TW201344127A - 太陽能光熱系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種太陽能光熱系統，其結合太陽能集熱元件與太陽能電池元件兩者，使太陽能的利用更有效率。
Description
本發明係提供一種太陽能光熱系統，特別是一種具有集光腔室的太陽能集熱元件與具有雙玻太陽能電池元件的整合系統。
太陽能為目前最受歡迎的環保能源。一般而言，太陽能的利用方式主要有兩種，第一種方式是以太陽能集熱器直接吸收太陽光的輻射熱，第二種方式是利用太陽能電池的光伏效應將太陽能轉換為電能。
目前的太陽能集熱器最廣泛的應用為太陽能熱水器，其通常是藉由聚光反射板或真空集熱管將太陽光導向水管，使太陽光的光學能轉換為熱能以加熱管中冷水。
太陽能電池組件通常為玻璃、聚乙烯醋酸乙烯酯(ethylene Vinyl Acetate,EVA)、光電組件及太陽能背板之多層結構，再加上由鋁、鍍鋅鋼板、木材或合成材料(例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯橡膠等)製得的外框、接線盒、導線、蓄電池等周邊構件組合而成。在陽光照射下，太陽能電池元件會藉由光電效應輸出一定之工作電壓及工作電流。然而，由於太陽能電池組件效率有限，有大部分太陽能將被轉換成熱能而累積在太陽能元件中，導致太陽能元件溫度升高，造成太陽能電池元件的故障以及總體輸出功率下降。若能將太陽能電池元件與太陽能集熱器整合，形成太陽能光熱系統，則不但可更有效的利用太
陽能，亦可有效降低太陽能元件所累積的熱能，避免上述問題的產生。此外，將太陽能電池元件與太陽能集熱器整合形成太陽能光熱系統，亦可減少部分材料的使用而產生經濟效益。
本發明即提供一種高效率及高可靠性的太陽能光熱系統。
本發明之一目的為提供一種太陽能光熱系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明玻璃背板及被該透明封裝材料包覆的光電組件，各光電組件間具有足以使光透過的間隔；複數個反光器，其位於太陽能電池組件之透明玻璃背板下方；及一反光板，其位於該太陽能電池組件及該反光器下方，並與兩相鄰之反光器及該透明玻璃背板形成一集光腔室；及一熱交換器，其位於該集光腔室中。
1‧‧‧透明玻璃前蓋
2‧‧‧透明封裝材料
3‧‧‧光電組件
4‧‧‧透明玻璃背板
5‧‧‧熱交換器
6‧‧‧反光器
7‧‧‧反光板
圖1為本發明之太陽能光熱系統的俯視示意圖，其中3為光電組件，5為熱交換器，箭頭為流體流動方向。
圖2為本發明之太陽能光熱系統的剖面示意圖。
圖3至圖5為本發明中長波段光反射層之不同實例的光波長-光穿透率資料圖，其所選用之長波段光反射層分別為銀薄膜/氧化鋅鎵(GZO)薄膜/銀薄膜之多層結構(圖3)、銀薄膜/氧化鋅鎵薄膜/氧化鋅鋁(AZO)薄膜/氧化鋅鎵薄膜/銀薄膜之多層結構(GZO/AZO/GZO)(圖4)、及氧化鋅鎵(GZO)及氧化鋅鋁之重複層結構(GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO)(圖5)。
於本文中，除非特別限定，單數形之用語(例如「一」)亦包括其
複數形。本文中任何及所有實施例及例示性用語(如「例如」)目的僅為了更加突顯本發明，並非針對本發明的範圍構成限制，本案說明書中的用語不應被視為暗示任何未請求的組件可構成實施本發明時的必要組件。
本發明之一目的為提供一種太陽能光熱系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明玻璃背板及該透明封裝材料包覆的光電組件，各光電組件間具有足以使光透過的間隔；複數個反光器，其位於太陽能電池組件之透明玻璃背板下方；及一反光板，其位於該太陽能電池組件及該反光器下方，並與兩相鄰之反光器及該透明玻璃背板形成一集光腔室；及一熱交換器，其位於該集光腔室中。
以下針對本發明之太陽能光熱系統之各部分及技術特徵做進一步的說明。
本發明的太陽能電池組件可為任何種類的太陽能組件。除了前述的前蓋、封裝材料、光電組件、背板外，本發明的太陽能電池元件尚包括外框、接線盒、導線、蓄電池等周邊構件。前述周邊構件均可使用習知的技術製造，故於本案中不再詳述。
本發明之太陽能電池元件所使用的前蓋無特殊限制，通常使用低反射的透明玻璃板，以提供足夠的透光性以及抗壓、抗張及硬度等機械強度，並阻絕水氣進入太陽能電池元件內部。
本發明的太陽能電池元件所使用的封裝材料主要功能為固定太陽能電池的光電組件並對其提供物理上的保護，例如抗衝擊及防止水氣進入等。本發明之太陽能電池元件中的封裝層可使用任何習知的材
料，而目前聚乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene Vinyl Acetate；EVA)為使用最為廣泛的太陽能電池板封裝材料。EVA為一種熱固性樹脂，其固化後具有高透光、耐熱、耐低溫、抗濕、耐候等特性，且其與金屬、玻璃及塑膠均有良好的接著性，又具有一定的彈性、耐衝擊性及熱傳導性，因此為理想的太陽能電池封裝材料。
本發明之太陽能電池元件中的光電組件並無特別限制，可為各種形式的光電組件，例如矽晶光電組件、薄膜光電組件、染料光敏化光電組件等。
本發明的太陽能光熱系統中，應有至少一部份的照射面積不為光電組件所覆蓋，使光線得以透過太陽能電池組件至其底部的集光腔室，進而加熱熱交換器中的流體。光電組件的覆蓋面積比例，可依據如光電組件轉換效率、日照時間、日照強度及電力熱量需求比例等具體實施條件調整。一般來說，覆蓋面積比例介於30%至80%之間均為合適，較佳為40%至60%之間。在一個具體實施例中，本發明的太陽能光熱系統具有如圖1的太陽能電池元件與熱交換器配置。
在本發明的一個具體實施例中，太陽能電池元件中的光電組件可為雙面的光電組件，例如日本SANYO公司的HIT Double®，以充分利用由集光腔室反射向回光電組件的光學能。
因本發明之太陽能電池元件中的背板部分亦同時為集光腔室的頂蓋，故需具備特殊的性質。首先，背板必須是透明的，使光線得以進入集光腔室。其次，因為背板僅靠外框及反光器支撐，其大部分面積為懸空，因此必須具備優異的機械性質。一般來說，合適的背板材料應具有至少約120 MPa的抗壓強度(compressive Strength)、至少約120 MPa的抗彎強度(bending strength)及至少約90 MPa的抗拉強度(tensile strength)。
本發明中的玻璃背板可使用一種新型式的物理鋼化玻璃，其可
藉由氣動加熱及冷卻之處理程式制得。詳言之，此種物理鋼化玻璃可在約600℃至約750℃，較佳為630℃至約700℃的氣動加熱鋼化爐(例如李賽克公司(LiSEC)生產的平板鋼化爐(flatbed tempering furnace))中加熱，再經由例如空氣噴嘴使其急速冷卻而制得。本文中，術語「氣動加熱」是指物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的高溫氣體對物體的傳熱過程。由於以氣動加熱方式鋼化玻璃時，玻璃與鋼化爐不直接接觸，因此不會造成玻璃的變形，而能適用較薄的玻璃。更詳細的物理鋼化玻璃的制法可參考中國專利第201110198526.1號申請案的內容。
至於習知的太陽能電池背板，其多半為聚氟乙烯(例如美國杜邦公司的Tedlar®)，無法達到以上機械性質的要求，因此不適合用於本發明中。
又，一般的玻璃亦無法達到以上機械性質的要求(例如一般玻璃僅有約40 MPa的抗拉強度)，因此無法適用於本發明。此外，一般物理鋼化玻璃雖然可能具有足夠的機械性質，但是為了避免產生變形，其厚度一般來說必須在3毫米以上，此會造成重量的增加，不但造成反光器的承載增加，亦不適合裝設在一般住家屋頂上。又一般化學鋼化玻璃亦可能達到以上機械性質的要求，且較無加工厚度的限制。然而化學鋼化玻璃很容易因為環境因素造成破壞，且有後續塗膜不易、易產生脫膜現象及成本較高之缺點，其使用亦受限制。
本發明的太陽能集熱元件部分是由前述太陽能電池元件的背板、反光器、光反射板所構成的集光腔室以及其中的熱交換器所組成。
集光腔室主要的目的是為了讓入射的太陽光進入後，局限於其中，並藉由散射及反射等機制讓光學能轉為輻射熱並集中於熱交換器
上，以加熱其中的流體。集光腔室的溫度也會比熱交換器中的流體溫度高，因此部分的熱能將經由傳導機制傳入流體中。
本發明的太陽能集熱元件中的反光器及最底層的反光板可使用各種材料製造，例如玻璃或塑膠。上述塑膠材料可由一或多個高分子樹脂層所構成。用以構成上述高分子樹脂層之樹脂之種類並無特殊限制，其例如但不限於聚酯樹脂(polyester resin)，如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)或聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate,PEN)；聚丙烯酸酯樹脂(polyacrylate resin)，如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)；聚烯烴樹脂(polyolefin resin)，如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；聚苯乙烯樹脂(polystyreneresin)；聚環烯烴樹脂(polycycloolefin resin)；聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)；聚碳酸酯樹脂(polycarbonate resin)；聚胺基甲酸酯樹脂(polyurethane resin)；三醋酸纖維素(triacetate cellulose,TAC)；聚乳酸(polylactic acid)；或彼等之混合物。較佳為聚對苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚環烯烴樹脂、三醋酸纖維素、聚乳酸或其混合物。
本發明中的反光器表面形狀亦無特殊限制，然而因為其主要目的是盡可能的將入射光反射至熱交換器上，因此較佳為具有傾斜角度的平面(如三角形的一側邊)、圓弧面或抛物面。
為了增加集光腔室的集熱效率，可於反光器及反光板表面覆上反射層。反光器及反光板上的反射層最主要的功能為反射全波段的光線，因此其材料之種類並無特殊限制，其較佳可為金屬，例如銀、金、鋁或鉻等；亦可使用金屬氧化物或非金屬材料，而諸如TiO2、BaSO4、Teflon等材料因具有白色外觀，可有效的增加光線反射，而成為較佳之材料。可用任何適合的方法將反射層與反光器或反光板結合，例如使用黏著劑將其黏結。當反射層的材料是金屬而反光器或反
光板為玻璃材料時，較佳的方法是利用物理氣相沈積等方法直接將金屬沈積於玻璃基板上，此方法無需使用黏著劑，除了節省制程步驟外，亦可避免黏著劑變質所產生之問題，因此具有較佳的可靠性。
亦可直接使用金屬做為反光器的材料。
同理，為增加集光腔室的集光效果，可於前述太陽能電池組件的背板的背部覆上一層反射層。然而為了使太陽光能順利進入集光腔室中，背板背部的反射層必須能選擇性的反射光線。進一步來說，入射的太陽光以短波段為主，而照射物體後所反射的光則會被轉化為較長波段的光線，因此本發明的太陽能電池組件的背板背部所覆上的最好是以反射長波段為主的反射層。
通常長波段光反射層均為多層結構，其多半由金屬薄膜及透明金屬氧化物薄膜所構成，且可具有以下幾種設計：(1)高反射金屬薄膜層/透明金屬氧化物薄膜層/高反射金屬薄膜層；(2)高反射金屬薄膜層/透明金屬氧化物薄膜層(A)/透明金屬氧化物薄膜層(B)/透明金屬氧化物薄膜層(A)/高反射金屬薄膜層，其中透明金屬氧化物薄膜層A之光折射率大於透明金屬氧化物薄膜層B之光折射率；及(3)不同透明金屬氧化物薄膜層的重複交替多層結構。
適合的高反射金屬有例如銀、金、鋁或鉻等，較佳為銀。適合的透明金屬氧化物有例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦加氧化鈦(ITiO)、氧化銦鉬(IMO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋅鎵銦(IGZO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)、氧化鋅銦(IZO)等，較佳為氧化鋅鎵(GZO)及氧化鋅鋁(AZO)。上述(1)的一具體實例中，長波段光反射層為銀薄膜/氧化鋅鎵薄膜/銀薄膜的多層結構，其光穿透率-波長資料如圖3所示；上述(2)的一具體實例中，長波段光反射層為銀薄膜/氧化鋅鎵(n=2.1)
薄膜/氧化鋅鋁(n=1.9)薄膜/氧化鋅鎵(n=2.1)薄膜/銀薄膜的多層結構，其光穿透率-波長資料如圖4所示。上述(3)的一具體實例中，長波段光反射層為氧化鋅鎵及氧化鋅鋁的重複交替多層結構(GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO/AZO/GZO)，其光穿透率-波長數據如圖5所示。
在每一個集光腔室中應具有至少一個熱交換器以移除腔室裏的熱能。本發明所使用的熱交換器材料並無特殊限制，其可為例如銅、不銹鋼等導熱材質。熱交換器的種類亦無限制，可使用例如列管熱交換器或螺旋管熱交換器。熱交換器上可塗布或覆上深色的吸熱材料，以增加傳熱的效率。
熱交換器中的流體可為任何適合的流體，較佳為比熱較大的液體，例如水，但不排除氣體的使用。
在一個具體實施例中，本發明的太陽能光熱系統可具有如圖2的剖面配置，其中1為透明玻璃前蓋，2為透明封裝材料，3為光電組件，4為透明玻璃背板，5為熱交換器，6為反光器且7為反光板，6及7所圍成的空間形成一集光腔室。
1‧‧‧透明玻璃前蓋
2‧‧‧透明封裝材料
3‧‧‧光電組件
4‧‧‧透明玻璃背板
5‧‧‧熱交換器
6‧‧‧反光器
7‧‧‧反光板
Claims (11)
- 一種太陽能光熱系統，其包含：一太陽能電池組件，其包含透明玻璃前蓋、透明封裝材料、透明玻璃背板及被該透明封裝材料包覆的光電組件；複數個反光器，其位於太陽能電池組件之透明玻璃背板下方；及一反光板，其位於該太陽能電池組件及該反光器下方，並與兩相鄰之反光器及該之透明玻璃背板形成一集光腔室；及一熱交換器，其位於該集光腔室中。
- 如請求項1之太陽能光熱系統，其中該透明玻璃背板為物理鋼化玻璃。
- 如請求項2之太陽能光熱系統，其中該物理鋼化玻璃具有約120 MPa至約300 MPa的抗壓強度、約120 MPa至約300 MPa的抗彎強度及約90 MPa至約180 MPa的抗拉強度。
- 如請求項1之太陽能光熱系統，其中該透明玻璃背板朝該集光腔室之表面上覆有一長波段光反射層。
- 如請求項4之太陽能光熱系統，其中該長波段光反射層為高反射金屬薄膜/透明金屬氧化物薄膜/高反射金屬薄膜多層結構。
- 如請求項5之太陽能光熱系統，其中該高反射金屬薄膜為銀薄膜，且該透明金屬氧化物薄膜為氧化鋅薄膜。
- 如請求項4之太陽能光熱系統，其中該長波段光反射層為高反射金屬薄膜/透明金屬氧化物薄膜(A)/透明金屬氧化物薄膜(B)/透明金屬氧化物薄膜(A)/高反射金屬薄膜多層結構，其中透明金屬氧化物薄膜(A)的光折射率大於透明金屬氧化物薄膜(B)的光折射率。
- 如請求項7之太陽能光熱系統，其中該長波段光反射層高反射金屬薄膜為銀，該透明金屬氧化物薄膜(A)為氧化鋅鎵薄膜，且該透明金屬氧化物薄膜(B)為氧化鋅鋁薄膜。
- 如請求項4之太陽能光熱系統，其中該長波段光反射層是直接以沈積方式與該透明玻璃背板結合。
- 如請求項1之太陽能光熱系統，其中該反光板或該反光器或兩者朝集光腔室之表面上覆有反射層。
- 如請求項10之太陽能光熱系統，其中該反射層為選自銀、金、鋁或鉻的金屬材料或選自TiO2、BaSO4或Teflon的金屬氧化物或非金屬材料。
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