一种多功能全天侯全波段太阳能发电系统及其应用

摘要

本发明提供了一种多功能全天侯全波段太阳能发电系统，包括：设置于器件受光面的利用中、短波光(400-1100纳米)发电的光伏发电单元，以及设置于器件背光面的利用400-1100纳米波长以外的阳光发电的光热发电单元。光伏发电单元中光伏组件具有散热和集热的功能，使光伏组件维持在一个比较低的温度，减少功率损失；同时与其集成的散热管将收集的热量传导出去并存储起来，再利用这部分存储的热量继续发电。提高了光伏系统本身的发电量也增加了由热效应产生的发电，从而提升整个系统的发电率。

说明书

技术领域

本发明属于光伏电池技术领域，特别涉及一种多功能全天侯全波段太 阳能发电系统及其应用。

背景技术

光是地球上一种最普遍最重要的能量来源，光作为一种能量的载体， 光的波长特性和粒子特性是光最主要的两种直接的能量传播和存在形式。 光的能量可以以不同的方式或形式被利用，比如我们常用的化石燃料是最 普遍的的间接利光能的方式，太阳能发电和风力则是直接利用光能的方 式。太阳能发电包括直接利用光的粒子特性的光伏发电和同时间接利用光 的波长特性的光热发电。

光伏电池是一种基于量子效应或光生伏打效应制成的半导体器件，主 要是指特定波长或特定频率的光子在通过器件PN结的时候，使器件内部 的原子外层的电子跃迁，在外部回路连通的情况下，在外部回路中形成电 流。

众所周知，光具有波粒二重性，可以理解为光的波长决定了每个光子 的能量，对于光伏器件来说，只有具有一定能量的光子，也就是具有特定 波长(通常是波可见光波段)的光子才能使原子的外层电子激发跃迁，产 生电子空穴对，我们将其称为光子的能量阈值，每个高于能量阈值的光子 只能产生一对电子空穴对，而低于此阈值的光子尤其是长波段的光则不能 被有效利用，只能以热的形式被浪费掉，或直接穿过电池损失掉。

传统的单结晶体硅太阳能电池只能有效利用波长范围在400nm- 900nm的太阳能，其余的紫外光和红外光都不能有效地吸收，这就极大 地限制了晶体硅太阳能电池的效率。

近年来，随着光伏器件结构和工艺的不断优化，对于短波段光的利用 已经有了较大的提高，但是对于长波段的光的利用仍然没有比较有效的方 案。

另外，长波段的红外光不能得到有效利用的另一后果是，它会快速提 升电池模组的温度，光伏电池的最佳工作温度是在25度，温度每升高1 度，组件的最大输出功率会降低0.4％-0.5％，在温度比较高的时候，比如 夏季或温度较高的南方或赤道地带，光伏模组的表面温度会升高到将近 80-100度，光伏器件输出功率会大幅降低10％-20％左右。

长波段光的有效利用对于光伏发电来说至关重要，例如现有技术 CN103531711A和CN103531712A通过波长选择的材料配置使得全波长可 以用于发电，但是所选择材料价格昂贵，耐用性差，长波长利用率仍难以 达到满意的效果。

所以，如何实现大幅提高光伏器件本身的转换效率，限制光伏器件本 身的温度升高而增加器件的功率输出，仍是本领域需要解决的技术难题。

发明内容

本发明提供了一种多功能全天侯全波段太阳能发电系统，包括两大功 能单元，一是位于器件受光面的主要利用中、短波长(400-1100纳米) 的光直接发电的光伏发电单元；二是部分位于器件背光面光热发电单元， 它主要是利用来自器件本身的热量或从周围环境吸收的热量进行光热发 电，其中器件本身热量来源形式主要有：光波中400-1100纳米波长以外 的阳光直接辐射能量，以及被吸收的但超出了能量吸收阈值以外的能量 等。

具体地，一种多功能全天侯全波段太阳能发电系统，包括：设置于器 件受光面的利用利用400-1100纳米波长的阳光发电的光伏发电单元，以 及设置于器件背光面的利用400-1100纳米波长以外阳光发电的光热发电 单元。

上述光伏发电单元，主要由光伏组件阵列组成，所述光伏组件可以是 常规晶体硅光伏组件、非晶硅薄膜组件等其他类型的光伏发电组件，其中 电池单元面向阳光，将接受到的阳光中能量达到激发阈值的光子直接转化 成电能，而其他能量达不到阈值的长波段光子和达到阈值的光子经过量子 激发之后的剩余能量则通过热的形式辐射到周围空间或传导至器件背面、 或保存在器件内部。

两种发电单元相互集成，又各自相对独立，能够各自发挥本单元的发 电功能和其他功能，共同为系统增效，提高整个系统的发电效率和发电 量。

上述光热发电单元，主要包括集热器、导热器、蓄热器和发电模块组 成，依次连接。每个光伏组件的背面与集热器连接。

上述集热器是一种集成或封装于电池组件内部或背部的一根以上的片 式或带状导热管，用于采集组件内部产生或聚集的过多热量，并将其快 速、高效地传导至导热单元，且能够用于为光伏组件本身降温。

上述导热器由一根以上的圆形导热管组成，与前述集热器相连，每根 导热管可同时串接若干块光伏组件，位于组件的两端或一端，具体串接数 量由整个系统设计容量、光伏组件的安装结构、热管的性能等因素而定。 导热管用于将前述集热器采集的热量汇集并快速、高效地传导至储热器。

所述集热器和导热管为铜质或铝质材料制成，其内部中空，内部传热 介质为甲醇、丙酮、水等中的一种以上的物质。

蓄热器是一种热量存储装置，一方面用于吸收导热管传导来的热量； 另一方面作为导热管的冷却端，维持热传导的循环，提高整个系统的降 温、热采集性能。所述蓄热器具有储存热交换器交换的热量并具有延长保 温的功能。蓄热器中存储的热量可以被用来直接或间接地发电。

本发明另一优选方案为上述蓄热器上集成有发电模块，优选为一套半 导体温差发电单元，可以利用蓄热器中热能与周围环境温差直接进行发 电，此处温差范围为10-100摄氏度。或者与其他热发模块相连，利用蓄 热器中储存的热能直接或间接转化为电能，从而实现对光伏组件降温集 热、蓄热发电的系统发电功能。对阳光中的能量充分利用，使得整个系统 的发电量大幅提升。

上述蓄热器吸收热管中的热量，蓄热器连接温差发电单元，用于发 电；并连接温差发电单元冷源，为导热管降温，优选温差发电单元冷源为 水箱，可为用户提供了生活热水。

所述发电单元直接发电，直接发电的方式可以为利用热辐射的温差发 电方式。或者所述发电单元间接发电，间接发电的方式为通过控制存储的 热量的释放和运行方式，带动汽轮机或外部加热的斯特林发电发电机通过 做功发电。

上述各部件的材料均为现有材料，可通过市售获得，但是属于其他领 域，在光伏领域尚无普遍应用案例。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

1)本发明太阳能发电系统，能够有效利用太阳光中整个波段的能量 或热量直接发电，尤其是可以利用长波段的红外光，提高太阳光发电的转 换率，增加光伏器件的输出功率，这是与常规太阳能组件最大的不同之 处。

2)本发明太阳能发电系统主要由光伏发电系统和蓄热温差发电系统 组成，白天阳光充足时光伏发电系统直接发电；当蓄热器中水温达到一定 温度时，温差发电系统开始发电，尤其是在夜间无阳光的情况下，温差热 发电单元仍可发电。

3)本发明太阳能发电系统的温差热发电系统为光伏发电系统提供了 散热降温的效果，利用高效散热和集热器件，维持或降低光伏器件的温度 不高于一定的值，降低过高的温度对光伏器件输出功率的影响，也增加了 光伏器件的发电量。

4)本太阳能发电系统在提高整个系统发电量的同时，蓄热器也可为 用户提供了生活热水，大大增加了用户生活的便捷性。

附图说明

图1是本发明太阳能发电系统背面图；

图2是本发明太阳能发电系统构造图；

其中，1-光伏组件(光伏发电单元)；2-集热器；3-导热管；4-热交 换器或蓄热器；5-温差发电单元；6-温差发电单元冷源。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

本发明优选实施方案：本太阳能发电系统的实施主要有以下步骤，如 图1和图2所示：

步骤一：制备具有集热器的光伏组件

一种多功能全天侯全波段太阳能发电系统，其特征在于，包括：设置 于器件受光面的利用中、短波光发电的光伏发电单元，以及设置于器件背 光面的利用长波段红外光发电的光热发电单元。

所述光伏发电单元，主要由光伏组件阵列组成，所述光伏组件由非晶 硅电池单元组成，其中电池单元面向阳光，将接受到的阳光中能量达到激 发阈值的光子直接转化成电能

而其他能量达不到阈值的长波段光子和达到阈值的光子经过量子激发 之后的剩余能量传递到光热发电单元，主要包括集热器、导热器、蓄热器 和发电模块组成。每个光伏组件的背面与集热器连接。

选取3根规格100mm(宽)*1600mm(长)*5mm(厚)，热导率高 的铝质带状导热管构成集热器。集热器直接粘结与光伏组件的背面。带状 铝质热管通过导热粘结胶与光伏组件背面粘结，要求粘结紧密，防水防潮 防渗。(本发明另一实施方式在组件层压工序直接层压镶嵌于组件背 面)。

在光伏组件铝边框的一端的两头开孔，便于后续导热管组成的导热器 的穿装。

步骤二：蓄热器的安装

蓄热器采用水箱蓄热，预制水箱尺寸为1000mm(长)*600mm (宽)*600mm(高)，安装在水箱架上，水箱架高于组件项端500mm。 水箱靠近上部中间位置留有导热管通道。

步骤三：温差发电单元的安装

在水箱下部底面均匀区域，用高效率导热胶粘结有温差发电单元阵 列，其端与蓄热器表面相接。温差发电单元采用市售的40mm(长)*40 mm(宽)*5mm(厚)的半导体温差发电片，其发电功率在5W-10W每 块。并将其串联相接后将接头导线引出。

同时将温差发电单元的冷端与冷源连接，冷源采用温度不超过30度 的常温水箱。将发电片的冷端与冷源水箱用导热胶粘结。

步骤四：系统组装

用导热管将系统连接。

首先用导热管将所有光伏组件串接，导热管穿过组件铝边框两端的预 留孔，并将导热管与集热器用导热胶粘结，同时用密封硅胶密封所有接缝 位置。

将导热管通过蓄热器上端的通孔穿入其内部，并蓄水至水箱高度的 500mm处，同时加盖密封。

步骤五：将光伏发电系统引出线和温差发电引出线相串联，一并接入 逆变系统，并与电网或负载相接。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。