CN114050786A - 一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，公开了一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，所述***包括半透明光伏电池、锯齿状透明结构、太阳能集热管；所述半透明光伏电池底部设置锯齿状透明结构，所述锯齿状透明结构下方设置太阳能集热管，所述锯齿状透明结构将透过半透明光伏电池的光聚集在太阳能集热管上。本发明有效解决了现有技术中光伏电池自分频型的光伏/光热***只能产生低品位热能,热能利用范围窄的问题，本发明能够获得高品质的热能和电能，满足工商业和居民对热电的双重需求。

Description

一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，更具体地涉及一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***。
背景技术
太阳能电池是利用太阳能的重要形式。但是，太阳能电池受半导体材料带隙所限制，太阳能电池无法将分布在 400nm～2500nm光谱范围内的太阳能全部转化为电能。太阳能电池只能将光子能量大于半导体带隙的太阳光转换为电能。而光子能量小于半导体带隙的太阳光被太阳能电池中的自由载流子吸收并转化为有害热量，从而降低太阳能电池效率以及使用寿命。因此，发展全光谱太阳能高效利用具有重要意义。
光谱分频技术是实现全光谱太阳能利用，提高太阳能转换效率的一种有效方法。纳米薄膜和纳米流体是两种常用的光谱分频装置。基于纳米薄膜分频型的光伏/光热***和基于纳米流体分频型的光伏/光热***的原理是纳米薄膜和纳米流体可以将太阳光谱按照光子能量大小分成两部分，并且将光子能量大于半导体带隙的太阳光定向传输至光伏电池，将光子能量低于半导体带隙的太阳光定向传输至吸热器，从而实现太阳能全光谱光伏/光热综合利用。然而，基于纳米流体或纳米薄膜的光谱分频太阳能全光谱光伏/光热***的应用受到以下限制：(1)精确的光路要求，如果不满足，会导致严重的漏光；(2)多个光器件导致光学损失高；(3)纳米薄膜制作费用昂贵，纳米流体存在不稳定性。
发明内容
为解决现有技术中光伏电池自分频型的光伏/光热***只能产生低品位热能,热能利用范围窄的问题，本发明提供一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***。
本发明采用的具体方案为：一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，所述***包括半透明光伏电池、锯齿状透明结构、太阳能集热管；所述半透明光伏电池底部设置锯齿状透明结构，所述锯齿状透明结构下方设置太阳能集热管，所述锯齿状透明结构将透过半透明光伏电池的光聚集在太阳能集热管上。
所述锯齿状透明结构包括左锯齿、右锯齿两部分，所述左锯齿与右锯齿相同，所述左锯齿向右倾斜，所述左锯齿、右锯齿将两侧摄入的光折射在太阳能集热管上。
所述半透明光伏电池从上至下依次包括上表面电极、p-α-Si:H层、i-α-Si:H层、n-α-Si:H 层、下表面电极、基底。
所述上、下表面电极的材质为ITO。
所述太阳能集热管由外至内依次包括外层、真空层、镀膜层、内层、传热工质。
所述外层为玻璃管，内层为金属管。
所述镀膜层贴于金属管外表面，金属管流通传热工质。
所述锯齿状透明结构与半透明光伏电池一体成型。
所述锯齿状透明结构的材料为PMMA，齿宽为0.5～1mm。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明通过所述半透明光伏电池底部设置锯齿状透明结构，锯齿状透明结构下方设置太阳能集热管，锯齿状透明结构将透过半透明光伏电池的光聚集在太阳能集热管上，使用普通的半透明光伏电池而不是特殊的耐高温半透明光伏电池即可以获得高品质的热能和电能，满足工商业和居民对热电的双重需求，在自然资源日益匮乏的今天，具有重要的节能意义。
2、本发明中锯齿状透明结构与半透明光伏电池一体成型化，无需额外安装支架，省时省力，大幅度节约了成本。
附图说明
图1为本发明结构及原理图；
图2为半透明光伏电池结构示意图；
图3为本发明中锯齿状透明结构示意图；
图4为本发明太阳能集热管结构示意图；
图5为本发明半透明光伏电池在300～800nm波段测量的光谱吸收率示意图；
图6为在300～2500nm波段测量的光谱透射率；
图7为本发明中光伏/聚光光热***的透射聚光比；
图8为本发明与现有技术对比图。
其中，附图标记分别为：
1.半透明光伏电池；2.锯齿状透明结构；3.太阳能集热管；4.上表面电极；5.p-α-Si:H 层；6.i-α-Si:H层；7.n-α-Si:H层；8.下表面电极；9.基底；10.外层；11.真空层；12.镀膜层；13.内层；14.传热介质；15.左锯齿；16.右锯齿；17.锯齿齿宽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，所述***包括半透明光伏电池1、锯齿状透明结构2、太阳能集热管3；所述半透明光伏电池1底部设置锯齿状透明结构2，所述锯齿状透明结构2下方设置太阳能集热管3，所述锯齿状透明结构将透过半透明光伏电池1的光聚集在太阳能集热管3上。因此，该基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***可以同时获得电能和高温热能。
所述锯齿状透明结构2包括左锯齿15、右锯齿16两部分，所述左锯齿15与右锯齿16相同，所述左锯齿15向右倾斜，所述右锯齿16向左倾斜，两侧摄入的光在太阳能集热管上汇聚。因此，所述锯齿状透明结构可以聚集太阳光，提高入射太阳光能流密度。
所述半透明光伏电池从上至下依次包括上表面电极4、p-α-Si:H层5、i-α-Si:H层6、 n-α-Si:H层7、下表面电极8、基底9。因此，所述半透明光伏电池可以吸收可见光发电，透射红外光用于产生热能。
所述上、下表面6、7电极的材质为ITO。因此，所述上、下表面电极可以用来导电。
所述太阳能集热管3由外至内依次包括外层10、真空层11、镀膜层12、内层13、传热工质14。贴于金属管外表面的具有低发射比的镀膜层,用于减少辐射热损耗。因此，所述太阳能集热管可以高效吸收从半透明光伏电池透射出来的太阳光，加热内部流体工质，并且具有高保温性能。
所述外层10为玻璃管，内层13为金属管。所述玻璃管具有无损吸收光性能，以及可以降低对流和导热损失。所述金属管具有高吸收光性能，可以高效吸收从半透明光伏电池透射出来的太阳光，加热内部流体工质。
所述镀膜层12贴于内层13金属管的外表面，金属管流通传热工质14。所述镀膜层具有高吸收太阳光，低发射红外光，从而避免了红外辐射损失。
所述锯齿状透明结构2与半透明光伏电池一体成型。因此，无需额外安装支架，省时省力，大幅度节约了成本
所述锯齿状透明结构2的材料为PMMA，齿宽为0.5-1mm。因此，可以有效聚集从半透明光伏电池透射出来的太阳光，提高太阳光入射强度。
本发明的主要工作原理是半透明光伏电池直接吸收光子能量大于半导体带隙的太阳光，并将光子能量小于半导体带隙的太阳光透射传输到下方的吸热器。在该***中，半透明光伏电池同时作为光谱分频装置和光电转换装置。在基于光伏电池自分频型的光伏/光热***中，通过简单的结构来提高透射太阳能的能量密度，进而提高热能品位，扩大热能利用范围，是具有重要意义的。
本发明中的太阳的能量主要分布在400nm～2500nm光谱范围内，波长越短，光子的能量越高，波长越长，光子的能量越低。而现有技术中的光伏电池一般只能利用太阳光谱中的高能光子发电，低能光子只能被光伏电池转换为热能，进而加热光伏电池并降低光伏电池效率。
太阳光照射到光伏电池上之后，太阳光中的低能光子从光伏电池中透射出去，进而避免了光伏电池被加热；本发明不仅可以利用高能光子产生电能，还可以利用低能光子产生热能，实现了全光谱的利用；本发明采用聚光透镜的目的是为了提高照射到光热吸收器的太阳光强度。
实施例1
一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，所述***包括半透明光伏电池1、锯齿状透明结构2、太阳能集热管3；所述半透明光伏电池1底部设置锯齿状透明结构2，所述锯齿状透明结构2下方设置太阳能集热管3，所述锯齿状透明结构将透过半透明光伏电池1的光聚集在太阳能集热管3上。所述锯齿状透明结构2包括左锯齿15、右锯齿16 两部分，所述左锯齿15与右锯齿16相同，所述左锯齿15向右倾斜，所述右锯齿16向左倾斜。所述半透明光伏电池从上至下依次包括上表面电极4、p-α-Si:H层5、i-α-Si:H层6、 n-α-Si:H层7、下表面电极8、基底9。所述锯齿状透明结构2的材料为PMMA，齿宽为 0.5mm。所述锯齿状透明结构2与半透明光伏电池一体成型。传热工质的材质为水或者导热油等。
所述太阳能集热管3用来吸收聚集的800～2500nm的太阳光，进而产生高品位高温热能。如图3所示，半透明光伏电池为ITO/p/i/n/ITO结构的α-Si:H半透明光伏电池。上表面电极4，材质为ITO,厚度为50nm；p-α-Si:H层5，厚度为12nm；i-α-Si:H层6,厚度为230nm；n-α-Si:H层7,厚度为30nm；下表面电极8,材质为ITO,厚度为80nm；基底9，材质为BK7玻璃。α-Si:H半透明光伏电池是采用磁控溅射和等离子体增强化学气相沉积技术完成的。ITO前电极和ITO后电极通过磁控溅射沉积技术。p-α-Si:H层、i-α-Si:H层和n-α-Si:H层是通过等离子体增强化学气相沉积技术沉积的。为了沉积i-α-Si:H层，使用了SiH4和H2的混合物。稀释参数([H2/(H2+SiH4)]×100％)是95％。为了沉积p-α-Si:H 层，使用了B(CH3)3、SiH4和H2的混合物。稀释参数([H2/(H2+SiH4)]×100％)是74.9％，稀释参数([B(CH3)3/(B(CH3)3+SiH4)]×100％)是1.3％。为了沉积n-α-Si:H层，将PH3添加到SiH4和H2的混合物中,稀释参数([H2/(H2+SiH4)]×100％)是95％，稀释参数(PH3/(PH3+SiH4)]×100％)是1.3％。
参见附图6，α-Si:H半透明薄膜太阳能电池在300～800nm波段测量的光谱吸收率。α-Si:H半透明薄膜太阳能电池的吸收率从92％增加到100％，然后随着波长的增加而减少到50％。α-Si:H半透明薄膜太阳能电池在300-550nm波段的吸收率高于90％，甚至在 425nm处达到了100％的完美吸收值。
参见图7，α-Si:H半透明薄膜太阳能电池的透射率在300-450nm波长范围内保持为零。随着波长从450nm增加到1050nm，透射率从0迅速增加到71％，并且随着波长从1050nm增加到2500nm，透射率急剧下降到30％，然后进一步轻微下降到27％。这些透射太阳辐射如果直接照射到吸热器，由于透射太阳辐射功率密度低，导致产生的热能温度低。本发明通过在半透明光伏电池下方安置一个锯齿状透明结构，将透射太阳辐射聚焦到下方，从而提高透射太阳辐射功率密度，进而提高热能的温度，克服了现有技术中的这一阻力。
图8显示了本实施例1在2021年6月21日在威海地区中午13:00、13:30、14:00、 14:30、15:00和15:30的太阳辐照从半透明光伏电池透射出去的聚光比。在威海地区中午 13:00、13:30、14:00、14:30、15:00和15:30的太阳辐照聚光比分别为11.8、11.1、11.2、 10.9、11.2和11.7。因此，基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***的平均聚光比为 11.3，可提供足够高的辐照度以满足许多应用的要求。

Claims (9)

1.一种基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述***包括半透明光伏电池(1)、锯齿状透明结构(2)、太阳能集热管(3)；所述半透明光伏电池(1)底部设置锯齿状透明结构(2)，所述锯齿状透明结构(2)下方设置太阳能集热管(3)，所述锯齿状透明结构(2)将透过半透明光伏电池(1)的光聚集在太阳能集热管(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述锯齿状透明结构(2)包括左锯齿(15)、右锯齿(16)两部分，所述左锯齿(15)与右锯齿(16)相同，所述左锯齿(15)、右锯齿(16)将两侧摄入的光折射在太阳能集热管(3)上。
3.根据权利要求1所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述半透明光伏电池(1)从上至下依次包括上表面电极(4)、p-α-Si:H层(5)、i-α-Si:H层(6)、n-α-Si:H层(7)、下表面电极(8)、基底(9)。
4.根据权利要求3所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述上、下表面电极(4、7)的材质为ITO。
5.根据权利要求1所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述太阳能集热管(3)由外至内依次包括外层(10)、真空层(11)、镀膜层(12)、内层(13)、传热工质(14)。
6.根据权利要求5所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述外层(10)为玻璃管，内层(13)为金属管。
7.根据权利要求6所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述镀膜层(12)贴于金属管外表面，金属管内流通传热工质(14)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述锯齿状透明结构(2)与半透明光伏电池(1)一体成型。
9.根据权利要求1-7任一项所述的基于光伏电池自分频型的光伏/聚光光热***，其特征在于，所述锯齿状透明结构(2)的材料为PMMA，齿宽为0.5-1mm。
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