CN108413625B - 一种改进的太阳能电池板集热器 - Google Patents
一种改进的太阳能电池板集热器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种改进的太阳能电池板集热器，包括太阳能电池板、导热胶层、导热胶垫、集热管、保温材料和储水箱；所述太阳能电池板下面设有导热胶层；导热胶层下面连接有导热胶垫；导热胶垫下面设有集热管；储水箱位于太阳能电池板上端，所述集热管上端与储水箱连通；集热器***除太阳能电池板以外均设有保温材料；所述太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合材料层，TiO2复合材料层表面吸附有染料；该TiO2复合材料层包括Pt/In2O3/TiO2核壳空心球，其中，TiO2空心球作为壳结构，Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒作为核结构，被TiO2空心球包覆。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能集热器技术领域，尤其涉及一种改进的太阳能电池板集热器。
背景技术
太阳能资源作为清洁、取之不尽的可再生能源，其利用价值不仅仅局限于专业领域，比如光伏发电，光热供暖等方面。在太阳能资源的利用中，太阳能光伏发电***占据很大部分，照射到太阳能电池板上的辐射能量，有80％以上转化为热能，这部分热能会影响光伏***的发电效率，而对于这部分热能可以进行充分的收集并加以利用，可以使资源利用率大幅提升。现在阶段，太阳能电池板仅仅用于光伏发电，太阳能集热器也是只用于对水的加热，而将两者的相关方面进行联系，使得太阳能电池板在发电的同时，收集太阳光照射在太阳能电池板的热量，可以为生活用水进行加热，达到光热两用的目的。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的太阳能电池板集热器，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种改进的太阳能电池板集热器，包括太阳能电池板、导热胶层、导热胶垫、集热管、保温材料和储水箱；所述太阳能电池板下面设有导热胶层；导热胶层下面连接有导热胶垫；导热胶垫下面设有集热管；储水箱位于太阳能电池板上端，所述集热管上端与储水箱连通；集热器***除太阳能电池板以外均设有保温材料；所述太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合材料层，TiO2复合材料层表面吸附有染料；该TiO2复合材料层包括Pt/In2O3/TiO2核壳空心球，其中，TiO2空心球作为壳结构，Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒作为核结构，被TiO2空心球包覆。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明通过在太阳能电池板背面加装集热管，并采用保温性能好的保温材料将改进装置的部分进行表面覆盖处理，同时对不锈钢储水箱表面进行保温处理，达到避免收集热量散失的目的，从而能充分利用太阳光所照射在太阳能电池板上产生的能量，提高光能的利用率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施方式中所述太阳能电池板集热器的结构示意图，
其中，1-太阳能电池板，2-导热胶层，3-导热胶垫，4-集热管，5-不锈钢储水箱，6-保温材料。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的实施例涉及一种改进的太阳能电池板集热器，结合图1，包括太阳能电池板1、导热胶层2、导热胶垫3、集热管4、保温材料6和储水箱5；所述太阳能电池板下面设有导热胶层；导热胶层下面连接有导热胶垫；导热胶垫下面设有集热管；储水箱位于太阳能电池板上端，所述集热管上端与储水箱5连通；集热器***除太阳能电池板以外均设有保温材料。
具体为：将太阳能电池板1背面的电力线路进行整理排列并固定，在太阳能电池板1背面涂抹一层导热胶层2，并放置导热胶垫3，用强力胶将太阳能电池板1与导热胶垫3粘连。将集热管4铺设在导热胶垫3的背面，用强力胶进行固定。集热管4的上部与不锈钢储水箱5连通，保证不锈钢储水箱5中的冷水能流入集热管4中，集热管4中的热水能流入不锈钢储水箱5中。不锈钢储水箱5与太阳能电池板1采用不锈钢螺栓固定连接，可拆卸。对太阳能电池板1，导热胶层2，导热胶垫3和集热管4所连接在一起的部分以及不锈钢储水箱5，采用保温材料6，进行保温处理，保温材料6为酚醛泡沫材料；对需要进行密封处理的地方采用密封胶进行密封处理。
本发明技术方案在降低太阳能电池板的温度以提高发电效率的基础上，充分利用太阳能电池板上的多余热量。
具体的，所述太阳能电池板1为染料敏化太阳能电池，该染料敏化太阳能电池包括对电极、与对电极对置的光阳极和保持在对电极和光阳极之间电解质层。
作为本发明的一部分，所述染料敏化太阳能电池具有制作简单、成本低的优点，在各种光照下，染料敏化剂均能够达到饱和状态，具有较强的环境适应性，并且该太阳能电池工作温度范围较宽，适应性强。
染料敏化太阳能电池一般来说包括对电极、光阳极和电解质层。光阳极也称为工作电极，光阳极通常包括半导体氧化物薄膜，最典型的是在FTO玻璃上涂覆一层20-30nm的TiO2纳米颗粒组成的10μm的薄膜。其是电池的核心部件，敏化剂吸附在TiO2纳米薄膜上，用来吸收太阳光。目前，染料敏化太阳能电池仍无法达到工业化生产的要求，TiO2光阳极作为DSSCs的核心部件，是决定太阳能电池光电转换效率的关键因素，因此，采用多样化的制备技术及掺杂、复合等方法以提高TiO2光阳极对太阳光的有效利用率，提高光电转换效率是目前DSSCs重要的开发方向。
基于上述背景，为提高光电转换效率，本发明技术方案中，该染料敏化太阳能电池的光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合材料层，TiO2复合材料层表面吸附有染料；该TiO2复合材料层包括Pt/In2O3/TiO2核壳空心球，其中，TiO2空心球作为壳结构，Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒作为核结构，被TiO2空心球包覆。
具体的，该TiO2复合材料层厚度为5μm。
二氧化钛是一种室温下禁带宽度为3.2eV的直接带隙半导体过渡金属氧化物，其具有很多实际应用。在传统领域如颜料、牙膏、涂料和近年快速发展的光电化学电池、染料敏化太阳能电池、光催化、抗菌、气体传感器、场发射器件、微波吸收材料等都有广泛的应用。现有技术中，TiO2薄膜是DSSCs光阳极薄膜的主要考虑对象，TiO2具有较好的物理化学稳定性，耐强酸碱腐蚀，而且纳米尺寸的TiO2在电荷传输分离、染料吸附等方面都显示出优异的性能。通过各种方法制备的TiO2薄膜尝试应用于光电极，比如控制纳米形貌、离子掺杂、半导体复合、贵金属修饰等。
氧化铟同样是一种重要的半导体材料，其具有很宽的禁带宽度，较小的电阻，较低的电子亲和能，较高的电导率和催化活性，被广泛应用于光电、气体传感、催化剂等领域。本发明技术方案中，通过在TiO2空心球内部设置In2O3纳米颗粒、Pt纳米颗粒，产生等离子体增强效应，有利于增大光电流密度，同时，扩展了吸收峰的范围，产生了意料不到的技术效果。
具体的，所述TiO2空心球粒径为500nm，所述Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒的粒径均为20nm。
在所述TiO2复合材料中，该Pt纳米颗粒与TiO2质量比为2.7％，该In2O3纳米颗粒与TiO2质量比为7.3％。
在上述的尺寸及质量比例下，该TiO2复合材料产生了意料不到的技术效果，能够有效降低光生载流子的复合几率，对于光电转换效率和短路电流密度的提高产生积极影响。
本发明中，所述光阳极的制备过程为：
S1，制备TiO2空心球前驱物：
将150ml乙醇和100ml乙腈混合，向其中加入1.04g超纯水，再向其中加入0.4g、质量分数为25wt.％的氨水溶液，然后，在快速搅拌下向其中加入5ml的钛酸异丙酯，持续搅拌12h，形成的TiO2空心球前驱物经过乙醇溶液离心洗涤3次，最后，离心沉淀物，用超纯水离心洗涤3次，得到TiO2空心球前驱物；
S2，制备In2O3纳米颗粒
将0.19g水和硝酸铟(In(NO3)3·4.5H2O)固体粉末溶解于20ml的二甲基甲酰胺中，形成混合溶液，在室温下搅拌30min，将0.6g的尿素加入上述混合溶液中，继续搅拌3h，然后密封，将其在110℃加热24h，反应结束后，自然冷却，然后依次用去例子水、无水乙醇洗涤、离心，清洗5次，将离心产物烘干后放入马弗炉中分别在在250℃、550℃退火3h、5h，得到In2O3纳米颗粒；
S3，制备Pt/In2O3/TiO2核壳空心球
取浓度为5mM、10ml的H2PtCl6·6H2O，在剧烈搅拌下将其加入到190ml的超纯水中，然后根据质量比例加入上述的TiO2空心球前驱物、In2O3纳米颗粒，得到悬浊液，室温下搅拌6h，离心收集沉淀物并在室温下干燥5h；
将干燥好的沉淀物分散在40ml的超纯水中，再向其中加入0.17g的氟化铵，搅拌2h，加入0.18g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌3h后转入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜在120℃下保温5h使产物结晶并刻蚀，待反应完成后，得到溶液A；
将5ml的10mM柠檬酸钠、3ml的10mM硼氢化钠、160ml超纯水混合，形成混合溶液，然后将溶液A加入其中，在93℃搅拌30h，反应结束后，将所得沉淀物用1mM的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后再390℃下退火5h，得到Pt/In2O3/TiO2核壳空心球；
S4，制备光阳极
将0.24g的Pt/In2O3/TiO2核壳空心球、0.88g的松油醇和1.5ml的无水乙醇混合均匀，得到混合物B；
然后取0.15g乙基纤维素，将其溶解于无水乙醇中，配置成10wt.％的粘稠溶液；
将粘稠溶液加入到上述混合物B中，得到浆料C，然后将浆料C在研钵中研磨20min，在磁力搅拌和超声波清洗器中搅拌和超声各30min，将浆料C用匀胶机旋涂在清洗过的FTO玻璃上，重复旋涂几次，达到工作电极薄膜的厚度要求；
将旋涂好的FTO玻璃在120℃干燥5h，然后在250℃煅烧5min、280℃煅烧5min、340℃煅烧50min、400℃煅烧15min、500℃煅烧20min；
然后将FTO玻璃浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极。
本发明中，所述电解质层为溶解有氧化还原***的电解液，其中该氧化还原***引起至少一种可逆的氧化还原状态变化，例如，氧化还原对可以是I-/I3 -、Br-/Br2等卤素类、铜(I)离子/铜(II)离子等。
本发明中，所述的对电极为Pt对电极。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例中，该染料敏化太阳能电池的光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合材料层，TiO2复合材料层表面吸附有染料。
具体的，该TiO2复合材料层厚度为5μm。
该TiO2复合材料层包括Pt/In2O3/TiO2核壳空心球，其中，TiO2空心球作为壳结构，Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒作为核结构，被TiO2空心球包覆。
具体的，所述TiO2空心球粒径为500nm，所述Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒的粒径均为20nm；该Pt纳米颗粒/TiO2质量比为2.7％，该In2O3纳米颗粒/TiO2质量比为7.3％。
所述光阳极的制备过程为：
S1，制备TiO2空心球前驱物：
将150ml乙醇和100ml乙腈混合，向其中加入1.04g超纯水，再向其中加入0.4g、质量分数为25wt.％的氨水溶液，然后，在快速搅拌下向其中加入5ml的钛酸异丙酯，持续搅拌12h，形成的TiO2空心球前驱物经过乙醇溶液离心洗涤3次，最后，离心沉淀物，用超纯水离心洗涤3次，得到TiO2空心球前驱物；
S2，制备In2O3纳米颗粒
将0.19g水和硝酸铟(In(NO3)3·4.5H2O)固体粉末溶解于20ml的二甲基甲酰胺中，形成混合溶液，在室温下搅拌30min，将0.6g的尿素加入上述混合溶液中，继续搅拌3h，然后密封，将其在110℃加热24h，反应结束后，自然冷却，然后依次用去例子水、无水乙醇洗涤、离心，清洗5次，将离心产物烘干后放入马弗炉中分别在在250℃、550℃退火3h、5h，得到In2O3纳米颗粒；
S3，制备Pt/In2O3/TiO2核壳空心球
取浓度为5mM、10ml的H2PtCl6·6H2O，在剧烈搅拌下将其加入到190ml的超纯水中，然后根据质量比例加入上述的TiO2空心球前驱物、In2O3纳米颗粒，得到悬浊液，室温下搅拌6h，离心收集沉淀物并在室温下干燥5h；
将干燥好的沉淀物分散在40ml的超纯水中，再向其中加入0.17g的氟化铵，搅拌2h，加入0.18g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌3h后转入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜在120℃下保温5h使产物结晶并刻蚀，待反应完成后，得到溶液A；
将5ml的10mM柠檬酸钠、3ml的10mM硼氢化钠、160ml超纯水混合，形成混合溶液，然后将溶液A加入其中，在93℃搅拌30h，反应结束后，将所得沉淀物用1mM的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后再390℃下退火5h，得到Pt/In2O3/TiO2核壳空心球；
S4，制备光阳极
将0.24g的Pt/In2O3/TiO2核壳空心球、0.88g的松油醇和1.5ml的无水乙醇混合均匀，得到混合物B；
然后取0.15g乙基纤维素，将其溶解于无水乙醇中，配置成10wt.％的粘稠溶液；
将粘稠溶液加入到上述混合物B中，得到浆料C，然后将浆料C在研钵中研磨20min，在磁力搅拌和超声波清洗器中搅拌和超声各30min，将浆料C用匀胶机旋涂在清洗过的FTO玻璃上，重复旋涂几次，达到工作电极薄膜的厚度要求；
将旋涂好的FTO玻璃在120℃干燥5h，然后在250℃煅烧5min、280℃煅烧5min、340℃煅烧50min、400℃煅烧15min、500℃煅烧20min；
然后将FTO玻璃浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极。
所述电解质层为溶解有氧化还原***的电解液，其中该氧化还原***引起至少一种可逆的氧化还原状态变化，例如，氧化还原对可以是I-/I3 -、Br-/Br2等卤素类、铜(I)离子/铜(II)离子等。
所述的对电极为Pt对电极。
实施例2
参照实施例1，不同之处在于所述TiO2复合材料层包括In2O3/TiO2核壳空心球，即没有Pt纳米颗粒。
实施例3
参照实施例1，不同之处在于所述TiO2复合材料层包括Pt/TiO2核壳空心球，即没有In2O3纳米颗粒。
染料敏化太阳能电池的光电性能主要是由测定电池的短路电流密度-开路电压来表现，测试是在模拟标准太阳光照射下进行的，在AM1.5的标准光源下，对所得染料敏化太阳能电池性能进行测试，结果如表1所示，记录参数有开路电压、短路电流、转换效率，从中可知，相较实施例2、3，本发明实施例1得到的染料敏化太阳能电池具有较高的光电转换效率。
表1实施例1-3的太阳能电池的性能表征结果
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种改进的太阳能电池板集热器，其特征在于，包括太阳能电池板、导热胶层、导热胶垫、集热管、保温材料和储水箱；所述太阳能电池板下面设有导热胶层；导热胶层下面连接有导热胶垫；导热胶垫下面设有集热管；储水箱位于太阳能电池板上端，所述集热管上端与储水箱连通；集热器***除太阳能电池板以外均设有保温材料；所述太阳能电池板为染料敏化太阳能电池，包括光阳极，所述光阳极包括FTO基底，在FTO基底表面设有TiO2复合材料层，TiO2复合材料层表面吸附有染料；该TiO2复合材料层包括Pt/In2O3/TiO2核壳空心球，其中，TiO2空心球作为壳结构，Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒作为核结构，被TiO2空心球包覆；所述TiO2复合材料层厚度为5μm，所述TiO2空心球粒径为500nm，所述Pt纳米颗粒、In2O3纳米颗粒的粒径均为20nm，所述TiO2复合材料中，所述Pt纳米颗粒与TiO2质量比为2.7％，所述In2O3纳米颗粒与TiO2质量比为7.3％；
所述光阳极的制备过程为：
S1，制备TiO2空心球前驱物：
将150ml乙醇和100ml乙腈混合，向其中加入1.04g超纯水，再向其中加入0.4g、质量分数为25wt.％的氨水溶液，然后，在快速搅拌下向其中加入5ml的钛酸异丙酯，持续搅拌12h，形成的TiO2空心球前驱物经过乙醇溶液离心洗涤3次，最后，离心沉淀物，用超纯水离心洗涤3次，得到TiO2空心球前驱物；
S2，制备In2O3纳米颗粒
将0.19g水和硝酸铟(In(NO3)3·4.5H2O)固体粉末溶解于20ml的二甲基甲酰胺中，形成混合溶液，在室温下搅拌30min，将0.6g的尿素加入上述混合溶液中，继续搅拌3h，然后密封，将其在110℃加热24h，反应结束后，自然冷却，然后依次用去离子水、无水乙醇洗涤、离心，清洗5次，将离心产物烘干后放入马弗炉中分别在在250℃、550℃退火3h、5h，得到In2O3纳米颗粒；
S3，制备Pt/In2O3/TiO2核壳空心球
取浓度为5mM、10ml的H2PtCl6·6H2O，在剧烈搅拌下将其加入到190ml的超纯水中，然后根据质量比例加入上述的TiO2空心球前驱物、In2O3纳米颗粒，得到悬浊液，室温下搅拌6h，离心收集沉淀物并在室温下干燥5h；
将干燥好的沉淀物分散在40ml的超纯水中，再向其中加入0.17g的氟化铵，搅拌2h，加入0.18g的聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌3h后转入聚四氟乙烯反应釜中，反应釜在120℃下保温5h使产物结晶并刻蚀，待反应完成后，得到溶液A；
将5ml的10mM柠檬酸钠、3ml的10mM硼氢化钠、160ml超纯水混合，形成混合溶液，然后将溶液A加入其中，在93℃搅拌30h，反应结束后，将所得沉淀物用1mM的NaOH溶液和超纯水离心洗涤，然后再390℃下退火5h，得到Pt/In2O3/TiO2核壳空心球；
S4，制备光阳极
将0.24g的Pt/In2O3/TiO2核壳空心球、0.88g的松油醇和1.5ml的无水乙醇混合均匀，得到混合物B；
然后取0.15g乙基纤维素，将其溶解于无水乙醇中，配置成10wt.％的粘稠溶液；
将粘稠溶液加入到上述混合物B中，得到浆料C，然后将浆料C在研钵中研磨20min，在磁力搅拌和超声波清洗器中搅拌和超声各30min，将浆料C用匀胶机旋涂在清洗过的FTO玻璃上，重复旋涂几次，达到工作电极薄膜的厚度要求；
将旋涂好的FTO玻璃煅烧，然后将FTO玻璃浸入到0.05mM染料N-719的乙腈和叔丁醇混合溶液中，乙腈和叔丁醇体积比为1:1，停留24h，取出后晾干，得到所述的光阳极。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板集热器，其特征在于，S4中，将旋涂好的FTO玻璃煅烧，所述煅烧过程为：将旋涂好的FTO玻璃在120℃干燥5h，然后在250℃煅烧5min、280℃煅烧5min、340℃煅烧50min、400℃煅烧15min、500℃煅烧20min。
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