一種真空玻璃管太陽能光伏發電器件及方法

2023-04-29 21:00:41

專利名稱：一種真空玻璃管太陽能光伏發電器件及方法
技術領域：
本發明涉及太陽能的利用，將太陽能轉化為電能的器件，特別是採樣真空玻璃管 進行太陽能光伏發電以及光熱綜合利用。
背景技術：
太陽能成熟的應用技術為太陽能的低溫熱水利用，主要採用真空玻璃管技術將太 陽能轉化為熱能，在此種技術上，有採用將熱管插入到真空玻璃管內部將熱量傳遞到外部 獲得太陽能的技術，以及在真空玻璃基礎上進一步的完善而開發的各種器件，其中真空玻 璃管中設置有真空層進行保溫，在真空層的內部設置選擇性塗層對太陽能進行吸收轉化， 雖然真空玻璃層很好的實現了保溫，選擇性塗層很好的實現了太陽能的轉化，但是，其轉化 後的熱能利用起來很不經濟，如採用現有的方法將水直接流入到真空玻璃管內部直接進行 換熱，但到了冬季就無法使用，雖然採用熱管技術在冬季實現了傳熱，但增加了成本、降低 了熱能的利用率，目前這種技術應用於低溫的熱水應用，而無法實現太陽能的中高溫的應 用，如太陽能熱電的應用；現有的技術太陽能中高溫的發電技術，主要是採用塔式、槽式、及蝶式，槽式太陽 能是已經商業化的太陽能光熱轉換器件，主要採用外不為玻璃管，內部為不鏽鋼金屬管，內 部抽真空，實現太陽能的採集；但是該種吸收器價格高，只有少數的企業可以掌握其生產技 術；同時蝶式太陽能與塔式太陽能應用的主要技術難題也在於光熱轉化太陽能轉換器件， 特別是塔式太陽能，主要由於光熱轉換器需要在600-1500度的區間進行工作，由於高溫所 採用的金屬器件無法長時穩定的工作，因而塔式的太陽能電站就無法長期的進行工作，因 而需要對高溫的太陽能光熱轉換器件改進。真空玻璃管為一個拉長的暖水瓶單，雙層的真空玻璃管內部被抽為真空，在其夾 層內部設置有太陽能光熱轉換塗層，但是這種技術主要是太陽能轉換為熱能，沒有將此應 用於太陽能轉換為電能。隨著太陽能鏡技術的發展，可以採用普通的光學鏡或菲涅爾光學鏡對太陽能進行 收集，但是，有太陽能鏡技術將太陽能進行收集後，將產生很高的熱流密度，採用普通的傳 熱材料進行轉換將無法實現高熱流密度的熱能的傳遞，因而需要一種新型的材料實現耐溫 與高效。現有的太陽能光電轉換器件為單晶矽、多晶矽、以及薄膜電池三大類型，在一種平 面的金屬、非金屬的平面基板上加工上一種太陽能光電轉換塗層，將太陽能轉換為電能，平 面基板可以彎曲的薄膜而成為薄膜電池，塗層主要採樣單晶矽、對晶矽以及薄膜的非晶矽 電池。但目前太陽能電池用矽材料大多來自半導體矽材料的外品和單晶矽的頭尾料，不能 滿足光伏工業發展的需要。同時矽材料正是構成晶體矽太陽能電池組件成本中很難降低的 部分，因此為了適應太陽能電池高效率、低成本、大規模生產發展的需要，最有效的辦法是 不採用由矽原料、矽錠、矽片到太陽能電池的工藝路線，而採用直接由原材料到太陽能電池 的工藝路線。從原理上講，幾μ m厚就可以吸收大部分的能量，但實際多晶矽薄膜的厚度一
4般是50 μ m。正因為如此，人們研製了薄膜型太陽能電池，太陽能電池的薄膜化是以降低地 面用太陽能電池製作成本和節省昂貴的半導體電池結構材料為目的的。為了從機械強度上 支撐電池薄膜活性層，就需要襯底。當然，襯底材料也應該是便宜的。所以，在大部分的實 例中，襯底都不是半導體材料。在襯底上形成的半導體薄膜是多晶體或非晶體，而不必是單 晶體。襯底上的半導體薄膜，可以通過各種途徑形成物理的和化學的生長法以及把襯底在 熔融半導體材料中浸漬等方法。薄膜電池的轉換結構與單晶電池的結構一樣，有p-n結型、 肖特基型、MIS型及異質結型等。但是現有的太陽能光電轉換的電池，將太陽能光電轉化材料加工在一個襯底材料 上後在外部增加玻璃等封裝，同時由於沒有進一步的溫度控制器件，使得光伏電池在使用 過程中受溫度的影響，通常的電池在中午時的發電效率反而降低，如果增加溫控裝置又增 加了太陽能電池板的成本，同時也不能實現光伏光熱綜合利用，僅可以將太陽能電池板採 集電能，不能同時提供點能和熱能，影響太陽能的綜合利用效率。

發明內容
本發明的目的就是提供一種太陽能真空玻璃管光電轉化器件，在真空玻璃管的真 空層內設置加工上太陽能光電轉換材料，將太陽能轉換為電能，將密閉後可以直接使用了， 不需要再對其進行封裝，降低了現有的太陽能光電轉換材料的成本；同時可以在真空玻璃 管透光器件的腔體內部設置流體或熱管實現對太陽能光電轉換材料的溫度的控制，使其始 終保持高效的轉換效率，其熱能通過流體或熱管進行傳遞後加以綜合利用，從而實現太陽 能發電、溫控、提高太陽能轉換效率、太陽能熱利用綜合一體化的利用。為了提高太陽能利用效率，在器件的外部還設置有太陽能鏡，將太陽能進行反射、 折射、投射等聚焦，以提高效率，為了減少熱損，在器件的外部增加了保溫層。本發明的另外一個目的是提供一種太陽能真空玻璃管光電轉化方法，在真空玻璃 管的真空層內設置加工上太陽能光電轉換材料，將太陽能轉換為電能，將密閉後可以直接 使用了。具體發明內容如下一種真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是至少包括一個真空玻璃管，在真 空玻璃管的真空層內設置有一個太陽能光電轉換塗層，將太陽能轉化為電能。真空玻璃管為含有至少一個開口的腔體盲管或兩端開口的直通管，腔體的形狀為 圓柱、球形、橢圓形、多面體的一種或多種，或腔體沿著一個軸線旋轉而成的至少一端開口 的腔體任何將太陽能轉換為熱能的塗層材料適合於本發明的要求，太陽能光電轉換塗層 加工在真空玻璃管真空部分上的外管的內壁或內管的外壁上的至少一部分表面上，優選為 加工在太陽光可以照射的區域。優選的太陽能光電轉換塗層選擇下列至少一種A、單晶矽塗層；B、多晶矽塗層；C、非晶矽薄膜塗層；D、晶矽薄膜塗層。
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將所述太陽能光電轉換塗層分割為多個區域，每個區域內為一個獨立的太陽能轉 換塗層單元，每個單元上設置有正負極電導線，多個單元的正負極相互連接，構成單元的太 陽能光電轉換器。在真空玻璃管的內部和/或外部還設置有換熱器件和/或換熱流體。換熱器件選擇自下列一種A、金屬、非金屬、金屬和非金屬複合管件；B、熱管的蒸發端。真空玻璃管為盲管型和直通管型，含有一個開口的真空玻璃管部件，其一端為真 空玻璃管，另一端開口，其內部插入金屬管，金屬管為真空玻璃管或設置有進口和出口的金 屬管，流體從金屬管的真空玻璃管或從金屬管的進口和出口流出，或者含有一個開口的真 空玻璃管部件，其一端為真空玻璃管，另一端開口，其內部插入熱管，熱管的蒸發端設置在 器件的內部，冷凝端設置在真空玻璃管管的外部，熱管與器件緊密連接。所述的流體為液體、氣體、固液混合物、氣液混合物、氣液固混合物中的一種或多 種。任何種類的結構，主要符合換熱的要求，都可以用於進行換熱，通常換熱部件的熱 管為至少下列一種熱管A、普通熱管；B、整體熱管；C、分離式循環熱管；D、可連接熱管；F、脈衝熱管；針對不同的溫度區間，可以採用不同的連接方式，換熱器與真空玻璃管的連接方 式採用下列一種A、過度材料連接，包括可伐合金連接、金屬或陶瓷的過度材料；B、內或外波紋管連接；C、非金屬軟連接，包括採用橡膠膠圈、密封墊、矽膠圈、軟木塞。因而針對不同的應用溫度，可以採用適合的封閉方式，通常真空玻璃管與換熱器 構成下列器件之一A、真空器件；通過抽真空或加熱排氣使得真空玻璃管與換熱器件構成一個密閉腔 體，內部可以保持真空度。B、非真空期間；真空玻璃管與換熱器件非真空密閉，氣體可以進入或排出；C、半真空期間；真空玻璃管與換熱器件構成一個密閉腔體，但是不是採用真空密 閉，隨著使用內部的真空度將逐漸降低。經過抽真空或填充惰性氣體、保護氣體後，將開口端進行密閉，密閉端可以使導線 或換熱器穿過。在真空玻璃管外部、真空玻璃管與換熱器件之間或/和在真空玻璃管的外部設置 有太陽能鏡；在真空玻璃管外部採用投射的各種太陽能鏡將太陽光射入到腔體的內部，優 選採用菲涅爾透鏡；真空玻璃管與換熱器件之間的器件，優選採用反射或折射的太陽鏡，將 進入到腔體的太陽光聚焦到換熱器件上；對於在真空玻璃管的外部可以設置反射或透射鏡，實現聚焦或者二次聚焦，即首先採用一種太陽能鏡進行聚焦，如果需要再進行二次聚焦 或多次聚焦，直到複合設計要求；對於高溫的太陽能利用，輻射換熱將成為關鍵換熱，因而 需要增加反輻射的太陽能鏡，如可以採用低價的錫箔實現反輻射換熱；無論採用哪種方式， 只要可以將太陽光進行透射、反射、折射後聚焦於真空玻璃管上，都是本發明可以採用的方 法，太陽能鏡選自下列一種或其組合A、複合拋物面反射鏡；B、菲涅爾鏡，包括透鏡或反射鏡；C、凹、凸透鏡；D、盤式拋物面反射鏡；E、柱、槽狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。在真空玻璃管或換熱器件的太陽光不能照射到的部位上還是設置有保溫材料，以 便於減少熱損，根據不同的應用溫度，可以採用不同的保溫方式，對於高溫應用，首先需要 石棉、纖維、水泥等實現高溫的保溫，然後還需要低溫的聚氨酯、聚苯材料等保溫材料，通常 可以採用至少選擇下列一種或多種的組合材料A、含有真空層的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥；D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料；E、保溫塗料；可以採用任何形狀實現本發明的目的，但是真空玻璃管及換熱部件的形狀通常可 以為圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形、帶有凹或凸孔的多面體的一種或多種，圓柱的器件 適合於線聚焦的太陽能採集，如真空玻璃管、或內外部都是真空玻璃管管的器件，球形、橢 圓形、多面體、扇形；以及帶有凹或凸孔的圓柱、球形、橢圓形、多面體、扇形適合於蝶式及塔 式太陽能的採集及利用，可以根據不同的太陽採集，採用不同的形狀；帶有凹或凸孔的圓柱 用於增加太陽能的利用效率。發明的有益之處1、通過一體化的設計，使得太陽能塗層可以直接的被加工在真空玻璃管上，通過 直接封裝後進行使用，進少了封裝環節，從而減少了整體的成本。2、通過一體化的設計可以實現光伏和光熱綜合應用，提高了太陽能整體的應用效 率，降低了太陽能應用的成本；3、通過一個器件，實現了光伏和光熱採集，實現了光伏和光熱的一體化的設計，減 少了成本；4、採樣石英器件，增加了綜合利用效率，降低了成本。


圖1 真空玻璃管內塗層太陽能光電轉化器圖2 真空玻璃管外塗層太陽能光電轉化器
圖3 六邊形真空玻璃管光電轉化器圖4 半圓形真空玻璃管光電轉化器圖中標號具體說明如下1 真空玻璃管，2 換熱器件，3 太陽能光電轉化塗層，4 連接方式，5 開口端，6 盲端，7 外部腔體，8 太陽能透鏡，9 太陽能反射鏡，10 保溫材料，11 真空層。
具體實施例方式實施例一真空玻璃管內塗層太陽能光電轉化器按照圖1所示，真空玻璃管的真空層的內部殼體的外表面上加工上太陽能光電塗 層(3)，真空玻璃管為透光性好的白玻璃，太陽能光透過白玻璃照射到內部的塗層從而將太 陽能轉換為電能。可以將器件直接使用，也可以通過開口端(5)設置一種流體，流體將真空玻璃管 內部的熱能傳遞到外部，實現對器件的溫度控制以及熱能的採集。實施例二 真空玻璃管外塗層太陽能光電轉化器按照圖2所示，真空玻璃管的真空層的外部殼體的內表面上加工上太陽能光電塗 層(3)，真空玻璃管為透光性好的白玻璃，太陽能光透過白玻璃照射到內部的塗層從而將太 陽能轉換為電能。熱管(2)的蒸發端設置在真空玻璃管的腔體內部，熱管通過連接結構(4)與真空 玻璃管進行連接，冷凝端設置在真空玻璃管的外部；對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的太 陽能採集，對於中溫的應用，可以採用槽式線聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以採 用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；這樣對於任何需要的工作溫度，都可以採用真空玻璃管 實現太陽能轉換為電能，採樣熱管實現溫度的控制以及熱能的採集，從而可以實現光電與 光熱的綜合利用。實施例三六邊形真空玻璃管光電轉化器按照圖3所示，在圓柱體的真空玻璃管(1)的外部還設置有為六邊形外部腔體 (7)，在真空玻璃管的太陽光入射部位設置有太陽能透鏡(8)，真空玻璃管上的換熱器(2) 是不鏽鋼的圓柱體器件，在真空玻璃管真空層上設置有太陽能轉換為電能的塗層，玻璃基 板上的矽層的特性為P+層10飽 40飽厚，電阻率2 3 ？ 0-8歐姆釐米；ρ層8飽 10飽，電阻率0. 2 2歐姆釐米；η+層0. 2飽 0. 4飽厚，電阻率1 2 ？ 0-3歐姆釐米； 玻璃基板被分為3cm ？ cm的多個區域。換熱器件設置在真空玻璃管的內部，同時在換熱器件上設置有進口(5)和出口 (5)，流體從進口進入，從出口流出；對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的太陽能採集，對於 中溫的應用，可以採用槽式線聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以採用蝶式或塔式的 太陽能跟蹤技術；但是無論何種應用，通過流體的換熱作用，始終保持將太陽能光電轉換塗 層的溫度控制在60度以下。這樣可以實現光伏與光熱的綜合利用。實施例四半圓形真空玻璃管光電轉化器按照圖4所示為截面側視圖，真空玻璃管的真空層中加工上單晶矽，並將其(1)設 置在一個更大的金屬半圓形器件的內部，在金屬半圓器件上設置有太陽能透鏡(8)，可以使 太陽能光入射到腔體內(7)，在腔體內部與真空玻璃管外部設置有太陽能反射鏡(9)，採用
8錫箔實現對輻射的反射，特別是是實現高溫的太陽能採集時，需要針對輻射換熱進行特別 的反射處理；在真空玻璃管的太陽光不能照射的部位設置有保溫材料(10)，內部的換熱器 (2)是一個熱管，熱管的蒸發端設置在真空玻璃管的內部，冷凝端設置在熱管器件的外部， 太陽能轉換為電能的塗層(3)設置在真空玻璃管的外部殼體上，熱管器件與真空玻璃管通 過連接結構(4)進行連接。 對於低溫的應用，可以採用非跟蹤的太陽能採集，對於中溫的應用，可以採用槽式 線聚焦的太陽能採集，對於高溫的應用，可以採用蝶式或塔式的太陽能跟蹤技術；本結構特 別適合於塔式及蝶式的太陽能採集，對於高溫的太陽能利用更具備高效率和低成本；這樣 對於任何需要的工作溫度，都可以實現太陽能的光伏與光熱的採集和利用。
權利要求
一種真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是至少包括一個真空玻璃管，在真空玻璃管的真空層內設置有一個太陽能光電轉換塗層，將太陽能轉化為電能。
2.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是真空玻璃管為 含有至少一個開口的腔體盲管或兩端開口的直通管，腔體的形狀為圓柱、球形、橢圓形、多 面體的一種或多種，或腔體沿著一個軸線旋轉而成的至少一端開口的腔體。
3.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是太陽能光電轉 換塗層加工在真空玻璃管真空部分上的外管的內壁或內管的外壁上的至少一部分表面上， 優選為加工在太陽光可以照射的區域。
4.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是太陽能光電轉 換塗層選擇下列至少一種A、單晶矽塗層；B、多晶矽塗層；C、非晶矽薄膜塗層；D、晶矽薄膜塗層。
5.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是將所述太陽能 光電轉換塗層分割為多個區域，每個區域內為一個獨立的太陽能轉換塗層單元，每個單元 上設置有正負極電導線，多個單元的正負極相互連接，構成單元的太陽能光電轉換器。
6.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是在真空玻璃管 的內部還設置有換熱器件和/或換熱流體，換熱器件選擇自下列一種A、金屬、非金屬、金屬和非金屬複合管件；B、熱管的蒸發端。
7.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是換熱器與真空 玻璃管的連接方式採用下列一種A、過度材料連接，包括可伐合金、金屬或陶瓷的過度材料；B、內或外波紋管連接；C、非金屬軟連接，包括採用橡膠膠圈、密封墊、矽膠圈、軟木塞。
8.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是在真空玻璃管 外部、真空玻璃管與換熱器件之間或/和在真空玻璃管的外部設置有太陽能鏡，將太陽光 進行反射、透射、折射後聚焦於石英盲管上，太陽能鏡選自下列一種或其組合A、複合拋物面反射鏡；B、菲涅爾鏡，包括透鏡或反射鏡；C、凹、凸透鏡；D、盤式拋物面反射鏡；E、柱、槽狀拋物面反射鏡；F、平面反射鏡；G、對熱輻射進行反射的材料，包括錫箔。
9.根據權利要求1所述的真空玻璃管太陽能光伏發電器件，其特徵是在真空玻璃管 或換熱器件的太陽光不能照射到的部位上還是設置有保溫材料，為至少選擇下列一種或多 種的組合材料A、含有真空層的金屬或非金屬材料；B、石棉、纖維保溫材料；C、保溫水泥；D、聚氨酯、聚苯材料、塑料、尼龍保溫材料；E、保溫塗料。
10. 一種真空玻璃管太陽能光伏發電方法，其特徵是至少包括一個真空玻璃管，在真 空玻璃管的真空層內設置有一個太陽能光電轉換塗層，將太陽能轉化為電能。
全文摘要
本發明的目的就是提供一種太陽能真空玻璃管光電轉化器件，在真空玻璃管的真空層內設置加工上太陽能光電轉換材料，將太陽能轉換為電能，將密閉後可以直接使用了，不需要再對其進行封裝，降低了現有的太陽能光電轉換材料的成本；同時可以在真空玻璃管透光器件的腔體內部設置流體或熱管實現對太陽能光電轉換材料的溫度的控制，使其始終保持高效的轉換效率，其熱能通過流體或熱管進行傳遞後加以綜合利用，從而實現太陽能發電、溫控、提高太陽能轉換效率、太陽能熱利用綜合一體化的利用。為了提高太陽能利用效率，在器件的外部還設置有太陽能鏡，將太陽能進行反射、折射、投射等聚焦，以提高效率，為了減少熱損，在器件的外部增加了保溫層。
文檔編號H01L31/058GK101902164SQ20091030272
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月28日 優先權日2009年5月28日
發明者李建民 申請人:北京智慧劍科技發展有限責任公司