专利名称：集成的电能和热能的太阳能电池系统的制作方法
集成的电能和热能的太阳能电池系统
背景技术：
太阳能电池或光电池能够将日光直接转化成电。常规的太阳能电池将所吸收 的光转化成电的效率大约为百分之十五。聚光型光电池能够捕获更宽的电磁光 谱，因此效率更高，它将吸收的光转化成电的效率大约为百分之三十。没有转 化成电的太阳能会转化成热能，随后被废弃。因而，所捕获的百分之六十以上 的太阳能以热能的方式被浪费。由于光电池的小尺寸和高能量吸收性，必须从 电池中有效地散热以防止电池退化或损害。从常规光电池和聚光型光电池中散 热的一种方法是采用液体和空气的热交换器件或散热器。集成式太阳能电池系 统可以捕获散出的热量并用作热能，以便向连接到太阳能电池系统的处理系统
提供能量，这是一种环保型的替代能量，并且极大i也提高了集成系统的总效率。
发明简述
集成太阳能电池系统可应用由太阳能电池模块产生的能量。该集成系统包括 太阳能电池模块、低级热量回收装置和处理系统。低级热量回收装置从太阳能 电池模块中回收废弃热量，并将太阳能电池模块连接到处理系统。处理系统至 少部分地由从该太阳能电池模块中产生的废弃热量中所获取的热能来提供能
图1为集成的电能和热能的太阳能电池系统的示意图； 图2A为集成的电能和热能的太阳能电池系统的第一实施例的示意图； 图2B为集成的电能和热能的太阳能电池系统的第二实施例的示意图； 图3歸出了集成的电能和热能的太阳能电池系统的示例性负载控制策略 的图。
具体实施方式
图1示出了集成的电能和热能的太阳能电池系统10的第一个实施例，其通
常包括聚能器12、聚光型光电池14、电能流16A、废弃热能流16B、废弃热量 回收系统18以及处理系统20。处理系统20使用电池14产生的低级废弃热量 6B，以提供操作处理系统20所需要的至少一部分能量。废弃热量回收系统18 收集废弃热量16B，并将其传输到处理系统20作为热能使用。集成系统10通 过结合电池14产生的光电能量和废弃热量回收而提高了聚光型光电、池14和处 理系统20的整体效率。另外，集成系统10禾,太阳能作为其主要能量源，可 产生较少的污染。
在操作中，聚能器12对准太阳，从而在其尺寸范围内收集并聚焦最大量的 太阳能。然后通过聚能器12将太阳能导入电池14，在电池14中将太阳能转化 电或热量。电池14产生的电M能量流16A传导，并向系统的外部设皿供能 量。在过去，电池14产生的热量通常消散在空气中而成为了废弃热量。集成系 统10 ffl31废弃热量回收系统18回收废弃热量16B,并将其用作热能。废弃热 量回收系统18 ilil被泵入其中的传热流体来回收热能。当传热流体从电池14 旁边流过时，电池14产生的热量便传递给传热流体。传热流体从电、池14回收 热量后，将其送到处理系统20以供使用。传热流体也可以选择成在到达处理系 统20之前被加热到处理系统20的工作温度。
太阳能电池集成系统10的处理系统20仅需要来自电池14的热能来供给能 量。在一个实施例中，处理系统18可以是可再生的冷却、加热以及能量产生 (CHP)系统。来自电池14的废弃热量16B中的热育g和生物量(biomass)的组合 用来产生特定场合所需的冷却、加热或其它用途所需的能量。例如，在废弃热 量16B被回收后，可以把传热流体送到可再生CHP系统的混合式冷却系统中。 燃烧的生物量在被用作y賴卩过程之后，可与来自电池14的废弃热量16B —起来 产生电。或者，可以用生物量来制造氢燃料。来自该过程的任何多余的废弃热 量可用于冷却。与在7賴卩/加热系统中使用天然气的CHP系统相比，集成系统 IO提供了成本更低的选择。
在另外一个实施例中，处理系统20是兰金循环。废弃热量16B被回收后， 将传热流体传送到兰金循环中以生产能量。作为选择，也可以从^t代源中给兰 金循环供给废弃热量，并且可以用控制系统来优^W兰金循环的热量输入，该 热量来自电池14的传热流体或者来自其它的热源。
在另外一个实施例中，处理系统20为直接将废弃热量转化为电的固态能量 转化系统。固态能量转化系统将废弃热量转化成电时不需要移动部件。
在另一个实施例中，处理系统20是液体循环加热系统。携带有废弃热量16B
的传热流体通过热交换器，该热交换器将传热流体中的热量传送到二级流体，
例如水。然后用这些加热了的zK提供液体循环热量。
在集成系统10的另一个实施例中，处理系统20为吸收式制冷器。当f柳吸 收式制冷器时，电池14的工作g至少为80摄氏度(。C)。传热流体在约25"C 下泵入电池14。可以将传热流体加热到高于25。C的温度，只要不超过电池14 的温度即可。从电池14回收热量之后，传热流体被加热到约8(TC或更高。在该 温度下，可在包含后备燃烧器的吸收式制冷器的冷却子系统的再生阶段中使用 传热流体。当废弃热量的级别或温度不够，或者电池14吸收的太阳能的量不足 以驱动吸收式制冷器时，后备燃烧器对于运作吸收式制冷器是必需的。当排出 了足够多的废弃热量时，通过使用具有高性能系数的热电器件可以改善废弃热 量的质量，从而^4P电池14。
在不同于集成系统io的第一实施例的另一个实施例中，电池14和处理系统 20的工作温度约为50。C或更高。由于处理系统20的工作、，较低，因此从电 池14收集的废弃热量16B的质量不一定需要高到可以驱动处理系统20。在一 个实施例中，处理系统18可以是吸收式冷却系统。4吏用吸收式冷却系统可以避 免使用通常用于蒸汽压縮系统中的常规制冷剂。这些系统工作的温度介于60°C 至9(TC之间，使得它们和低级的废弃热量源高度兼容。
作为选择，如果处理系统20也需要电来提供能量，则处理系统20除了可以 接收来自废弃热量能量流16B的热能以夕卜也可以接收来自能量流16A的电能。 在一个实施例中，处理系统20可以是薄膜式水净化系统。在运转时，电池14 在至少5(TC的温度下工作。传热流体携带的热能可用于给薄膜式水净化系统的 薄膜式水净化床供能。能量流16A携带的电流可用于给薄膜式水净化系统的水 泵供能。运行薄膜式7k净化系统所需要的总能量消耗明显比运行会统的闪蒸馏 系统所需要的总能量消耗少。另外，根据具体应用需要的能量和水，集成系统 10可容易地扩大或缩小规模。
在集成系统10的另外一个实施例中，处理系统20是固态冷却系统，其包含 能够使水脱盐和/或净化的冷区和热区。由热传输流体收集的来自电池14的热能
可用在薄膜蒸馏7K净化子系统中，以便蒸发水并将其和不纯的水分开。作为选 择，可采用使用电来产生冷区的固态7賴喂备来冻结用于净化的脱盐水。来自 固态冷却设备的热区的热量跟废弃热量驱动的冷却或加热工艺结合，以形成提 供能量、冷却、加热和水净化功能的完全集成的舒适系统。带有固态能量转化 系统的集成系统10不需要用于产生能量或者用于冷却系统的移动部件，也不需 要用于冷却或加热系统中的制冷剂。
图2A和2B分别描述了集成系统衡和10b，其中通常包括具有聚能器12 的聚光型光电池14、处理系统20、废弃热量回收管线22和大容量的水冷蒸汽 压缩冷却器(VCC) 24。如图2A所示，处理系统20是小容量的单效吸收式制 冷器20a。如图2B所示，处理系统20是小容量的双效吸收式制冷器20b。小容 量的吸收式制冷器20 (ABS)设置成与蒸汽压缩冷却器24并联，因此电池14 吸收的太阳能可用于给连接到集成系统10a或10b的建筑物供给其所需能量的 相对小的部分，其余的一部分能量由蒸汽压縮冷却器24供给。集成系统10a和 10b的初始资本开支由此显著减小，同时明显提高了经济竞争力。
为了提供运纟豫成系统10a所需的部分能量，聚光型光电池14收集来自日 光的太阳能。在一个实施例中，电池14是真空管太阳能收集器，其中包括设置 成与后备燃气锅炉26并联的复合抛物线聚能器。电池14和燃气锅炉26均可生 成用于集成系统10a的热水，或用电池14收集的太阳能，或当太阳能不足够时 Sil燃气锅炉26生成。输入阀28在第一位置和第二位置之间切换，并且控制 接收来自电池14或是燃气锅炉26的热7X。尽管图2A仅描述了一个电池14， 但可以根据需要，用任意数量的电池来形成电池阵列，以产生足够的能量运行 集成系统10a。
作为工作液的制冷剂和吸收剂流过集成系统10a。制冷齐惧有对于吸收剂的 高亲和力，并且可以在比正常情况低的温度和压力下沸腾。水可以作为典型的 制冷剂流过废弃热量回收管线22，将电池14收集的热能传送到储存槽30，然 后传送到吸收式制冷器20a和蒸汽压缩冷却器24。储存槽30是绝热性好的热水 储存槽，其存储热7KE到需要用时。尽管图2A讨论的工作液为水，但工作液也 可以是任何导热流体，包括但不限于水、7K/乙二醇混合液、蒸汽、油或它们 的任何组合。
当需要时，来自储存槽30的热水il)i热水管32传至热水阀34。热水阀34
在第一位置和第二位置之间切换。当热水阀34位于第一位置，来自热水管32 的7KiM:第一中间管34a导弓l至热能驱动的吸收式制7令器20a。热水作为吸收式 伟岭器20a的驱动热源以制造冷却7K。然后，^4卩水ilil输出管36到达)t4卩水 管38以冷却空间。当热水阀34位于第二位置，来自热水管32的水通过第二中 间管34b弓l导作为其它用途，包括但不限于加热空间和提供生活热水。当电 池14收集的太阳能不能满足连接至蟝成系统10a上的建筑物的建筑负荷时，热 能也可用作燃料来生产废气、热水或蒸汽，以确保集成系统10a的可操作性。 一旦热水和冷却水已经分别用于其用途，它们分别通过返回水管40a禾n 40b返 回至瞧成系统IO以重复禾,。返回阀42在第一位置和第二位置之间切换，其 控制从水管40b返回的水供应给吸收式制冷器20a或蒸汽压缩冷却器24。
蒸汽压缩冷却器24设置成与吸收式制冷器20a并联，当电池14收集的太阳 能达不到建筑负荷时，它用于满足达到M吸收式制冷器20a容量时的冷却负 荷，或作为后备冷却设备。当需要时，来自蒸汽压缩冷却器24的冷却水通:i冷 却水管38输入，以提供任何额外的空间冷却。由于蒸汽压縮冷却器24从燃料 到电的转化率高，其可有效地用作商业建筑冷却设备的主要电源。另夕卜，由于 蒸汽压縮冷却器24由电供能，因此电池14也可以提供电以运行蒸汽压缩冷却 器24。
取决于系统的规格，除吸收式制冷器20a和蒸汽压縮器24之外的处理系统 也可连接到集成系统10a。例如，冷却塔43可以连接到集成系统10a，如图2A 中的虚线所示。虚线表示其它育嫩实现集成的可能瞎形，其在集成系统10a内 部可以实现额外的能量收集和回收。
如图2B所示，小容量吸收式制冷器20也可以是双效吸收式制冷器20b。双 效吸收式制冷器20b与单效吸收式制冷器20a不同之处在于，双效吸收式制冷 器20b包括更新工作液的双级加热器。吸收式制冷器20b中的部分内在热量也 重复利用，以提供吸收式制冷器20b中的发生器制造高压制冷剂蒸气所需的部 分能量。虽然双效吸收式制冷器20b的单位输入功率可输出更多的冷却能力， 但该系统比单效吸收式制冷器20a复杂。
在集成系统10b中，电池14用于产生蒸汽。供气阔44设置在电池14出口 的附近并控制蒸汽的输入。当需要蒸汽时，供气阀44允许蒸汽通过供气管46 到蒸汽阀48，蒸汽阀48将供气管46分为主管48a和次管48b。蒸汽阀48可在
第一位置和第二位置之间切换。当蒸汽阀48在第一位置时，蒸汽ilil主管4Sa 输送至吸收式制冷器20。根据蒸汽的温度，蒸汽可以被送A^效吸收式制冷器 20b的低温产生器以制造冷却7jC，该双效吸收式制冷器20b由蒸n/燃气双源驱 动。作为选择，如果废弃热量的质量足够高，蒸汽也可被送入吸收式制冷器20b 的高温产生器。当蒸汽阀48在第二位置时，蒸汽通过次管48b传至第一阀50。
取决于第一阀50的位置，蒸汽可以通过第一中间管50a到达储存槽30，或 M31第二中间管50b到达第二阀52。第一中间管50a中的蒸汽储存在储存槽30 中，直到需要时为止。当需要时，蒸汽可从储存槽30中送出，ffl31热水管54 作为热水进行空间加热，或通过冷却水管56，作为^4卩7K提供空间冷却。第二 阀52也可在第一位置和第二位置之间切换，将来自电池14的蒸汽通过第三中 间管52a送到蒸汽压缩冷却器24 ，或M第四中间管52b送到吸收式制冷器20b 。
储存槽30通过VCC管58接收来自蒸汽压缩冷却器24的7賴卩7乂， VCC管 58 ABS管60将来自蒸汽压缩冷却器24的冷却水输送到冷却水阀62，并 且经由连接到储存槽30上游的VCC管58的ABS管60将来自吸收式制冷器 20a的冷却水输送到冷却水阀62。冷却水阀62在两个位置之间切换，其将来自 蒸汽压缩冷却器24的冷却水il31第五中间管62a送入储存槽30，或是M第六 中间管62bm电池14和阀44。和图2A类似，尽管图2B仅示出了一个电池 14，但可以根据需要用任意数量的电池来形成电池阵列，以产生足够的能量运 tm成系统10b。和集成系统10a类似，在集成系统10b上可以连接除吸收式制 冷器20b和蒸汽压缩器24之外的额外处理系统，例如冷却塔43 。
图3是示出了集成系统10a或10b的示例性负载控制策略的图。小容量吸收 式制冷器20设置成与蒸汽压缩冷却器24并联，由此电池14吸收的太阳能可用 于满足建筑物的建筑负荷相对小的一部分，该，物作为基本负荷连接到集成 系统10a或10b。建筑负荷是建筑物消耗的电力、^4卩和加热的总能量。基本负 荷是建筑物在8760小时的周期(也就是一年)中消耗能量的平均值。蒸汽压缩 冷却器24相对电池14成本低，可用于满足剩余的建筑负荷，如图3所示。
集成的电能和热能的太阳能电池系统禾拥可再生的、环保型的能源，行与 太阳能系统并联的处理系统。使用与处理系统并联的太阳能系统提高了系统总 效率，并且利用了通常被废弃的热能。集成系统采集在吸收太阳能和生产电的 过程中由光电池产生的低级废弃热量。低级废弃热量通过经流废弃热能回收管
的传热流体而被传送至U与太阳能电池系统并联的处理系统。处理系统包括但不 限于吸收式制冷器、吸收式冷却系统、液体循环加热系统、兰金循环或可再 生冷却、加热和能量产生系统。在一些系统中，电能和热能都需要来驱动处理 系统。这些处理系统包括但不限于薄膜式水净化系统、固态冷却系统或吸收 式制冷器和蒸汽压缩冷却器的组合。
尽管己经参考优选实施例描述本发明，但在不脱离本发明的精祌和范围 内，本领域技术人员将意识到可对其进行形式和细节上的改进。
权利要求
1、一种集成的太阳能电池系统，包括太阳能电池模块，其将太阳能转化为电能和废弃热量；低级热量回收装置，用于回收来自太阳能电池模块的废弃热量；和通过低级热量回收装置而连接到太阳能电池模块的处理系统，其中，该处理系统至少部分地由获取自太阳能电池模块中回收的废弃热量中的热能来供给能量。
2、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述太阳能电池模块是 聚光型光电池。
3、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述低级热量回收装置 包括传热流体。
4、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括液体 循环加热系统。
5、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括固态 能量转化系统。
6、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述太阳能电池系统具 有至少为80摄氏度的工作温度。
7、 根据权利要求6所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括吸收式制冷^J。
8、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述太阳能电池系统具 有至少为50摄氏度的工作温度。
9、 根据权利要求8所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括吸收 式7令却系统。
10、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括兰 金循环。 '
11、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括可 再生的冷却、加热和产生电能的系统。
12、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括薄 膜式水净化系统。
13、 根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统还至少 部分地由太阳能电池系统产生的电来供给能量。
14、 根据权利要求13所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括薄 膜式水净化系统。
15、 根据权禾腰求13所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括固 态冷却系统。
16、 根据权利要求15所述的集成系统，其特征在于，所述固态冷却系统包 括水脱盐系统。
17、 根据权利要求13所述的集成系统，其特征在于，所述处理系统包括集 成有蒸汽压縮冷却器的吸收式制冷器系统。
18、 一种i顿由太阳能电池系统产生的能量的方法，包括步骤 从照射在太阳能电池系统上的日光中采集能量； 从该太阳能电池系统所采集的日光中产生电； 回收太阳能电池系统耗散的热量；禾口 传送回收的热量到处理系统以利用。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述传送回收的热量到处理系统以利用包括传送回收的热量到液体循环加热系统、固态能量转化系统、吸收式制冷器、 吸收式冷却系统、固态冷却系统、兰金循环、薄膜式水净化系统、集成有蒸汽 压缩冷却器的吸收式制冷系统，或者可再生^4卩、加热和发电系统。
20、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述产生电包括将产生的 电送到薄膜式水净化系统、固态冷却系统或集成有蒸汽压缩冷却器的吸收式制 冷系统。
全文摘要
一种集成太阳能电池系统利用由太阳能电池模块产生的能量。该集成系统包括太阳能电池模块、低级热量的回收装置和处理系统。低级热量的回收装置将来自太阳能电池模块的废弃热量回收并且将太阳能电池模块连接到处理系统。该处理系统至少部分由获取自太阳能电池模块产生的废弃热量的热能供给能量。
文档编号H01L31/058GK101351896SQ200680049853
公开日2009年1月21日 申请日期2006年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者C·R·沃尔特, R·拉哈克里什南, Y·J·陈, Y·李, Z·马 申请人:联合工艺公司