液冷太陽能光伏轉換方法和使用該方法的發電裝置的製作方法
2023-06-09 19:18:26
專利名稱：液冷太陽能光伏轉換方法和使用該方法的發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能光伏轉換方法和使用該方法的發電裝置。
太陽能光伏發電具有無汙染、來源廣泛、設備維護簡單、使用壽命長等突出特點。但是由於實現光電轉換所用的單晶或多晶的半導體材料(以下簡稱光電池)成本昂貴，目前每100瓦的發電能力所需光電池材料的國際市場價格大約為500美元，因此，目前太陽能光伏發電的成本很高，嚴重影響和限制了太陽能光伏發電的推廣和應用。
通常解決高成本問題的辦法是使用聚焦裝置，即將大面積的太陽光束聚集到原來的數十分之一或更小，因而數十倍地減少光電池材料的用量，以達到大幅度降低成本之目的。但是，由於太陽光的聚焦，光電池直接受光表面的溫度大幅度升高，溫度高達攝氏150度甚至200度以上。高溫的後果之一是使光電池的光電轉換效率大大降低，一般來說，溫度每升高10度，光電池的光電轉換效率將降低4％到6％；高溫的另外一個不良後果是縮短光電池的使用壽命，從而間接地提高設備的成本；再者高溫也對相應的其它材料的選擇提出了更高的要求。
為了解決光電池表面由於聚焦而溫度升高的問題，近三十年來，世界上許多科學技術人員作了大量的研究。例如，美國通用電器公司先後於80年代初提出液體冷卻技術，試圖將光電池置於一被循還液體冷卻的金屬板上(美國專利4361717)。這一系統部分地降低了光電池材料表面的溫度，但是由於光電池直接受光面不能與金屬板直接接觸，受光面上產生的熱量必須穿過光電池材料的整個厚度(大約0.3至0.5mm)才能被與光電池背面相接觸的金屬板吸收，因此，光電池受光表面的降溫效果受到很大的限制。同時，光電池材料本身以及與金屬板之間存在很大的溫度梯度，而且光電池材料和與之相焊接的金屬材料之間也存在著熱脹冷縮的差異，這些都容易導致光電池材料的熱損傷、斷裂和與金屬板之間焊接的脫落。由於以上缺陷，這一技術未能廣泛被採用。
本發明的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種太陽能光伏轉換方法和使用該方法的發電裝置，降低成本，簡化結構，提高散熱效率，延長光電池的壽命。
本發明的太陽能光伏轉換方法使用光電池作為基本部件，光電池至少在光電轉換工作期間由冷卻液進行冷卻，太陽光穿過透明的冷卻液而到達光電池上。
所述到達光電池上的太陽光可以是經聚光器聚焦反射後而產生的或者由聚光透鏡聚焦後而產生的。
本發明的太陽能光伏發電裝置包括光電池，在光電池上具有輸出導線，光電池設置於透明的冷卻液中。
所述的光電池和冷卻液最好設置於箱體中，箱體上至少包括一個供太陽光通過以到達光電池的透明部分。
所述的箱體可以是由金屬材料製成的，所述的透明部分是一個透明窗。
在所述的箱體上最好具有散熱結構。
所述的散熱結構可以是與太陽光的入射方向平行或接近平行的伸展葉片。
本發明的太陽能光伏發電裝置還可以包括反射式聚光器，太陽光經聚光器聚焦反射後通過所述的透明冷卻液而到達光電池上。
本發明的太陽能光伏發電裝置還可以包括透射式聚光器，太陽光經聚光器透射聚焦後到達光電池上。
所述的透明窗可以是由聚光透鏡構成的。
本發明的太陽能光伏發電裝置可以包括多個箱體和數量與箱體相對應的反射式聚光器，在每個箱體中設置有所述光電池和冷卻液，箱體設置在反射式聚光器的背面並且二者成為一體而構成一組，各組相隔排列，前一組中的光電池接收後一組中的反射式聚光器的反射光。
所述的透明冷卻液可以是單一液體或者兩種以上液體的混合液。
和現有技術相比，本發明將光電池浸泡在冷卻液下，最大限度地吸收和傳遞太陽光在光電池表面產生的熱，使得光電池材料一直保持在低的溫度，因此保證了光電池的效率和使用壽命，而且本發明的裝置結構簡單，成本低。
下面參照附圖和及實施例詳細描述本發明。
圖1表示一種使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置，其中包括一個反射式聚光器和一個接收轉換器；圖2表示圖1所示接收轉換器的放大視圖；圖3表示使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置的另一個實施例，其中包括一個透射式聚光器和一個接收轉換器；圖4表示使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置的又一個實施例，其中包括透射式聚光器和接收轉換器；圖5表示使用本發明原理的一種多元組合式太陽能光伏發電裝置；圖6表示圖5所示多元組合式太陽能光伏發電裝置中一個單元的放大示意圖。
圖中標號1太陽光，2反射式聚光器，3透明窗，4冷卻液體，5光電池，6箱體，7輸出導線，8透射式聚光鏡，9透射式聚光鏡，10散熱片。
如圖1-6所示，本發明的太陽能光伏轉換方法使用光電池5作為基本部件，光電池5至少在光電轉換工作期間由冷卻液4進行冷卻，太陽光穿過透明的冷卻液而到達光電池5上。
所述到達光電池上的太陽光可以是經聚光器聚焦反射後而產生的或者由聚光透鏡聚焦後而產生的。
相應地，本發明的太陽能光伏發電裝置包括光電池5，在光電池5上具有輸出導線7，光電池5設置於透明的冷卻液4中。
所述的光電池5和冷卻液4最好設置於箱體6中，箱體6上至少包括一個供太陽光通過以到達光電池5的透明部分。
所述的箱體6可以是由金屬材料製成的，所述的透明部分是一個透明窗3。
在所述的箱體6上最好具有散熱結構。
所述的散熱結構可以是與太陽光1的入射方向平行或接近平行的伸展葉片10。
本發明的太陽能光伏發電裝置還可以包括反射式聚光器2，太陽光1經聚光器2聚焦反射後通過所述的透明冷卻液4而到達光電池5上。
本發明的太陽能光伏發電裝置還可以包括透射式聚光器9，太陽光1經聚光器9透射聚焦後到達光電池5上。
所述的透明窗3可以是由聚光透鏡構成的。
本發明的太陽能光伏發電裝置可以包括多個箱體6和數量與箱體6相對應的反射式聚光器2，在每個箱體6中設置有所述光電池5和冷卻液4，箱體6設置在反射式聚光器2的背面並且二者成為一體而構成一組，各組相隔排列，前一組中的光電池5接收後一組中的反射式聚光器2的反射光。
所述的透明冷卻液4可以是單一液體或者兩種以上液體的混合液。
圖1、圖2表示了一種使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置，主要包括反射式聚光器2和太陽能接收轉換器兩部分。太陽能接收轉換器如圖2所示，包括箱體6和其中的光電池、透明冷卻液體4。太陽光1由聚光器2反射聚焦，然後通過透明窗3和透明冷卻液體4，照到太陽能光電轉換材料(光電池)5上，太陽光在光電池上被轉換成電能，由輸出導線7輸出，太陽光所產生的熱量被冷卻液4快速吸收並傳遞到與之直接相連的金屬散熱盒體6中，金屬散熱盒體6再將熱量散於空氣中。接收器的箱體6由s型金屬板組成，可以是金屬材料或其它導熱性能較好的材料，如鐵或鋁。箱體的伸展葉部10與陽光1入射方向保持平行，以達到最少量吸收太陽光而更有效地散熱之目的。其厚度和面積視接收器的大小而定。箱體表面可以做成蜂窩狀、指狀或其它形狀以提高散熱效率並且節省材料。
所述的轉換接收器為一獨立密封裝置以避免冷卻液流失和揮發。接收器表面的透明窗3是供太陽光特別是聚焦光線通過的，必須透明，可以由玻璃，塑料或其他材料製成，其厚度視接收器大小而定，一般為2-5毫米。透明窗3的材料應當透光性能好，有熱光穩定性和彈性，在使用溫度範圍內不與冷卻液發生化學反應。冷卻液體4可以是兩種或多種液體的混合物，例如水加酒精。冷卻液體必須在強光和常溫下穩定，不與透明窗以及與它接觸的材料發生化學反應，有較大的熱傳導係數和較小的黏度，價格低廉。冷卻液體最好是不導電的，為適應低溫條件，冷卻液體最好還具有較低的冰點。
光電池5可以由常用的太陽能光電轉換材料，可以是單晶的，也可以是多晶的半導體，或其它具有光電轉換功能的新型材料。其大小和形狀依接收器的大小和形狀而定，可以做成條形，方形，圓形或其它任何與接收器相配套的形狀。同樣，光電轉換材料5的大小也可以隨接收器的大小而變，例如，最理想的是長條形，大小可以是2×100cm。同一接收器內，兩塊或數塊大小合適的光電池可以串聯或並聯，以根據需要提高輸出電壓或電流。光電池浸泡於透明的冷卻液中的深度可根據接收器的大小和形狀而變化。電源輸出線7可以是各種導線，但必須在冷卻液體中穩定，不與冷卻液反應。此外，輸出線7與冷卻液體4之間不能有電傳導。
圖3示出了使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置的另一種結構，主要包括透射式聚光器8和與圖3相似的太陽能接收轉換器兩部分。
圖4示出了使用本發明原理的太陽能光伏發電裝置的又一種結構，主要包括透射式聚光器9和與圖3相似的太陽能接收轉換器兩部分。其特點是這一裝置將聚光器9、光電轉換器以及液體冷卻系統結合在一起，太陽光1直接經由接收器上面聚光透鏡9聚焦，進一步通過透明冷卻液體4到達光電池5上。
圖3和圖4所示的裝置中，採用透鏡聚焦方式將太陽光1通過透射聚光器8或9聚光，通過與圖2相似的接收器將太陽光轉換成電。接收器上面的聚光鏡8或9可以是通常的柱面透鏡或球面透鏡，也可以是柱面或球面費涅耳(Fresnel)透鏡。聚光透鏡8或9的大小和形狀依接收器的大小和形狀而定，可以做成條形、方形、圓形或其它任何與接收器相配套的形狀。接收器的大小和形狀也可以根據需要而變化。接收器可以單個單獨使用，也可以多個並聯或串聯組合使用。組合的大小和形狀也可以根據需要而變化。
圖5、圖6示出了使用本發明原理的一種多元組合式太陽能光伏發電裝置，該裝置的特點是反射式聚光器2、散熱器(或箱體)6和光電轉換器合為一體，將多個單元排列在一起，聚光器2同時起散熱器的作用，以降低裝置的成本。在該結構中接收器裝在反射式聚光器2的背面，利用反射式聚光器2散熱。反射式聚光器2的材料可以是各種導熱材料，其大小、厚度和形狀可以根據需要而變化。
本發明著重解決由於太陽光照射特別是聚光而使光電池產生高溫所帶來的問題，主要辦法是將光電池材料浸泡在透明的冷卻液中，以實現速散熱，保持低溫的效果。實驗證明，如將太陽光聚焦50倍，照到光電池上，在把光電池置於常溫下純淨的水中時的發電功率是把光電池放在空氣中時的2倍多。如果把光電池放在空氣中而不是放在水中，由於光電池變的很燙，一分鐘內，焊在光電池上的電極就會脫落。
上述參照附圖及實施例對本發明的描述只是說明性的，而不構成對它的限定。顯然，根據本發明的原理可以在本發明的範圍內作出許多變型，但不脫離本發明的實質。
權利要求
1.一種太陽能光伏轉換方法，其使用光電池作為基本部件，其特徵在於，光電池至少在光電轉換工作期間由冷卻液進行冷卻，太陽光穿過透明的冷卻液而到達光電池上。
2.根據權利要求1所述的太陽能光伏轉換方法，其特徵在於，所述到達光電池上的太陽光是經聚光器聚焦反射後而產生的或者由聚光透鏡聚焦後而產生的。
3.一種太陽能光伏發電裝置，其包括光電池(5)，在光電池(5)上具有輸出導線(7)，其特徵在於，光電池(5)設置於透明的冷卻液(4)中。
4.根據權利要求3所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的光電池(5)和冷卻液(4)設置於箱體(6)中，箱體(6)上至少包括一個供太陽光通過以到達光電池(5)的透明部分。
5.根據權利要求4所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的箱體(6)是由金屬材料製成的，所述的透明部分是一個透明窗(3)。
6.根據權利要求5所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，在所述的箱體(6)上具有散熱結構。
7.根據權利要求6所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的散熱結構為與太陽光1的入射方向平行或接近平行的伸展葉片(10)。
8.根據權利要求4-7之一所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，該裝置還包括反射式聚光器(2)，太陽光1經聚光器(2)聚焦反射後通過所述的透明冷卻液(4)而到達光電池(5)上。
9.根據權利要求4-7之一所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，該裝置還包括透射式聚光器(9)，太陽光1經聚光器(9)透射聚焦後到達光電池(5)上。
10.根據權利要求5所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的透明窗(3)是由聚光透鏡構成的。
11.根據權利要求8所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的發電裝置包括多個箱體(6)和數量與箱體(6)相對應的反射式聚光器(2)，在每個箱體(6)中設置有所述光電池(5)和冷卻液(4)，箱體(6)設置在反射式聚光器(2)的背面並且二者成為一體而構成一組，各組相隔排列，前一組中的光電池(5)接收後一組中的反射式聚光器(2)的反射光。
12.根據權利要求3-7之一所述的太陽能光伏發電裝置，其特徵在於，所述的透明冷卻液(4)是單一液體或者兩種以上液體的混合液。
全文摘要
本發明涉及一種太陽能光伏轉換方法和使用該方法的發電裝置。其將光電池浸於透明的冷卻液體中,該冷卻液吸收和傳遞太陽光在光電池表面產生的熱,從而解決了光電池因光照而產生的高溫問題,能夠使光電池保持在較低的溫度工作,保證了光電池的效率和壽命,並且本發明的裝置結構簡單,成本低。
文檔編號H01L31/0352GK1302089SQ9912669
公開日2001年7月4日 申請日期1999年12月27日 優先權日1999年12月27日
發明者王堂宇 申請人:王堂宇