一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統及其應用的製作方法

2023-06-06 20:26:56

一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統，包括：設置於器件受光面的利用中、短波光(400-1100納米)發電的光伏發電單元，以及設置於器件背光面的利用400-1100納米波長以外的陽光發電的光熱發電單元。光伏發電單元中光伏組件具有散熱和集熱的功能，使光伏組件維持在一個比較低的溫度，減少功率損失；同時與其集成的散熱管將收集的熱量傳導出去並存儲起來，再利用這部分存儲的熱量繼續發電。提高了光伏系統本身的發電量也增加了由熱效應產生的發電，從而提升整個系統的發電率。
【專利說明】一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統及其應用

【技術領域】
[0001]本發明屬於光伏電池【技術領域】，特別涉及一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統及其應用。

【背景技術】
[0002]光是地球上一種最普遍最重要的能量來源，光作為一種能量的載體，光的波長特性和粒子特性是光最主要的兩種直接的能量傳播和存在形式。光的能量可以以不同的方式或形式被利用，比如我們常用的化石燃料是最普遍的的間接利光能的方式，太陽能發電和風力則是直接利用光能的方式。太陽能發電包括直接利用光的粒子特性的光伏發電和同時間接利用光的波長特性的光熱發電。
[0003]光伏電池是一種基於量子效應或光生伏打效應製成的半導體器件，主要是指特定波長或特定頻率的光子在通過器件PN結的時候，使器件內部的原子外層的電子躍迀，在外部迴路連通的情況下，在外部迴路中形成電流。
[0004]眾所周知，光具有波粒二重性，可以理解為光的波長決定了每個光子的能量，對於光伏器件來說，只有具有一定能量的光子，也就是具有特定波長(通常是波可見光波段)的光子才能使原子的外層電子激發躍迀，產生電子空穴對，我們將其稱為光子的能量閾值，每個高於能量閾值的光子只能產生一對電子空穴對，而低於此閾值的光子尤其是長波段的光則不能被有效利用，只能以熱的形式被浪費掉，或直接穿過電池損失掉。
[0005]傳統的單結晶體娃太陽能電池只能有效利用波長範圍在400nm-900nm的太陽能，其餘的紫外光和紅外光都不能有效地吸收，這就極大地限制了晶體矽太陽能電池的效率。
[0006]近年來，隨著光伏器件結構和工藝的不斷優化，對於短波段光的利用已經有了較大的提高，但是對於長波段的光的利用仍然沒有比較有效的方案。
[0007]另外，長波段的紅外光不能得到有效利用的另一後果是，它會快速提升電池模組的溫度，光伏電池的最佳工作溫度是在25度，溫度每升高I度，組件的最大輸出功率會降低0.4% -0.5%，在溫度比較高的時候，比如夏季或溫度較高的南方或赤道地帶，光伏模組的表面溫度會升高到將近80-100度，光伏器件輸出功率會大幅降低10% -20%左右。
[0008]長波段光的有效利用對於光伏發電來說至關重要，例如現有技術CN103531711A和CN103531712A通過波長選擇的材料配置使得全波長可以用於發電，但是所選擇材料價格昂貴，耐用性差，長波長利用率仍難以達到滿意的效果。
[0009]所以，如何實現大幅提高光伏器件本身的轉換效率，限制光伏器件本身的溫度升高而增加器件的功率輸出，仍是本領域需要解決的技術難題。


【發明內容】

[0010]本發明提供了一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統，包括兩大功能單元，一是位於器件受光面的主要利用中、短波長(400-1100納米)的光直接發電的光伏發電單元；二是部分位於器件背光面光熱發電單元，它主要是利用來自器件本身的熱量或從周圍環境吸收的熱量進行光熱發電，其中器件本身熱量來源形式主要有:光波中400-1100納米波長以外的陽光直接輻射能量，以及被吸收的但超出了能量吸收閾值以外的能量等。
[0011]具體地，一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統，包括:設置於器件受光面的利用利用400-1100納米波長的陽光發電的光伏發電單元，以及設置於器件背光面的利用400-1100納米波長以外陽光發電的光熱發電單元。
[0012]上述光伏發電單元，主要由光伏組件陣列組成，所述光伏組件可以是常規晶體矽光伏組件、非晶矽薄膜組件等其他類型的光伏發電組件，其中電池單元面向陽光，將接受到的陽光中能量達到激發閾值的光子直接轉化成電能，而其他能量達不到閾值的長波段光子和達到閾值的光子經過量子激發之後的剩餘能量則通過熱的形式輻射到周圍空間或傳導至器件背面、或保存在器件內部。
[0013]兩種發電單元相互集成，又各自相對獨立，能夠各自發揮本單元的發電功能和其他功能，共同為系統增效，提高整個系統的發電效率和發電量。
[0014]上述光熱發電單元，主要包括集熱器、導熱器、蓄熱器和發電模塊組成，依次連接。每個光伏組件的背面與集熱器連接。
[0015]上述集熱器是一種集成或封裝於電池組件內部或背部的一根以上的片式或帶狀導熱管，用於採集組件內部產生或聚集的過多熱量，並將其快速、高效地傳導至導熱單元，且能夠用於為光伏組件本身降溫。
[0016]上述導熱器由一根以上的圓形導熱管組成，與前述集熱器相連，每根導熱管可同時串接若干塊光伏組件，位於組件的兩端或一端，具體串接數量由整個系統設計容量、光伏組件的安裝結構、熱管的性能等因素而定。導熱管用於將前述集熱器採集的熱量匯集並快速、高效地傳導至儲熱器。
[0017]所述集熱器和導熱管為銅質或鋁質材料製成，其內部中空，內部傳熱介質為甲醇、丙酮、水等中的一種以上的物質。
[0018]蓄熱器是一種熱量存儲裝置，一方面用於吸收導熱管傳導來的熱量；另一方面作為導熱管的冷卻端，維持熱傳導的循環，提高整個系統的降溫、熱採集性能。所述蓄熱器具有儲存熱交換器交換的熱量並具有延長保溫的功能。蓄熱器中存儲的熱量可以被用來直接或間接地發電。
[0019]本發明另一優選方案為上述蓄熱器上集成有發電模塊，優選為一套半導體溫差發電單元，可以利用蓄熱器中熱能與周圍環境溫差直接進行發電，此處溫差範圍為10-100攝氏度。或者與其他熱發模塊相連，利用蓄熱器中儲存的熱能直接或間接轉化為電能，從而實現對光伏組件降溫集熱、蓄熱發電的系統發電功能。對陽光中的能量充分利用，使得整個系統的發電量大幅提升。
[0020]上述蓄熱器吸收熱管中的熱量，蓄熱器連接溫差發電單元，用於發電；並連接溫差發電單元冷源，為導熱管降溫，優選溫差發電單元冷源為水箱，可為用戶提供了生活熱水。
[0021]所述發電單元直接發電，直接發電的方式可以為利用熱輻射的溫差發電方式。或者所述發電單元間接發電，間接發電的方式為通過控制存儲的熱量的釋放和運行方式，帶動汽輪機或外部加熱的斯特林發電發電機通過做功發電。
[0022]上述各部件的材料均為現有材料，可通過市售獲得，但是屬於其他領域，在光伏領域尚無普遍應用案例。
[0023]本發明相對於現有技術的有益效果包括:
[0024]I)本發明太陽能發電系統，能夠有效利用太陽光中整個波段的能量或熱量直接發電，尤其是可以利用長波段的紅外光，提高太陽光發電的轉換率，增加光伏器件的輸出功率，這是與常規太陽能組件最大的不同之處。
[0025]2)本發明太陽能發電系統主要由光伏發電系統和蓄熱溫差發電系統組成，白天陽光充足時光伏發電系統直接發電；當蓄熱器中水溫達到一定溫度時，溫差發電系統開始發電，尤其是在夜間無陽光的情況下，溫差熱發電單元仍可發電。
[0026]3)本發明太陽能發電系統的溫差熱發電系統為光伏發電系統提供了散熱降溫的效果，利用高效散熱和集熱器件，維持或降低光伏器件的溫度不高於一定的值，降低過高的溫度對光伏器件輸出功率的影響，也增加了光伏器件的發電量。
[0027]4)本太陽能發電系統在提高整個系統發電量的同時，蓄熱器也可為用戶提供了生活熱水，大大增加了用戶生活的便捷性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發明太陽能發電系統背面圖；
[0029]圖2是本發明太陽能發電系統構造圖；
[0030]其中，1-光伏組件(光伏發電單元);2_集熱器；3_導熱管；4_熱交換器或蓄熱器；5_溫差發電單元；6_溫差發電單元冷源。

【具體實施方式】
[0031]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明:
[0032]本發明優選實施方案:本太陽能發電系統的實施主要有以下步驟，如圖1和圖2所示:
[0033]步驟一:製備具有集熱器的光伏組件
[0034]一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統，其特徵在於，包括:設置於器件受光面的利用中、短波光發電的光伏發電單元，以及設置於器件背光面的利用長波段紅外光發電的光熱發電單元。
[0035]所述光伏發電單元，主要由光伏組件陣列組成，所述光伏組件由非晶矽電池單元組成，其中電池單元面向陽光，將接受到的陽光中能量達到激發閾值的光子直接轉化成電會K
[0036]而其他能量達不到閾值的長波段光子和達到閾值的光子經過量子激發之後的剩餘能量傳遞到光熱發電單元，主要包括集熱器、導熱器、蓄熱器和發電模塊組成。每個光伏組件的背面與集熱器連接。
[0037]選取3根規格10mm (寬)*1600mm (長)*5mm (厚)，熱導率高的銷質帶狀導熱管構成集熱器。集熱器直接粘結與光伏組件的背面。帶狀鋁質熱管通過導熱粘結膠與光伏組件背面粘結，要求粘結緊密，防水防潮防滲。(本發明另一實施方式在組件層壓工序直接層壓鑲嵌於組件背面)。
[0038]在光伏組件鋁邊框的一端的兩頭開孔，便於後續導熱管組成的導熱器的穿裝。
[0039]步驟二:蓄熱器的安裝
[0040]蓄熱器採用水箱蓄熱，預製水箱尺寸為100mm(長)*600mm(寬)*600mm(高)，安裝在水箱架上，水箱架高於組件項端500mm。水箱靠近上部中間位置留有導熱管通道。
[0041]步驟三:溫差發電單元的安裝
[0042]在水箱下部底面均勻區域，用高效率導熱膠粘結有溫差發電單元陣列，其端與蓄熱器表面相接。溫差發電單元採用市售的40mm(長)*40mm(寬)*5mm(厚)的半導體溫差發電片，其發電功率在5W-10W每塊。並將其串聯相接後將接頭導線引出。
[0043]同時將溫差發電單元的冷端與冷源連接，冷源採用溫度不超過30度的常溫水箱。將發電片的冷端與冷源水箱用導熱膠粘結。
[0044]步驟四:系統組裝
[0045]用導熱管將系統連接。
[0046]首先用導熱管將所有光伏組件串接，導熱管穿過組件鋁邊框兩端的預留孔，並將導熱管與集熱器用導熱膠粘結，同時用密封矽膠密封所有接縫位置。
[0047]將導熱管通過蓄熱器上端的通孔穿入其內部，並蓄水至水箱高度的500mm處，同時加蓋密封。
[0048]步驟五:將光伏發電系統引出線和溫差發電引出線相串聯，一併接入逆變系統，並與電網或負載相接。
[0049]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種多功能全天侯全波段太陽能發電系統，其特徵在於，包括:設置於器件受光面的利用利用400-1100納米波長的陽光發電的光伏發電單元，以及設置於器件背光面的利用400-1100納米波長以外陽光發電的光熱發電單元。
2.根據權利要求1所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述發電單元由光伏組件陣列組成，所述光伏組件所述光伏組件由非晶矽、或薄膜電池、或化合物材料的電池單元組成。
3.根據權利要求1或2所述的太陽能發電系統，其特徵在於，光熱發電單元包括:集熱器、導熱管、熱交換器、蓄熱器和熱發電模塊，依次連接。
4.根據權利要求3所述的太陽能發電系統，其特徵在於，每個光伏組件的背面與集熱器連接。
5.根據權利要求3所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述集熱器和導熱管為銅質或鋁質材料製成，其內部中空，內部傳熱介質為甲醇、丙酮、水中一種以上的物質。
6.根據權利要求2所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述熱交換器吸收熱管中的熱量，連接發電單元，所述發電單元包括溫差發電單元和溫差發電單元冷源。
7.根據權利要求2所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述蓄熱器具有儲存熱交換器交換的熱量並具有延長保溫的功能。
8.根據權利要求6所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述發電單元直接發電，直接發電的方式為利用熱輻射的溫差發電方式。
9.根據權利要求6所述的太陽能發電系統，其特徵在於，所述發電單元間接發電，間接發電的方式為通過控制存儲的熱量的釋放和運行方式，帶動汽輪機或外部加熱的斯特林發電發電機通過做功發電。
【文檔編號】H02S10/30GK104467629SQ201410650768
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】萬衛東, 武宇濤 申請人:萬衛東, 武宇濤