CN103262262B - 混合型太阳能板 - Google Patents

Abstract

此项发明涉及到一种混合型太阳能板；其组成包括：光伏元件(1)包括其正面和背面、布置在所述光伏元件(1)背面的换热器(E)、以能对所述光伏元件进行冷却的方式在换热器(E)内流动的冷却液。所述换热器(E)，其包括一个布置在所述光伏元件(1)下方的换热区(ZE)；所述流体能在该区域内流动；所述换热区由能以便于换热区(ZE)内进行热交换的方式来对所述流体的流动进行干扰的各种元件(20)组成。其特征在于，所述换热区(ZE)是由底部换热板(2)组成的；底部换热板是以集成干扰元件(20)便能对在所述换热区内流动的所有厚度位置的冷却液层产生作用的方式成型的；以及在于，干扰元件(20)顶端以所述光伏元件(1)基本上能在接触点上进行冷却的方式来与光伏元件(1)的背面发生接触。

Description

混合型太阳能板

技术领域

此项发明的对象为混合型太阳能板。此项发明同样涉及到能对混合型太阳能板光伏元件进行冷却的流程以及此类太阳能板的制造流程。

此项发明涉及到对混合型太阳能板进行热控制的热交换器技术领域(能产生电能和热能)；所述交换器由能干扰冷却液流动的设备组成。此项发明的对象为混合型太阳能板。此项发明同样涉及到能对混合型太阳能板光伏元件进行冷却的流程以及此类太阳能板的制造流程。

背景技术

光伏太阳能板可采用太阳辐射来产生电能。太阳能板由按照光电效应原理运行的若干光伏元件组成(典型的组成元件为光伏组件或25个薄层元件组成)。一般来说，若干块光伏元件在光伏太阳能板上两两进行连接；然后，若干块太阳能板进行重组后便可构成太阳能设施。该设施能发电供就地消费或提供给配电网。

光伏太阳能板仅能将很少一部分太阳辐射能转换成电能(目前其转化率小于20％)；而剩下的部分则为不能利用的热能。该热能对太阳能板的热性能不利，因为已证实在温度约为-0.45％/℃时会降低光伏元件的效能。这就是为什么冷却光伏太阳能板会备受关注。实际上，这样不仅可以提高光伏元件的效能，而且冷却时产生的热量可以在较为复杂的加热系统中加以利用。因此可以说混合型太阳能板既能产生电能也能产生热能。

一般来说，换热器将以能对光伏元件进行冷却的方式布置在光伏元件背面。如下15份专利文件中已对太阳能板用的一些换热器进行了描述：FR2.319.585(LIEBARD)、FR2.566.183(LUCCIONI)、FR2.727.790(CYTHELIA)、US4.361.717(GILMORE)、US4.184.543(KLEINE)、US7.076.965(LASICH)、DE197.47.325(SCHRENK)ouDE10.2004.002.900(MASCHKE)。

所有这些换热器均能对光伏元件进行冷却以提高其效率。但是，所述换热区也存在一些缺点：其设计相对较为复杂从而使太阳能板显得较为笨重；不能均匀地对光伏元件进行冷却；不能以优化方式来提取热量；需要使用大量的能源来驱动冷却液等等。

依据专利文件FR2.911.997(DIEMUNSCH)可以进一步了解到，在混合型太阳能板中，换热器由安装在光伏元件下方的底板组成；冷却液以层流方式在底板上流动。能干扰冷却液流动的元件，会以便于热交换的方式布置在底板上。干扰元件可以是固定在流动方向上的肋条、能产生VonKarman型三维漩涡的圆柱形障碍物或球形障碍物、以及高度小于流动厚度的叶片，以便于能在叶片边缘或与流动方向垂直的流体层内的导轮内产生漩涡。

不同的干扰元件全部都集成在底板上。因此需要以粘贴、焊接或螺丝来进行固定；这些步骤会让设计变得较为复杂且操作起来十分耗时。以工业方式大量制造此类换热器的成本相对较高。

针对这些现状，此项发明的主要目的在以更快的速度和更低的成本进行工业化制造的方式来简化混合型太阳能板换热器的设计。

此项发明欲达到的其他目的列举如下：光伏元件上的温度均匀、以优化方式提取热能、在限制重量的基础上使太阳能板更加坚固耐用。

发明内容

此项发明所建议的解决方案为混合型太阳能板，其组成如下：

-光伏元件，包括其正面和背面；

-安装在所述光伏元件背面的换热器；

-以能对光伏元件进行冷却的方式在所述换热器内流动的冷却液；

所述换热器，其包括一个布置在所述光伏元件下方的换热区；所述流体能在该区域内流动；所述换热区由能以便于换热区内进行热交换的方式来对所述流体的流动进行干扰的各种元件组成。

该太阳能板尤其具有如下特征：

底板以能形成集成干扰元件的方式成型；该集成干扰元件能对在换热区内流动的所有厚度位置的冷却液液层产生作用。自制成后，换热区内便集成入对换热器制造过程进行大量简化的干扰元件。

-干扰元件的顶端和光伏元件的背面以如下方式进行接触：所述光伏元件主要在这些接触点上进行冷却。

在实施方案中，优先考虑采用铝质母材的顶部换热板，并将其固定在光伏元件背面；干扰元件顶端则以顶板温度与非冷却点或非加热点温度一致的方式来与所述顶板进行接触。

无论采用何种解决方案，其技术结果均相同。事实上，干扰元件和光伏元件背面(或顶部换热板)之间的热接触，能保证将热量有效地传输到底板上；这一点是前述FR2.911.997专利文件中所述板件无法达到的。

底板因此可以有效地提取出光伏元件上所产生的热量，并随后采用冷却液来释放该热量。因此，冷却液不仅能回收所述光伏元件背面产生的热能，而且能回收底板上所产生的热能。

干扰元件在冷却液流动的底板顶面呈凸起状；而在不与所述流体发生接触且于顶面相对的板件底面呈凹陷状。

底板以金属质地为宜，并以能形成干扰元件的方式冲压而成。

优先考虑：换热器为整体式元件；底板则应以既是换热区的组成部分也是冷却液进液区和排放区的组成部分的方式成型。

底板则应以既是换热区的组成部分，也是光伏元件上支座的部分或全部组成部分的方式成型。

优先考虑：换热器由布置在换热区内的冷却液流通通道组成；所述流通通道有载荷损耗，能保证将所述流体在换热区内能均匀分布。底板以能形成分配通道的方式成型。

为便于使冷却液均匀地在换热区内分布，优先考虑流通的，大于换热区内所流动冷却液液层的厚度。一般来说，和换热区内的载荷损耗相比，流通通道内所产生的载荷损耗可以忽略不计。

换热器背面未配备任何隔热设备。

依据此项发明的另一项特征，优先考虑将一个细长的接线盒布置在所述底板的背面，但一般来说不布置在与光伏元件背面相对的位置。该项特征和前述其他特征相比具有技术独立性，尤其是其换热器的设计上更是如此。

此外，此项发明还涉及到混合型太阳能板光伏元件的冷却程序，其中包括：

-让冷却液在所述光伏元件下方(便于冷却)的换热区内流动；

-对所述流体在所述换热区内的流动情况进行干扰；

该程序的显著特征在于，可以对冷却液进行干扰，并将换热底板成型时所获得的干扰元件集成入换热区内；所述元件能对在所述换热区内流动的所有厚度位置的所述流体液层产生作用。

此外，此项发明还涉及到混合型太阳能板的制造程序；其中换热区安装在所述板件的光伏元件下方；该程序包括：

-将换热底板安装在所述光伏元件下方；冷却液在该底板上流动；所述底板在换热区成型，并具有能对所述流体进行干扰的元件；

-底板以能形成可对在换热区内流动的所有厚度位置的冷却液液层产生作用的集成干扰元件的方式成型。

优先考虑使用以能形成干扰元件的方式来进行冲压的金属底板。

附图说明

下文附图能便于更好地阅读说明书中所述的此项发明的其他优点和特征；附图内容仅供参考并不详尽；其中：

-图1为此项发明中的混合型太阳能板的剖面示意图；

-图2是图1的放大详图D1；

-图3为实施方案中所述的此项发明中的混合型太阳能板的剖面示意图；

-图4是图3的放大详图D2；

-图5是依据图1制成的A-A剖面图，图中干扰元件呈线性排列；

-图6是实施方案中给出的图5所述太阳能板；图中干扰元件呈梅花型排列；

-图7为此项发明中的换热底板透视图；

-图8为配备了EDGE接线盒的太阳能板仰视图；

-图9为图6所述太阳能板的俯视图；

-图10a至10c为此项发明的整体式换热器的不同制造流程图。

具体实施方式

此项发明的标的太阳能板为混合型太阳能板，即能产生电能和热能。该太阳能板可单独使用，或和其他类似的太阳能板一起使用，以便于其产生的电能和热能能在住所或设施内进行使用。

如图1至图4所示，太阳能板P集成了光伏元件1，包括正面和背面。正面留出的空白区域能用于接收太阳辐射。背面背对着换热器E。太阳能板P包括串联或并联的若干光伏元件1。光伏元件中包括有光伏元件、光伏细层等等。光伏元件为可被各行业普遍使用的类型；此处不再详述。

实际上，光伏元件1安装在作为支撑部件的换热器E上。光伏元件可直接固定在支撑上，或固定在坚硬框架上；而框架本身被固定在所述换热器上。

在有框架的情况下，如果只需要将换热器固定在该框架上，那么该框架只需要安装在光伏元件上，无需保证其支撑功能。在任何情况下，换热器E均以不阻挡太阳辐射的方式安装在光伏元件1下方。

传统的冷却液为含乙二醇的水，可在换热器E中流动，以便于回收光伏元件1中所产生的热量。为对冷却液的光伏元件1进行电气保护，电气防水绝缘层10可作为接口与所述元件背面进行连接。这样，光伏元件1的电气组件便不会和冷却液发生直接接触。该绝缘层10由预先粘在光伏元件0上的薄板(较为常见的是“薄板材料”，英语名称“backsheet”)组成，或由绝缘电胶布组成(比如硅胶)。在此项发明中，光伏元件“背面”是指采用电气防水绝缘层10和/或下文所述的顶板13来进行电气绝缘的部分。因此光伏元件1的背面也能进行电气绝缘。

实际上，换热器E包括三个主要区域：冷却液进液区ZA、换热区ZE和所述流体的排放区ZV。光伏元件1优先考虑在换热区ZE上重组，但是也可以分布在进液区ZA和排放区ZV上。换热区ZE的面积约为0.5至4m²。

如图7所述，换热器E优先考虑采用以金属板冲压、模压或其他方式获得的整体式元件。该整体式元件不仅能划定换热区ZE的界线，也能划定进液区ZA和排放区ZV的界线。

如图1至图9所示，进液区ZA和排放区ZV均是由布置在换热区ZE的流通通道11、12形成的。流通通道11、12呈排水沟外形，其纵向边缘和换热区ZE相通。通道间相互平行，并与换热区ZE内流体的流向垂直。如图5至图6所示，换热器E内流体的入口和出口优先考虑呈对角线分布，但是也可以在同一水平面上对称分布。其入口和出口可以位于流通通道11、12底部，或位于通道的侧壁上。流通通道11、12可以呈长方形、正方形、梯形、圆形截面或其他形状的截面，且和换热区ZE的载荷损耗相比，其载荷损耗可以忽略不计。实际上，流通通道11、12的，大于换热区ZE内所流动冷却液液层的厚度。在换热器E各侧，几乎不存在的载荷损耗则起着分配器的作用。事实上，在均匀地分布到换热区ZE内以前，流体首先会全部填满进液通道11。流体从通道内出来以后，会流入输出通道12，不会遇到任何阻碍。

因此可避免冷却液出现优先通道，并消除光伏元件1下方的热点。

换热区ZE由安装在光伏元件下方的换热底板2组成；冷却液在该底板上流动。按照此项发明的要求，底板2以能形成干扰元件20的方式成型。底板2自制成后便集成了采用和底板相同材料制成的干扰元件20。干扰元件具有双重功能：

-以便于在换热区ZE内进行换热的方式来干扰冷却液流动；

-增加换热面积，并参与换热。

实际上，干扰元件20可以呈肋条形、圆丘形、半球形、圆柱体形或多边形、金字塔形等等。根据换热区ZE面积大小的不同，干扰元件20的数量可以在几十到上百个不等。可以考虑每平方米换热面上存在一个或若干个干扰元件20。比如可以预计每平方米有300个干扰元件。干扰元件均匀地分布，更确切地说是呈线性分布，形成如图5所述的平行流动径路。在此情况下，冷却液总体上可平行流动；但是在元件20水平面上会受到局部干扰。在图6所述的实施方案中，干扰元件20以不规则方式分布，尤其以梅花形分布居多。在此情况下，冷却液的流动会受到干扰，而不再强行平行流动。

干扰元件20能对在换热区ZE内流动的所有厚度位置的冷却液液层产生作用。如图2和图4所示，干扰元件20的高度“h”与在换热区ZE内流动的冷却液液层厚度相一致。因此不存在在干扰元件20上方流动的液层。实际上，换热区ZE内流动的液层厚度(以及干扰元件20高度“h”)为几毫米。

优先考虑重量适宜/价格适中/具有导热性能较好的铝板2或铝合金板。但是，也可以选用具有导热性且适合相关行业使用的其他金属材质(铜、锌、铸铁等等)或其他材料(碳、诸如聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯之类的热塑材料、粉末状或金属片状带电聚合物等等)。实际上，可以使用以能形成干扰元件20方式冲压而成的金属板2。依据图1至图4，很明显干扰元件20在冷却液流动的底板2顶面呈凸起状；在不与所述流体发生接触且于顶面相对的板件底面呈凹陷状。这些凹陷区域会让板件2和换热区ZE下方流动的空气之间的热交换面积增大。

如图1和图2中的实施方式所述，干扰元件20顶端直接与光伏元件1的背面相接触。干扰元件20的顶端可以和绝缘层10粘在一起。

光伏元件1则主要在接触点表面进行冷却。干扰元件20的顶端以能保证和光伏元件1背面发生表面接触的方式成型。该接触表面的面积约为1mm²至10cm²；优先考虑3mm²以及4.5mm²型。干扰元件顶端和光伏元件1之间的表面接触，能保证将热能有效地传输到底板2上。冷却液不仅能回收所述光伏元件1背面产生的热能，而且能回收底板上所产生的热能，这样便能大大地加快热交换，并使光伏元件达到优化的冷却状态。

如图1和图2中的实施方式所述，换热顶板13被固定在光伏元件1的背面。和底板2一样，优先考虑铝质顶板13或铝合金顶板。但是也可使用前文所述类型且适合相关行业使用的导热材料。

干扰元件20的顶端以能保证和该顶板13发生表面接触的方式成型。

该接触表面的面积约为1mm²至10cm²；优先考虑3mm²以及4.5mm²型。顶板13可以粘在或焊接在干扰元件20和/或换热器E边缘上。

可以选用若干解决方案来将顶板13和光伏元件1组装在一起。顶板13可以粘贴在预先站在光伏元件1背面的绝缘薄板上。同样可以使用绝缘电胶布(比如：硅胶)将顶板13固定在光伏元件1的背面。同样可以在顶板13上覆盖上一层绝缘薄膜，并让所述板材和玻璃板/硬化塑料之间呈真空状态；光伏元件布置在所述两块板材之间。顶板13以抽真空方式紧贴在玻璃板/硬化塑料上；光伏元件为夹层。无论如何，无论选用何种固定技术，顶板13均应保证对冷却液进行密封的功能。

底板2的温度比顶板13的温度更低，因为干扰元件20能很好地将其冷却。干扰元件20的顶端能保证和顶板13很好地进行热接触。干扰元件20顶端和光伏元件1之间的表面接触，能保证将热能有效地传输到底板2上。冷却液不仅能回收顶板13上产生的热能，而且能回收底板2上所产生的热能，这样便能大大地加快热交换，并使光伏元件达到优化的冷却状态。因为具有较优良的导热性，顶板13的温度会迅速地变均匀；所述板件可以在无需设置热点或冷点的情况下完全冷却(如图1和图2所示，只对干扰元件20顶端表面进行局部冷却)。在顶板13上获得均匀温度的主要好处在于，光伏元件1可以以均匀的方式冷却无需设置热点。这样便能提高太阳能板的效能，需注意的是，光伏元件1被固定在较为脆弱的元件上，即固定在最热的元件上来发电。

按照此项发明的要求，底板2以能直接集成干扰元件20的方式成型。底板2同样以作为光伏元件1上支座的部分或全部组成部分的方式成型。因此应尽量缩小其体积和重量；换热器E选用的构架比采用先前常规工艺制造的太阳能板用换热器的构架结实。底板2同样能以能形成配送通道11、12(见图7)的方式成型。在此情况下，换热器E为整体式元件，由冷却液进液区ZA、含集成式干扰元件的换热区ZE以及所述流体排放区ZV专用单个元件组成。但是，也可以考虑将其他零件固定在底板2上用于加固。但是，在任何情况下，换热器E组成零件的数量均应根据先前常规工艺制造的换热器进行缩减。

图10a至10c给出了整体式换热器的不同制造步骤；该换热器中不仅集成有干扰元件，也集成有流通侧通道。所列举的技术为冲压(或模压成形)。金属板2将安装在201模具和202凸模的5个检查孔内(见图10a)。201模具和202凸模具有补充模腔；其几何形状与待制零件的形状一致。在201模具内，202凸模会使底板2变形以呈现出期望的几何形状(见图10b)。能以生产出换热器E的方式来区分开201模具和202凸模便足够了。其制造流程较为简单快捷；该类换热器十分易于进行工业化生产。

同样可以采用诸如模压之类的其他制造技术来生产整体式换热器；在此情况下，所用材料为铸铁型、热塑型或带电聚合物。

光伏太阳能板通常使用接线盒来放置旁通二极管。该类接线盒通常为长方形，并固定在太阳能板背面。考虑到接线盒的体积，混合型太阳能板应根据几何原理来设计其外形；所述接线盒考虑安装在换热器的凹槽内。在接线盒用凹槽水平面上，可以对换热情况进行干扰甚至减少换热，以便于位于其正上方的光伏元件不会以优化方式进行冷却。这样会对太阳能板的效能产生影响；因为通常情况下相对于整块太阳能板而言，光伏元件是最热也是最脆弱的部件。

为解决该问题，可以使用细长型接线盒，比如非集中型接线盒或EDGE接线盒。实际上，所用接线盒的长度约为130mm，宽度约为12mm，高度约为12mm。如图8和图9所示，该接线盒4布置在接线盒P背面，通常来说优先考虑以被面对光伏元件1背面的方式布置在背对该太阳能板的背部边缘位置。此类接线盒的细度完全能使接线盒位于光伏元件1第一排上方位置；这样光伏元件便能以均匀方式被完全冷却。

Claims (11)

1.混合型太阳能板由如下部分组成：

-光伏元件，包括正面和背面；

-相对于所述光伏元件的背面而安置的换热器；

-在所述换热器内流动的冷却液，其能对所述光伏元件进行冷却；

所述换热器包括一个布置在所述光伏元件下方的换热区；其中所述流体能在该区域内流动；所述换热区包括对所述流体的流动进行干扰以便于在所述换热区内进行热传递的各种元件；

其中所述换热区是由换热底板组成的；所述换热底板安置在所述光伏元件下方且由导热材料制成，所述换热底板具有所述冷却液在其上流动的顶表面并经成型以形成集成干扰元件，所述集成干扰元件在流动于所述换热区内的冷却液的液层的整个厚度上延伸，所述干扰元件由与所述换热底板相同的导热材料制成；

以及换热顶板被固定在所述光伏元件背面；所述干扰元件的顶端与所述换热顶板发生表面接触；

传热器，其在所述换热顶板与所述换热底板之间通过所述干扰元件从所述表面接触来执行，由此使得所述冷却液不仅在所述光伏元件的背面而且在所述换热底板从所述光伏元件回收热能，使得所述换热顶板的温度变均匀而没有冷点或热点；

所述干扰元件的顶端被附接至所述换热顶板；

所述干扰元件分布在错开的行中且选自由以下各项组成的组：肋条形、圆丘形、半球形、柱形管、多边形管以及金字塔形。

2.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述干扰元件在所述冷却液流动的所述换热底板的顶表面呈凸起状且在所述换热底板的底面呈凹陷状，所述底面不与相对于所述顶表面的流体端发生接触。

3.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述换热底板是金属的并经冲压而形成所述干扰元件。

4.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述换热器为整体式元件，所述换热底板经成形以不仅形成所述换热区，而且形成所述冷却液的进液区和排放区。

5.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述换热底板经成形以不仅形成所述换热区，而且形成基座的全部或一部分，所述光伏元件安置在所述基座上。

6.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述换热器包括用于使所述冷却液流通的通道，所述通道安置于所述换热区的两侧，所述通道具有比所述换热区内低的压力损耗，以使得所述流体能在所述换热区内均匀分布。

7.根据权利要求6所述的混合型太阳能板，其中所述通道的深度大于所述换热区内所流动的冷却液液层的厚度。

8.根据权利要求6所述的混合型太阳能板，其中所述换热底板经成形以形成流通通道。

9.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中所述换热器具有未配备任何隔热设备的背面。

10.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其中细长的接线盒布置在所述混合型太阳能板的背面而不与所述光伏元件的所述背面相对。

11.根据权利要求1所述的混合型太阳能板，其在每平方米换热面上包括数百个干扰元件，所述干扰元件以不规则方式分布。