一種黑體太陽能光熱光電轉化器的製作方法

2023-12-10 08:06:32

專利名稱：一種黑體太陽能光熱光電轉化器的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能的熱利用，將太陽能轉化為熱能的器件，涉及利用黑體器件將 太陽能進行供暖、熱水、烹飪、發電、製冷、乾燥等應用，特別是太陽能的中高溫度的利用。
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；現有的對太陽能的中高溫度利用的太陽灶，主要採用反射板對太陽光進行反射， 將太陽能直接聚焦到一個灶具上，實現對太陽能的利用，此種技術很好的達到了太陽能的 中高溫收集，但其熱能接受方式單一，僅是採用直接在其上面放置簡單的灶具，而無法進行 大規模的採集和利用；同時也無法實現對太陽能進行收集以便於夜間及陰雨天應用；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光電轉換器件，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光電轉化太陽能 轉換器件，特別是塔式太陽能，主要由於光熱光電轉換器需要在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光電轉換器件改進。石英玻璃的光學性能有其獨到之處，它既可以透過紫外光譜，是所有透紫外材料 最優者，又可透過可見光和近紅外光譜。用戶可以根據需要，從185-3500m觳 畏段諶我 庋ε袼杵分幀S捎謔2. A透呶攏擾蛘拖凳。任榷H院茫蕁(8)蹺啤14.刃浴(7) U 漵摯捎胍話愎庋P ΑΦ敲潰運竊詬髦盅橇映『舷鹿^骶哂懈呶榷 裙庋低車謀夭豢 繕俚墓庋P牧稀J 2. A y娜擾蛘拖凳。？ .5 0_7/°C，只有普通玻璃的1/12-1/20。部 標準規定將試樣的灼燒到1200°C後急速投到冷水中，反覆三次以上不允許炸裂，石英玻璃 加入適量鈦元素後還可做成零膨脹係數的材料，由於石英器件的眾多的優勢，將石英器件 應用於太陽能利用，特別是中高溫的太陽能光熱光電轉化，將是解決中高溫太陽能採集的 可行的技術方法。任何物體都具有不斷輻射、吸收、發射電磁波的本領。輻射出去的電磁波在各個波 段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射。為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律，物理學家們定義了一種 理想物體抓黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的標準物體。所謂黑體是指入射的電 磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當然黑體仍然要向外輻射)。黑洞也許就是理 想的黑體.基爾霍夫輻射定律(KirchhofT)，在熱平衡狀態的物體所輻射的能量與吸收的 能量之比與物體本身物性無關，只與波長和溫度有關。絕對黑體只有吸收，沒有反射。只 開有一個小口的空腔，對於射入其中的光，可以完全吸收，故該空腔的開口可以作為絕對黑 體。結合石英以及黑體的特性，可以設計出新的更高效率的太陽能轉換器件。

發明內容
本發明的目的就是提供一種黑體的太陽能光熱光電轉換器件，將太陽能轉換器件 設置為黑體結構，即設置為具有一個開口的腔體，太陽能光熱光電轉換塗層設置在黑體的 內部殼體表面上，太陽光通過開口部位照射進入到黑體內，在同一個黑體器件，可以實現光 熱與光電的轉換與利用。這樣可以實現將太陽光通過開口部位射入到腔體後最大程度的將 太陽光進行吸收和轉化，減少現有其他結構的反射、折射、透射等損失，提高轉換效率。採樣石英材料、塑料、金屬、玻璃等不同的材料製造黑體，將現有的低溫太陽能光 熱光電轉換採真空玻璃管技術的材料可以選擇更多種類，進而可以降低成本，提高效率。採樣設置不同的太陽能鏡將太陽能光進行反射、折射、投射，將太陽能光攝入到黑 體中，可以實現不同溫度的太陽能採集，特別是適合於中高溫的太陽能採集及利用，更適合 於槽式、塔式、蝶式太陽能的採集和利用。具體發明內容如下一種黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是至少包括一個開口部位的一個封閉 腔體的黑體，在黑體的內部設置有太陽能光電轉換塗層以及光熱轉換塗層，可以將太陽能 轉換為熱能和電能，太陽光可以從黑體的開口部位射入到腔體內部的塗層上，從而實現將 太陽能的轉化。能全部吸收各種波長的輻射能而不發生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體。 簡稱黑體，採樣不透明的材料製成帶小孔的的空腔，可近似看作黑體。可以採用任何形狀實現本發明的目的，但是黑體器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，如石英管、或內外部都是石英管的器件，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。黑體的形狀優選為圓柱體、球形、錐體、多面體，或截面為拋物面、複合拋物面、雙 曲拋物面的一種或多種。將其設計成為利於光線在黑體內部進行吸收的結構，可以提高太 陽光的吸收效率。黑體材質為下列一種A、金屬不鏽鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；
C、複合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。黑體或/和黑體的一部分腔體，被設計成為熱管的蒸發端，或在黑體腔體的內部 設置有熱管的蒸發端，熱管選擇自下列至少一種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；循環自激震蕩熱管。黑體或/和黑體的內部的一部分被設計成為換熱裝置，或者黑體腔體的內部設置 有換熱裝置，所述換熱裝置為至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的部件，一種流體 (14)通過進口進入，達到出口後流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能進行熱交換，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。
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或外部設置有含有多1
在黑體的外部殼體上還設置有塗層，其至少選擇自下列-
A、熱輻射吸收塗層，將輻射的熱能進行吸收利用；
B、熱輻射反射材料，將熱輻射的熱能反射進入到黑體；
C、保溫塗料；
D、防腐塗層；
E、耐熱塗層。
為了增加黑體的光熱光電轉化性能，還在黑體的內部和 凹、凸結構的粗糙表面、翅片、槽道。在黑體的外部還設置有保溫材料，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；太陽能塗層為下列一種A、太陽能選擇塗層；B、太陽能低溫、中溫、高溫塗層，將太陽能轉換為不同溫度的熱能。C、一種設置在黑體內部的塗層，可以將太陽能轉換為電能，優選為單晶矽、多晶 矽、非晶矽、薄膜的至少一種塗層；D、一種太陽能電池片，將太陽能轉換為電能，優選為單晶矽、多晶矽、非晶矽、薄膜 電池片。太陽能塗層分為光熱轉換與光電轉換塗層，光電轉換包括已經製作完畢的太陽能 電池板，將太陽能電池板設置在黑體內部，可以在黑體的內壁上，如採用薄膜電池設置在黑 體內部，也可以將電池板設置在腔體中間，也可以採用在黑體的內表壁上設置光電塗層，而 在腔體中間設置太陽能電池板，可以根據需要採樣上述四類物質進行具體的組合。這樣可 以實現光電與光熱的綜合利用，根據需要調整光電與光熱的比例。任何將太陽能轉換為熱能的塗層都適合於本發明的黑體，通常太陽能塗層為金屬及金屬氧化物，包括；銀、銅、三氧化二鋁；聚合物；納米材料；包括氧化鋅納米。在黑體器件外部和/或黑體開口部位和/或開口部位周圍設置有太陽能鏡，將太 陽光進行反射、透射、折射後聚焦於黑體入口和/或黑體外部殼體上，優選採用菲涅爾透 鏡；對於黑體器件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 焦於黑體的開口部位上，都是可以採用的方法，通常太陽能鏡選自下列一種A、複合拋物面反射鏡；B、菲尼爾鏡，包括或反射鏡；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。可以根據需要進行多種的組合而成為黑體陣列，通常可以通過串聯、並聯、或串並 聯組成一個陣列，以適合於50-1300度的非跟蹤、槽式、蝶式、塔式的各種應用；在黑體器件的外部，還設置有一個腔體，腔體內有至少一個黑體器件，黑體器件與 腔體構成為一個可以封閉連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內部 的太陽能鏡，太陽光射入到腔體內部黑體器件的開口部位。有益的效果；1、採樣本發明的黑體結構進行太陽能的採集，減少了現有結構的反射、折射、投 射，最大化的實現了太陽能的轉換和利用；2、採樣二次反射黑體結構的轉化器，可以實現跟蹤的太陽能採集和利用，實現中 溫以及高溫的太陽能利用。3、採樣石英等特殊材料，可以減少輻射、提高換熱器件的效率。


圖一橢圓黑體太陽能光熱光電轉化器圖二 圓柱體黑體太陽能光熱光電轉化器圖三圓柱體黑體熱管反射光熱光電轉化器圖四外腔體圓柱黑體光熱光電轉化器圖五矩形黑體投射聚光光熱光電轉化器圖中標號的具體說明如下1 黑體器件，2 開口部位，3 太陽能塗層，4 熱管換熱器，5 流體進口，6 流體出 口，7 腔體，8 太陽能透鏡，9 太陽能反射鏡，10 保溫材料。
具體實施例方式實施例一橢圓黑體太陽能光熱光電轉化器
按照圖1所示，採樣石英材料製作而成的橢圓型黑體(1)，在黑體內部設置有太陽 能轉換塗層，光電與光熱塗層各佔50%，將太陽光轉換為熱能和電能，塗層採樣全頻段的轉 換材料，實現對太陽能光的所有的頻段進行轉換，包括可見光、不可見光、紅外、紫外區域等 區域的全部頻段實現轉換。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，都可以採用橢圓黑體進行轉換。實施例二 圓柱體黑體太陽能光熱光電轉化器按照圖2所示，採樣玻璃管制作而成的圓柱黑體太陽能光熱光電轉換器，在其內 部塗有太陽能轉換塗層(3)，光電與光熱塗層的比例為30% 70%，在一段設置有圓柱的 開口區域(2)，可以使太陽光射入到黑體內部，實現太陽能轉換為熱能。實施例三圓柱體黑體熱管反射光熱光電轉化器按照圖3所示，採用石英管生產而成的圓柱體黑體，在石英管的內部設置有太陽 能光熱光電轉換塗層(3)，黑體器件的太陽光入射部位設置有太陽能反射鏡(9)，內部的換 熱器是熱管(4)，熱管的蒸發端設置在黑體的內部，冷凝端設置在黑體的外部，在熱管的蒸 發段設置有太陽能塗層(3)，光電與光熱塗層各佔50%，同時在腔體內部設置有單晶矽太 陽能電池板，太陽能電池板正對入射口，在單晶矽電池板的背面設置有換熱器，換熱器件與 石英管通過連接結構進行連接；對於低溫100度以下的熱水應用，可以採用低溫太陽能塗 層，連接方式可以採用非真空連接；對於100-400度的中溫應用，採用中溫的太陽能塗層， 其內外管的而連接方式，採用真空的連接，對於400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能 塗層，採用非真空密閉，流體為高溫化學鹽，這樣可以實現高壓高溫的蒸汽供應，實現高效 的太陽能發電及利用；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，都可以採用黑體光熱光電轉化器實現太陽能的採集 和利用。實施例四外腔體圓柱黑體光熱光電轉化器按照圖4所示，採用石英管生產而成的圓柱體黑體，在石英管的內部設置有太陽 能光熱光電轉換塗層(3)，光電與光熱塗層各佔50 %，黑體被設置在一個六面體內部，六面 體的太陽光入射面上設置有菲涅爾透鏡，透鏡與黑體開口部位之間設置有反射鏡，太陽能 光通過透鏡和反射鏡進入到黑體內，在黑體上設置有流體的換熱器，設置有流體的進口管 道和出口管道，換熱器件與石英黑體通過連接結構進行連接；對於低溫100度以下的熱水 應用，可以採用低溫太陽能塗層，連接方式可以採用非真空連接，流體為水；對於100-400 度的中溫應用，採用中溫的太陽能塗層，其內外管的而連接方式，採用半真空的連接，流體 為化學鹽類物質；對於400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能塗層，採用非真空密閉， 流體為高溫化學鹽，這樣可以實現高壓高溫的蒸汽供應，實現高效的太陽能發電及利用；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，都可以採用六邊形光熱光電轉化器實現太陽能的採集和利用。實施例五半圓形光熱光電轉化器
按照圖4所示為截面側視圖，外部玻璃器件為一個半圓形的柱體(2)，石英黑體器 件為一個矩形管(1)，太陽能轉換塗層設置在矩形管內部，黑體被設置在半圓形器件的內 部，黑體的開口部位(2)設置在頂部，並在其上設置有菲涅爾透鏡(8)，為了減少輻射損失， 在矩形黑體的外表面設置有放射鏡(9)，採用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；在黑體器件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(1)為一個熱管，在熱管上(1)設置有太陽能電 池板，電池板為薄膜電池板，熱管器件與外石英管通過連接結構進行連接，熱管的蒸發端設 置在黑體器件的內部，對於低溫100度以下的熱水應用，可以採用低溫太陽能塗層，連接方 式可以採用非真空連接；對於100-400度的中溫應用，採用中溫的太陽能塗層，其內外管的 而連接方式，採用半真空的連接；對於400度以上的高溫應用，採用高溫的太陽能塗層，採 用真空密閉，這樣可以實現高壓高溫的蒸汽供應，實現高效的太陽能發電及利用；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，都可以採用黑體光熱光電轉化器實現太陽能的採集和利用。
權利要求
一種黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是至少包括一個開口部位的一個封閉腔體的黑體，在黑體的內部設置有太陽能光電轉換塗層以及光熱轉換塗層，可以將太陽能轉換為熱能和電能，太陽光可以從黑體的開口部位射入到腔體內部的塗層上，從而實現將太陽能的轉化。
2.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是黑體的形狀為圓柱 體、球形、錐體、多面體，或截面為拋物面、複合拋物面、雙曲拋物面、橢圓形、扇形、三角形、 塔形、稜形的一種或多種。
3.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是黑體材質為下列一種A、金屬不鏽鋼、鐵管；B、非金屬包括石英、玻璃、塑料；C、複合材料，包括金屬與非金屬、金屬與金屬，非金屬與非金屬的複合管。
4.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是太陽能塗層為下列 一種A、太陽能選擇塗層；B、太陽能低溫、中溫、高溫塗層，將太陽能轉換為不同溫度的熱能。C、一種設置在黑體內部的塗層，可以將太陽能轉換為電能，優選為單晶矽、多晶矽、非 晶矽、薄膜的至少一種塗層；D、一種太陽能電池片，將太陽能轉換為電能，優選為單晶矽、多晶矽、非晶矽、薄膜電池片。
5.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是黑體或/和黑體的 一部分腔體，被設計成為熱管的蒸發端，或在黑體腔體的內部設置有熱管的蒸發端，熱管選 擇自下列至少一種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；G、循環自激震蕩熱管。
6.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是黑體或/和黑體的 內部的一部分被設計成為換熱裝置，或者黑體腔體的內部設置有換熱裝置，所述換熱裝置 為至少含有一個進口(5)或/和一個出口(6)的部件，一種流體通過進口進入，達到出口後 流出，流體與部件中太陽能轉化的熱能進行熱交換，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。
7.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是在黑體的外部殼體 上還設置有塗層，其至少選擇自下列一種A、熱輻射吸收塗層，將輻射的熱能進行吸收利用；B、熱輻射反射材料，將熱輻射的熱能反射進入到黑體；C、保溫塗料；2D、防腐塗層；E、耐熱塗層。
8.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是為了增加黑體的光 熱光電轉化性能，還在黑體的內部和/或外部設置有含有多個凹、凸結構的 粗糙表面、翅 片、槽道。
9.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是在黑體的外部還設 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。
10.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是在黑體器件的外 部，還設置有一個腔體，腔體內有至少一個黑體器件，黑體器件與腔體構成為一個可以封閉 連接的器件，在腔體上設置有一個可以使太陽光射入到腔體內部的太陽能鏡，太陽光射入 到腔體內部黑體器件的開口部位。
11.根據權利要求1所述的黑體太陽能光熱光電轉化器，其特徵是在黑體器件外部和 /或黑體開口部位和/或開口部位周圍設置有太陽能鏡，將太陽光進行反射、透射、折射後 聚焦於黑體入口和/或黑體外部殼體上，太陽能鏡選自下列一種A、金屬、非金屬拋物面、符合拋物面反射鏡；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。
全文摘要
本發明的目的就是提供一種黑體的太陽能光熱光電轉換器件，將太陽能轉換器件設置為黑體結構，即設置為具有一個開口的腔體，太陽能光熱光電轉換塗層設置在黑體的內部殼體表面上，太陽光通過開口部位照射進入到黑體內，在同一個黑體器件，可以實現光熱與光電的轉換與利用。這樣可以實現將太陽光通過開口部位射入到腔體後最大程度的將太陽光進行吸收和轉化，減少現有其他結構的反射、折射、透射等損失，提高轉換效率。採樣石英材料、塑料、金屬、玻璃等不同的材料製造黑體，將現有的低溫太陽能光熱光電轉換採真空玻璃管技術的材料可以選擇更多種類，進而可以降低成本，提高效率。採樣設置不同的太陽能鏡將太陽能光進行反射、折射、投射，將太陽能光攝入到黑體中，可以實現不同溫度的太陽能採集，特別是適合於中高溫的太陽能採集及利用，更適合於槽式、塔式、蝶式太陽能的採集和利用。
文檔編號F24J2/48GK101900438SQ200910302740
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月29日 優先權日2009年5月29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