一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，包括：設(shè)置于器件受光面的利用中、短波光(400-1100納米)發(fā)電的光伏發(fā)電單元，以及設(shè)置于器件背光面的利用400-1100納米波長(zhǎng)以外的陽(yáng)光發(fā)電的光熱發(fā)電單元。光伏發(fā)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(gè)比較低的溫度，減少功率損失；同時(shí)與其集成的散熱管將收集的熱量傳導(dǎo)出去并存儲(chǔ)起來(lái)，再利用這部分存儲(chǔ)的熱量繼續(xù)發(fā)電。提高了光伏系統(tǒng)本身的發(fā)電量也增加了由熱效應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)電，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電率。
【專利說(shuō)明】一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光伏電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]光是地球上一種最普遍最重要的能量來(lái)源，光作為一種能量的載體，光的波長(zhǎng)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(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力則是直接利用光能的方式。太陽(yáng)能發(fā)電包括直接利用光的粒子特性的光伏發(fā)電和同時(shí)間接利用光的波長(zhǎng)特性的光熱發(fā)電。
[0003]光伏電池是一種基于量子效應(yīng)或光生伏打效應(yīng)制成的半導(dǎo)體器件，主要是指特定波長(zhǎng)或特定頻率的光子在通過(guò)器件PN結(jié)的時(shí)候，使器件內(nèi)部的原子外層的電子躍迀，在外部回路連通的情況下，在外部回路中形成電流。
[0004]眾所周知，光具有波粒二重性，可以理解為光的波長(zhǎng)決定了每個(gè)光子的能量，對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，只有具有一定能量的光子，也就是具有特定波長(zhǎng)(通常是波可見(jiàn)光波段)的光子才能使原子的外層電子激發(fā)躍迀，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，我們將其稱為光子的能量閾值，每個(gè)高于能量閾值的光子只能產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)，而低于此閾值的光子尤其是長(zhǎng)波段的光則不能被有效利用，只能以熱的形式被浪費(fèi)掉，或直接穿過(guò)電池?fù)p失掉。
[0005]傳統(tǒng)的單結(jié)晶體娃太陽(yáng)能電池只能有效利用波長(zhǎng)范圍在400nm-900nm的太陽(yáng)能，其余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硅太陽(yáng)能電池的效率。
[0006]近年來(lái)，隨著光伏器件結(jié)構(gòu)和工藝的不斷優(yōu)化，對(duì)于短波段光的利用已經(jīng)有了較大的提高，但是對(duì)于長(zhǎng)波段的光的利用仍然沒(méi)有比較有效的方案。
[0007]另外，長(zhǎng)波段的紅外光不能得到有效利用的另一后果是，它會(huì)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(huì)降低0.4% -0.5%，在溫度比較高的時(shí)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(huì)升高到將近80-100度，光伏器件輸出功率會(huì)大幅降低10% -20%左右。
[0008]長(zhǎng)波段光的有效利用對(duì)于光伏發(fā)電來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，例如現(xiàn)有技術(shù)CN103531711A和CN103531712A通過(guò)波長(zhǎng)選擇的材料配置使得全波長(zhǎng)可以用于發(fā)電，但是所選擇材料價(jià)格昂貴，耐用性差，長(zhǎng)波長(zhǎng)利用率仍難以達(dá)到滿意的效果。
[0009]所以，如何實(shí)現(xiàn)大幅提高光伏器件本身的轉(zhuǎn)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(lǐng)域需要解決的技術(shù)難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，包括兩大功能單元，一是位于器件受光面的主要利用中、短波長(zhǎng)(400-1100納米)的光直接發(fā)電的光伏發(fā)電單元；二是部分位于器件背光面光熱發(fā)電單元，它主要是利用來(lái)自器件本身的熱量或從周圍環(huán)境吸收的熱量進(jìn)行光熱發(fā)電，其中器件本身熱量來(lái)源形式主要有:光波中400-1100納米波長(zhǎng)以外的陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，包括:設(shè)置于器件受光面的利用利用400-1100納米波長(zhǎng)的陽(yáng)光發(fā)電的光伏發(fā)電單元，以及設(shè)置于器件背光面的利用400-1100納米波長(zhǎng)以外陽(yáng)光發(fā)電的光熱發(fā)電單元。
[0012]上述光伏發(fā)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(guī)晶體硅光伏組件、非晶硅薄膜組件等其他類型的光伏發(fā)電組件，其中電池單元面向陽(yáng)光，將接受到的陽(yáng)光中能量達(dá)到激發(fā)閾值的光子直接轉(zhuǎn)化成電能，而其他能量達(dá)不到閾值的長(zhǎng)波段光子和達(dá)到閾值的光子經(jīng)過(guò)量子激發(fā)之后的剩余能量則通過(guò)熱的形式輻射到周圍空間或傳導(dǎo)至器件背面、或保存在器件內(nèi)部。
[0013]兩種發(fā)電單元相互集成，又各自相對(duì)獨(dú)立，能夠各自發(fā)揮本單元的發(fā)電功能和其他功能，共同為系統(tǒng)增效，提高整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率和發(fā)電量。
[0014]上述光熱發(fā)電單元，主要包括集熱器、導(dǎo)熱器、蓄熱器和發(fā)電模塊組成，依次連接。每個(gè)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于電池組件內(nèi)部或背部的一根以上的片式或帶狀導(dǎo)熱管，用于采集組件內(nèi)部產(chǎn)生或聚集的過(guò)多熱量，并將其快速、高效地傳導(dǎo)至導(dǎo)熱單元，且能夠用于為光伏組件本身降溫。
[0016]上述導(dǎo)熱器由一根以上的圓形導(dǎo)熱管組成，與前述集熱器相連，每根導(dǎo)熱管可同時(shí)串接若干塊光伏組件，位于組件的兩端或一端，具體串接數(shù)量由整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量、光伏組件的安裝結(jié)構(gòu)、熱管的性能等因素而定。導(dǎo)熱管用于將前述集熱器采集的熱量匯集并快速、高效地傳導(dǎo)至儲(chǔ)熱器。
[0017]所述集熱器和導(dǎo)熱管為銅質(zhì)或鋁質(zhì)材料制成，其內(nèi)部中空，內(nèi)部傳熱介質(zhì)為甲醇、丙酮、水等中的一種以上的物質(zhì)。
[0018]蓄熱器是一種熱量存儲(chǔ)裝置，一方面用于吸收導(dǎo)熱管傳導(dǎo)來(lái)的熱量；另一方面作為導(dǎo)熱管的冷卻端，維持熱傳導(dǎo)的循環(huán)，提高整個(gè)系統(tǒng)的降溫、熱采集性能。所述蓄熱器具有儲(chǔ)存熱交換器交換的熱量并具有延長(zhǎng)保溫的功能。蓄熱器中存儲(chǔ)的熱量可以被用來(lái)直接或間接地發(fā)電。
[0019]本發(fā)明另一優(yōu)選方案為上述蓄熱器上集成有發(fā)電模塊，優(yōu)選為一套半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元，可以利用蓄熱器中熱能與周圍環(huán)境溫差直接進(jìn)行發(fā)電，此處溫差范圍為10-100攝氏度。或者與其他熱發(fā)模塊相連，利用蓄熱器中儲(chǔ)存的熱能直接或間接轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件降溫集熱、蓄熱發(fā)電的系統(tǒng)發(fā)電功能。對(duì)陽(yáng)光中的能量充分利用，使得整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)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(fā)電單元，用于發(fā)電；并連接溫差發(fā)電單元冷源，為導(dǎo)熱管降溫，優(yōu)選溫差發(fā)電單元冷源為水箱，可為用戶提供了生活熱水。
[0021]所述發(fā)電單元直接發(fā)電，直接發(fā)電的方式可以為利用熱輻射的溫差發(fā)電方式。或者所述發(fā)電單元間接發(fā)電，間接發(fā)電的方式為通過(guò)控制存儲(chǔ)的熱量的釋放和運(yùn)行方式，帶動(dòng)汽輪機(jī)或外部加熱的斯特林發(fā)電發(fā)電機(jī)通過(guò)做功發(fā)電。
[0022]上述各部件的材料均為現(xiàn)有材料，可通過(guò)市售獲得，但是屬于其他領(lǐng)域，在光伏領(lǐng)域尚無(wú)普遍應(yīng)用案例。
[0023]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果包括:
[0024]I)本發(fā)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，能夠有效利用太陽(yáng)光中整個(gè)波段的能量或熱量直接發(fā)電，尤其是可以利用長(zhǎng)波段的紅外光，提高太陽(yáng)光發(fā)電的轉(zhuǎn)換率，增加光伏器件的輸出功率，這是與常規(guī)太陽(yáng)能組件最大的不同之處。
[0025]2)本發(fā)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄熱溫差發(fā)電系統(tǒng)組成，白天陽(yáng)光充足時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接發(fā)電；當(dāng)蓄熱器中水溫達(dá)到一定溫度時(shí)，溫差發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)電，尤其是在夜間無(wú)陽(yáng)光的情況下，溫差熱發(fā)電單元仍可發(fā)電。
[0026]3)本發(fā)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的溫差熱發(fā)電系統(tǒng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)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于一定的值，降低過(guò)高的溫度對(duì)光伏器件輸出功率的影響，也增加了光伏器件的發(fā)電量。
[0027]4)本太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在提高整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電量的同時(shí)，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(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)背面圖；
[0029]圖2是本發(fā)明太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造圖；
[0030]其中，1-光伏組件(光伏發(fā)電單元);2_集熱器；3_導(dǎo)熱管；4_熱交換器或蓄熱器；5_溫差發(fā)電單元；6_溫差發(fā)電單元冷源。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0032]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案:本太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施主要有以下步驟，如圖1和圖2所示:
[0033]步驟一:制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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括:設(shè)置于器件受光面的利用中、短波光發(fā)電的光伏發(fā)電單元，以及設(shè)置于器件背光面的利用長(zhǎng)波段紅外光發(fā)電的光熱發(fā)電單元。
[0035]所述光伏發(fā)電單元，主要由光伏組件陣列組成，所述光伏組件由非晶硅電池單元組成，其中電池單元面向陽(yáng)光，將接受到的陽(yáng)光中能量達(dá)到激發(fā)閾值的光子直接轉(zhuǎn)化成電會(huì)K
[0036]而其他能量達(dá)不到閾值的長(zhǎng)波段光子和達(dá)到閾值的光子經(jīng)過(guò)量子激發(fā)之后的剩余能量傳遞到光熱發(fā)電單元，主要包括集熱器、導(dǎo)熱器、蓄熱器和發(fā)電模塊組成。每個(gè)光伏組件的背面與集熱器連接。
[0037]選取3根規(guī)格10mm (寬)*1600mm (長(zhǎng))*5mm (厚)，熱導(dǎo)率高的銷質(zhì)帶狀導(dǎo)熱管構(gòu)成集熱器。集熱器直接粘結(jié)與光伏組件的背面。帶狀鋁質(zhì)熱管通過(guò)導(dǎo)熱粘結(jié)膠與光伏組件背面粘結(jié)，要求粘結(jié)緊密，防水防潮防滲。(本發(fā)明另一實(shí)施方式在組件層壓工序直接層壓鑲嵌于組件背面)。
[0038]在光伏組件鋁邊框的一端的兩頭開(kāi)孔，便于后續(xù)導(dǎo)熱管組成的導(dǎo)熱器的穿裝。
[0039]步驟二:蓄熱器的安裝
[0040]蓄熱器采用水箱蓄熱，預(yù)制水箱尺寸為100mm(長(zhǎng))*600mm(寬)*600mm(高)，安裝在水箱架上，水箱架高于組件項(xiàng)端500mm。水箱靠近上部中間位置留有導(dǎo)熱管通道。
[0041]步驟三:溫差發(fā)電單元的安裝
[0042]在水箱下部底面均勻區(qū)域，用高效率導(dǎo)熱膠粘結(jié)有溫差發(fā)電單元陣列，其端與蓄熱器表面相接。溫差發(fā)電單元采用市售的40mm(長(zhǎng))*40mm(寬)*5mm(厚)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，其發(fā)電功率在5W-10W每塊。并將其串聯(lián)相接后將接頭導(dǎo)線引出。
[0043]同時(shí)將溫差發(fā)電單元的冷端與冷源連接，冷源采用溫度不超過(guò)30度的常溫水箱。將發(fā)電片的冷端與冷源水箱用導(dǎo)熱膠粘結(jié)。
[0044]步驟四:系統(tǒng)組裝
[0045]用導(dǎo)熱管將系統(tǒng)連接。
[0046]首先用導(dǎo)熱管將所有光伏組件串接，導(dǎo)熱管穿過(guò)組件鋁邊框兩端的預(yù)留孔，并將導(dǎo)熱管與集熱器用導(dǎo)熱膠粘結(jié)，同時(shí)用密封硅膠密封所有接縫位置。
[0047]將導(dǎo)熱管通過(guò)蓄熱器上端的通孔穿入其內(nèi)部，并蓄水至水箱高度的500mm處，同時(shí)加蓋密封。
[0048]步驟五:將光伏發(fā)電系統(tǒng)引出線和溫差發(fā)電引出線相串聯(lián)，一并接入逆變系統(tǒng)，并與電網(wǎng)或負(fù)載相接。
[0049]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能全天侯全波段太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括:設(shè)置于器件受光面的利用利用400-1100納米波長(zhǎng)的陽(yáng)光發(fā)電的光伏發(fā)電單元，以及設(shè)置于器件背光面的利用400-1100納米波長(zhǎng)以外陽(yáng)光發(fā)電的光熱發(fā)電單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)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硅、或薄膜電池、或化合物材料的電池單元組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，光熱發(fā)電單元包括:集熱器、導(dǎo)熱管、熱交換器、蓄熱器和熱發(fā)電模塊，依次連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)光伏組件的背面與集熱器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述集熱器和導(dǎo)熱管為銅質(zhì)或鋁質(zhì)材料制成，其內(nèi)部中空，內(nèi)部傳熱介質(zhì)為甲醇、丙酮、水中一種以上的物質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器吸收熱管中的熱量，連接發(fā)電單元，所述發(fā)電單元包括溫差發(fā)電單元和溫差發(fā)電單元冷源。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄熱器具有儲(chǔ)存熱交換器交換的熱量并具有延長(zhǎng)保溫的功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電單元直接發(fā)電，直接發(fā)電的方式為利用熱輻射的溫差發(fā)電方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電單元間接發(fā)電，間接發(fā)電的方式為通過(guò)控制存儲(chǔ)的熱量的釋放和運(yùn)行方式，帶動(dòng)汽輪機(jī)或外部加熱的斯特林發(fā)電發(fā)電機(jī)通過(guò)做功發(fā)電。
【文檔編號(hào)】H02S10/30GK104467629SQ201410650768
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】萬(wàn)衛(wèi)東, 武宇濤 申請(qǐng)人:萬(wàn)衛(wèi)東, 武宇濤