(包括夜间)将白天期间所吸收的热量传达至底层所贴合的导电块4，提高热电薄膜5热面温度，使其与热电薄膜5冷面形成较大温差，从而进行温差发电。

参见图3，温差发电柔性薄膜电池可以包括热电薄膜5、衬底6、导电块4。导电块4分为内围与外围，其中，内围导电块作为热端连接p-n结的导电导热元件，外围导电块作为串联不同对p-n结的导电导热元件。热电薄膜5采用沿导热方向为非恒定截面的热电薄膜5，与对称热电元件相比，其有效塞贝克系数有所加强，这是因为：一方面降低了整体导热性，增加了热电薄膜冷热端的温差；另一方面利用了汤姆逊效应，通过汤姆逊效应与热电元件的固有塞贝克系数相结合可以获得增强的有效塞贝克系数。

具体的，温差发电柔性薄膜电池的工作原理为：内围导电块因接收柔性复合相变材料储能层的热量温度提升，而外围导电块温度与环境温度接近，热电薄膜5冷热端形成较大温差。在温度梯度之下热电薄膜5内部的载流子会向低温度方向扩散，在两端形成塞贝克电压，此时连通电路即可进行发电。

参见图5，在某些实施例中，温差发电柔性薄膜电池与钙钛矿太阳能薄膜电池1之间采用并联的电路连接方式。具体的，一方面采用并联的连接方式可以便于该叠层机构的实现；另一方面在二者电池的正极与正极或负极与负极之间可通过焊锡的方式将其连接起来，不仅保证了该结构的稳定性，也使其电路更加地简化，同时也可获得更高的输出电流。

在某些实施例中，柔性复合相变材料储能层为方形漏斗型，其顶部横截面形状尺寸与钙钛矿太阳能薄膜电池1的形状尺寸相同；底部横截面形状随热电薄膜5p-n结对数进行调整，可以定为四对p-n结，即采用正方形，其边长尺寸应略大于热面导电块长边，约为导电块4长边的1.1倍。

具体的，温差发电柔性薄膜电池含有四对p-n结，每对p-n结热面的导电块4分别与柔性复合相变材料储能层底部3贴合，以接收热量提高热面温度。由于热电薄膜5的低导热系数使得冷面温度与外部环境相似，冷热面形成较大温差，产生塞贝克电压。同时，温差发电柔性薄膜电池含有的4对p-n结通过串联连接。温差发电柔性薄膜电池所制备的热电薄膜5沿导流方向的横截面为变截面。优选的，可以添加多对p-n结以提高温差发电柔性薄膜电池的发电电压。添加多对p-n结时需对所有p-n结的阵列方式进行调整修改，以满足在有限面积下的最大空间利用要求。

在某些实施例中，本发电装置的形状可以是立方体或圆柱体的任一一种。示例性的，若整体装置为立方体，则内部三个组件最大横截面应为方形；若整体装置为圆柱体，则内部三个组件最大横截面应为圆形，以保证优良的封装效果。

综上，本实用新型采用柔性薄膜温差发电器件、柔性复合相变材料，可贴合柔性薄膜钙钛矿太阳能电池的应用特点，同时设计了新结构进行封装，可实现对钙钛矿电池的有效控温，保持整体装置的柔性特点，提高了光伏发电效率，增加运行寿命，并通过在白天利用相变材料进行储热、在夜间进行温差发电弥补光伏电池在夜间无法发电的缺点，同时为了使结构更加地简便，输出电流更大本发明提出了一种新的并联电路连接方式，解决了传统串联电池输出电流过小的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，包括：

钙钛矿太阳能薄膜电池，

柔性复合相变材料储能层，其热连接在所述钙钛矿太阳能薄膜电池的下表面，所述柔性复合相变材料储能层包括上底面大于下底面的四棱台和连接在四棱台的下底面的突出平台；以及，

若干温差发电柔性薄膜电池，每个所述温差发电柔性薄膜电池的热面与突出平台热连接。

2.根据权利要求1所述的光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，还包括将所述钙钛矿太阳能薄膜电池、所述柔性复合相变材料储能层和若干所述温差发电柔性薄膜电池一体封装的外封装壳层。

3.根据权利要求1所述的光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，所述温差发电柔性薄膜电池包括热电薄膜、衬底和导电块，其中，所述热电薄膜沿电传输和热传输方向的纵向截面为变截面，且所述热电薄膜通过所述导电块与突出平台热连接，所述衬底连接在所述热电薄膜的下底面。

4.根据权利要求3所述的光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，所述热电薄膜的横截面为梯形。

5.根据权利要求1所述的光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，所述钙钛矿太阳能薄膜电池与所述温差发电柔性薄膜电池之间对应位置重叠，且所述钙钛矿太阳能薄膜电池与所述温差发电柔性薄膜电池的对应正极及其对应负极区域通过导电金属锡连接，从而构成并联的回路。

6.根据权利要求1所述的光伏热电耦合柔性发电装置，其特征在于，所述柔性复合相变材料储能层的四棱台的上底面的形状尺寸与所述钙钛矿太阳能薄膜电池形状尺寸相同，所述柔性复合相变材料储能层的下底面的突出平台与热电薄膜的p-n结对数相适应，且该突出平台的侧面积大于导电块的面积。

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