专利名称：混合式光电光热收集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合式光电/热收集器，其既可以利用光电池能将太阳转换成电能，也可以利用热能收集器将太阳能转换成热能。
背景技术：
在家庭和工业应用中，可以按照两种基本方法使用太阳能来提供能量。首先，热收集器能用来把太阳能转换成热能。典型地，例如热收集器可以包括金属板，该金属板能够吸收尽可能多的太阳能，并将此能量作为热能传递给在管道中流动的水，其中这些管道与金属板接触。这里的水于是得到加热，并且可以直接用作热水源，或者用来驱动加热或冷却系统，例如利用热交换装置。
利用太阳能的另一种方法是使用光电池(俗称“太阳能电池”)把太阳能转换成电能。光电池是公知的，通常由半导体材料例如单晶硅制成，它能把入射的太阳辐射转换成电能。
虽然两种技术都得到了相当充分地认可并被用于在许多实际应用中，但两种技术的效率都不是特别高。例如，热收集器的日平均热效率约为50％，而对于光电池来说这个效率更低。对于单晶光电池来说，转换效率的最大值约为24％，但在实际应用中，由于各种原因，这个效率低到13％-15％。换句话说，入射在光电池上的多达85％-87％的太阳能要么被反射要么作为热能被吸收。
考虑到这个原因，提供组合混合式光电/热收集器是公知的，所述光电/热收集器将使用光电池产生电能和使用常规热收集器产生热能组合在一起。
在公知的混合式光电/热收集器中，设有用于光电池的板，板的位置要使得太阳能入射在该板上。在太阳能板之下布置有热收集器，热收集器从太阳能板接收热能。换句话说，至少一部分未转换成电能但被热收集器作为热能吸收的入射太阳能，然后从太阳能板传递给可以用来加热水的热收集器。通过这种方式，至少一部分未转换成电能的入射能不被浪费，而可以用来加热水。混合式光电/热收集器还具有单个装置既可以产生电能又可以产生热水的优点。
然而，为了提高热收集器的效率，在光电板和热收集器之间具有良好的热传递十分重要。热收集器的设计、将热收集器粘接或其它连接到光电板的方法都是非常重要的设计因素。虽然已经提出了混合式光电/热收集器的许多设计方案，但迄今还没有完全成功的。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种混合式光电/热太阳能收集器，其包含层压在热收集器吸热板表面上的一光电池层，其中该热收集器包含一挤出箱式结构，它具有许多纵向延伸的相邻通道，所述纵向通道通过一对横向集水管相互连接，所述横向集水管位于各纵向通道两端。
优选地，所述箱式结构包含许多榫接模件。在优选实施例中，每个模件包含许多纵向通道，并且形成有用于连接到相邻同样模件的连接件。例如，每个所述模件包含纵向延伸的阴连接件和纵向延伸的阳连接件，阴连接件形成在模件的一个侧边上并平行于纵向通道，阳连接件形成在模件的另一侧边上并平行于纵向通道。优选地，每个所述模件包含三个纵向通道。
所述箱式结构由铝合金构成。
在优选实施例中，第一根横向集水管在其一端形成有冷水进口和位于第一纵向通道之后的塞子，由此通过自然循环迫使流入管的冷水向下流经第一纵向通道到达第二根集水管。热水出口可以设在所述第一根集水管的与所述冷水进口相反的一端。
优选地，一热绝缘材料层固定在铝箱式结构的与光电池相对的表面上。
优选地，所述光电池通过一层电绝缘材料层压在热收集器吸热板表面上。还在与该热收集器相对的光电池表面上层压一层电绝缘材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种制造混合式光电/热太阳能收集器的方法，其包含以下步骤(a)形成具有平面的热收集器吸热板，(b)使用单步真空层压工艺将光电池层层压在所述平面上，它们之间具有一层电绝缘材料。
在该方法的优选实施例中，所述使用单步真空层压工艺还包括在与热收集器吸热板相对的光电池层表面上层压一层电绝缘材料。优选地，所述步骤(a)包含将许多模件榫接在一起，其中每个模件是通过挤压工艺形成的。
现在将通过实例并参考附图来描述本发明的一些实施例，其中图1表示根据本发明实施例的混合式光电/热收集器的总体示意图，图2以平面图形式表示本发明实施例的热收集器，图3以剖视图形式表示本发明实施例的热收集器，其图解了模件结构，图4示出了混合式收集器装置，由此光电池叠压在热收集器顶面上，图5a-5c示出了装配箱式结构热收集器部件的细节。
具体实施例方式
图1表示根据本发明实施例的混合式光电/热(PV/T)收集器的总体示意图。PV/T收集器包含吸热板1，用于接收入射的太阳照射。在图1中，吸热板1是正方形的，但是可以理解，它可以是矩形或其它可能形状。平板1的具体结构将在下文中更详细地描述，但总之平板1形成有平的铝顶面，使用真空挤压技术将光电池阵列粘结在铝顶面上。
平的铝顶面也是在铝平顶箱式热收集器装置的吸热板顶面内(将在下文中进一步描述)，热收集器装置中设有用于水在其中流动的通道。这些通道形成水流回路，其包括再循环管2、储水箱3、热水出口4、排气管5和排水阀6。简单地说，通过自然循环流经回路的水将得到连续加热，因此能用于许多应用。应该理解，选择通过使用循环泵，能以固定设计流量或可变流量适当控制这种水循环。
如上所述，平板1的顶面装有许多光电池，太阳光线入射在这些光电池上。这些光电池以常规方式产生电能，所述电能通过转换器14可以用来驱动电力负载15或给蓄电池13充电。混合式收集器装置设有前玻璃罩11(图4)和中间空气层，这可以改善收集器的热性能。
并不是所有入射在光电池上的太阳能都转换成电能。一部分太阳能可能被反射，但是大部分将在光电池中转换成热能。这部分热能将降低光电池效率，而且除非能利用这部分热能，否则它表现为能量浪费。因此热收集器吸热板设在光电池之下，以从光电池消除这部分热能，并使这部分能量能用来加热水。在本发明的优选实施例中，光电池层压在铝平顶箱式吸热板的顶面上，以便提供从光电池到吸收器的非常好的热传递。层压机(laminator)具有两个室，即上室和下室，将吸热板、光电池等放在它们内。图4中图示了层压板中的层顺序。具体地说，为了将光电池粘接到吸热板上，首先清洗吸收器的平顶表面，然后用硅酮胶41将一层不透明电绝缘材料40粘接到所述表面，电绝缘材料40为例如Tedlar-Polyester-Tedlar(TPT)。然后用乙烯醋酸(EVA)43涂覆在光电池42的两侧，并且将其固定在TPT层40上，然后在光电池顶面上敷设透明TPT层44。然后使用真空层压工艺将光电池层压在吸收器顶部上。TPT、EVA和光电池的整个厚度只有约2mm。
这个装置是通过将PV/T装置的所有构成层(除玻璃罩以外)放在真空层压机中并位于两块纤维布之间来构造的。然后施加热量把层压板中的空气温度升高到约110℃，在此温度下EVA将开始熔化。然后真空泵运行6-10分钟以消除上室和下室中的空气。构成层就紧密叠压在一起了。然后，通过约30秒钟的充气过程将空气输送回到上室，以便使上室重新达到大气压，而下室保持真空状态。紧接着是层压过程，该过程在140℃下持续16-20分钟。然后停止加热以使PV/T系统能固定在层压板内侧并使EVA凝固。然后将PV/T系统移动到恒温室，在恒温室中PV/T系统的结构能得到稳定。
如上所述，热收集器包含铝平项箱式吸收器结构，并且由许多互连榫接模件构成，每个模件形成为单体挤压件。图2以平面图形式表示吸热板结构，而图3是表示一个具体模件和该模件与相邻模件的连接的剖视图。每个模件20包含上平面21、下平面22和垂直(如图3中所示)横梁23，横梁23将模件20分成三个纵向通道24，如下文中所述，水可以流经所述通道。沿着模件20的一个边缘(图3中图示为右边缘)，每个模件设有纵向阳连接件25，而沿着相对纵向边缘(图3中图示为左边缘)，每个模件形成有相应的阴连接件26。应该理解，一个模件的阳连接件25能够容纳在相邻模件20的阴连接件26内，由此两个这种模件可以连接在一起。按照这个方式，许多同样模件20可以连接在一起而形成任意所需尺寸的大型装置。也能理解，当许多这样模件20按照这个方式连接在一起时，它们的上表面21一起形成固定光电池的平面1。
现在参考图2，用作横向集流管的两根铝管27、28连接到通道24的两端，以便使纵向通道相互连接，并且使水能从纵向通道24的端部流入另一个这样纵向通道。然而，一根铝管27装有塞子29，塞子29位于从管27一端开始的第一纵向通道之后，这就形成了用于吸收器的冷水进口30。具体地说，冷水通过进口30进入吸收器，并且由于塞子29的作用，冷水被迫向下流过第一纵向通道24，直到冷水到达吸收器相对侧上的铝管28。然后冷水流经铝管28，并且向上穿过所有剩余纵向通道(以一减小的流量)，在此期间，由从光电池传入热吸收器的热能对水进行加热，温/热水收集在塞子29另一侧的第一铝管27中，且温水能够通过热水出口31排出。
在装配过程期间，如图5a-5c中所示，使用硅胶垫100在7公斤压力下将集流器和纵向通道安装在一起。同时，在集流器管的凹槽部分上用铆钉将它们稳固地连接起来。即便有间隙，也用硅胶填充所有间隙。
应该注意，热收集器的底面(即与光电池的相反的一面)装有热绝缘板以防止热能从平顶箱式收集器逸出，从而使热收集器的效率最大化。另一方面，太阳电池板不必覆盖热收集器的整个顶面，以便部分入射太阳能可以被热收集器直接吸收。同样应该理解，上述的单步真空层压装配技术，也可以用于常规的肋管型热收集器以及箱式结构。然而，用于热收集器的箱式结构是有利的，因为它提供更好的热传导，并且太阳能电池能更容易地层压在箱式结构的表面上。同样在常规工艺中，真空层压应用到没有热收集器的PV装置上。在后面情况下，太阳电池板到热收集器的连接是通过在室内条件下使用导热粘合剂(如硅胶或氧化铝环氧树脂等)，这样，封闭在粘合剂层中的空气可能导致太阳板和热收集器之间的较低热传递率。
权利要求
1.一种混合式光电/热太阳能收集器，包含层压在热收集器吸热板表面上的光电池层，其中所述热收集器包含挤出箱式结构，该箱式结构具有许多纵向延伸的相邻通道，所述纵向通道通过一对横向集水管相互连接，所述横向集水管设在所述各纵向通道的两端。
2.如权利要求1所述的混合式收集器，其中所述箱式结构包含许多互连榫接模件。
3.如权利要求2所述的混合式收集器，其中每个所述模件包含许多所述纵向通道，并且形成有用于连接到相邻同样模件的榫接连接件。
4.如权利要求3所述的混合式收集器，其中每个所述模件包含纵向延伸的阴连接件和纵向延伸的阳连接件，阴连接件形成在模件的一个侧边上并平行于纵向通道，阳连接件形成在模件的另一侧边上并平行于纵向通道。
5.如权利要求3所述的混合式收集器，其中每个所述模件包含三个纵向通道。
6.如权利要求1所述的混合式收集器，其中所述箱式结构由铝合金构成。
7.如权利要求1所述的混合式收集器，其中所述管的第一根集水管在其一端形成有冷水进口和位于第一纵向通道之后的塞子，由此迫使流入管的冷水向下流经第一纵向通道到达第二根集水管。
8.如权利要求7所述的混合式收集器，其中热水出口设在所述第一根集水管的与所述冷水进口相反的一端。
9.如权利要求7所述的混合式收集器，其中主要设计通道中的水流进行自然循环。
10.如权利要求1所述的混合式收集器，其中热绝缘材料层固定在铝箱式结构的与光电池相反的表面上。
11.如权利要求1所述的混合式收集器，其中所述光电池层压在热收集器吸热板的表面上，在光电池和热收集器吸热板之间具有一层电绝缘材料。
12.如权利要求1所述的混合式收集器，其中电绝缘材料是TPT。
13.如权利要求1所述的混合式收集器，其中一层电绝缘材料层压在光电池与所述热收集器吸热板之间。
14.一种制造混合式光电/热太阳能收集器的方法，包含以下步骤(a)形成具有平面的热收集器吸热板，(b)使用单步真空层压工艺将光电池层层压在所述吸热板平面上，并在光电池层和所述平面之间具有一层电绝缘材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述单步真空层压工艺还包括在与热收集器吸热板相反的光电池层表面上层压一层电绝缘材料。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述步骤(a)包含将许多模件榫接在一起，其中每个模件是通过挤压工艺形成的。
全文摘要
一种混合式光电/热太阳能收集器，包含层压在热收集器吸热板表面上的光电池层。所述热收集器包含挤出的铝箱式结构，该铝箱式结构具有许多纵向延伸的相邻通道，所述纵向通道通过一对横向集水管相互连接，所述横向集水管设在各纵向通道的两端。
文档编号F24J2/00GK1716642SQ20041006340
公开日2006年1月4日 申请日期2004年6月29日 优先权日2004年6月29日
发明者周天泰, 季杰 申请人:香港城市大学