专利名称：真空管式集热发电单元及太阳能热水器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳能集热和发电单元，尤其涉及一种真空管式集热发电单 元及使用该真空管式集热发电单元的太阳能热水器，其可在收集太阳能对水进行加热的同 时利用太阳能发电。
背景技术：
随着绿色能源和可再生能源的普及和利用，越来越多的太阳能热水器进入了寻常 百姓人家。专家预测，到2015年，家用太阳能热水器的覆盖率将达到30%。传统的太阳能热水器分为两种，一种是采用平板集热器的热水器，另一种是采用 真空管集热器的热水器。主要用于欧美国家的平板式集热器的热损失高，太阳能利用率不 高。在中国国内市场，绝大部分热水器采用真空管式集热器，这是因为真空管式集热器通过 将吸热体封闭在高真空的玻璃真空管中而大大提高了热性能。如图1所示，为现有技术中 的真空管式太阳能热水器的示意图，其设置在屋顶上，其中存储待加热的水的水箱1由支 架2支撑，多根用于集热的真空管3自水箱1沿支架2的前表面向下倾斜延伸，使其面向太 阳光入射的方向。待加热的水自水箱1流入真空管3中，被太阳光加热之后的热水密度变 小，循环回到位于上部的水箱1中，而水箱中的冷水由于密度较大，向下流入真空管中。如 此循环直至整个水箱中的水被加热。图2示出了现有技术中的真空管式太阳能加热器中使用的真空管的截面图，其 中，4为内玻璃管，7为外玻璃管，待加热的水在内玻璃管4中循环而得到加热，在内外玻璃 管之间的空间6被抽成真空，以防止内管中的热量散失。另外，为了提高真空管吸收太阳能 的性能，一般在真空管的内玻璃管4的外侧面涂有渐变铝_氮/铝的吸收涂层5。由于真空管太阳能集热器效率高，在夏季往往使得水温过热，过剩的热量没有得 到利用。另一方面，由于一些热水器中加装有水泵用于向水箱供水或用于促进内玻璃管内 部的水循环，需要从室内引出电线对水泵供电，消耗了本来紧缺的电力资源。再者，在偏远 的乡村或者山区的边防哨所，可能没有电力供应，甚至没有对浴室进行照明的设施。因此 如果能够将过剩的太阳能用于发电，从而提供浴室照明用电或对热水器自身的水泵进行供 电，能够进一步拓展热水器的使用地域和提高热水器的功能和性能。但是由于屋顶暴露到 太阳光的区域非常有限，往往无法并排安装光电池和集热装置，需要一种将光电池和集热 装置集成在一起的组合集热结构。欧洲专利EP2098803提出了一种能够利用太阳能进行光发电的太阳能集热装置。 如图3所示，该太阳能集热装置包括位于上层的太阳能集热板8和位于太阳能集热板下层 的染料敏化光电池层9。太阳光入射到太阳能集热板8的上表面，加热其中的工作介质(例 如，水)，透过集热板的太阳光入射到燃料敏化光电池层9上，产生电力。上述现有技术是通 过将光电池层与太阳能集热层分层接合而进行工作的，因此只能够适用于使用平板集热器 的热水器，无法适用于使用真空管集热器的热水器，即无法用于中国市场。另外，该现有技 术中，由于集热板与光电池层直接接触，集热板中积聚的高温会直接传导到光电池层中，从而引起光电池层的不期望的温度升高，这样会不利地降低光电池的发电效率和使用寿命。
实用新型内容鉴于上述现有技术的缺点，本实用新型的首要目的是提供一种在能够收集太阳能 加热工作介质的同时能够利用太阳能进行发电的真空管式集热发电单元。本实用新型的另一目的是提供一种利用该真空管式集热发电单元的太阳能热水 器，其能够利用太阳能加热水的同时，利用太阳能发电，从而满足照明和/或集成在热水器 系统中的水泵的用电。为了实现上述目的，本实用新型提供了一种真空管式集热发电单元，包括内玻璃 管，所述内玻璃管中充有待被太阳能加热的工作介质；外玻璃管，其包绕内玻璃管，内玻璃 管和外玻璃管之间的空间被抽成真空，以减小内玻璃管中工作介质的热量散失；光电池层， 其设置在所述外玻璃管的表面上，用于利用太阳能发电。由本实用新型的上述结构，实现了利用真空管同时进行发电和集热的双重功能， 最大限度地利用了太阳能。具体地说，从外玻璃管的外表面入射的太阳光首先照射在光电 池层上，将一部分光能转化为电能。然后透射穿过光电池层的太阳光入射到内玻璃管上，力口 热在内玻璃管内部的工作介质。由于光电池层以真空空间与集热部分间隔开来，因此集热 部分的热量不会传导到电池层上，可以有效地避免电池层的温度升高，从而提高其太阳能 利用效率和使用寿命。所述光电池层可以设置在所述外玻璃管的外表面上，也可以设置在所述外玻璃管 的内表面上。所述光电池为半透明性质，以利于光线的投射穿过。优选为由柔性材料制成的染 料敏化光电池。优选地，内玻璃管的外表面涂敷有一层增进吸收太阳能热量的涂层。该涂层优选 为渐变铝-氮/铝涂层。其中，所述染料敏化光电池包括形成在外玻璃管表面上的对电极；与对电极相 对设置的工作电极；多孔氧化物薄膜，其设置在工作电极的内表面，所述多孔氧化物薄膜上 附着有染料，容置在工作电极和对电极之间的电解质；设置在对电极和工作电极的两端、用 于将电解质封装在对电极和工作电极之间的封装结构；和设置在工作电极外表面的柔性透 明薄膜。其中所述电解质优选为碘和碘离子作为溶质的乙氰溶液。其中多孔氧化物薄膜优选为氧化钛薄膜。本实用新型的另一方面提供了一种太阳能热水器，包括并排设置的如前述权利 要求中任一项所述的多个真空管式集热发电单元；与每个真空管式集热发电单元的内玻璃 管相连通的水箱，用于存储由真空管式集热发电单元加热的水。所述太阳能热水器还可以包括水泵，用于将待加热的水抽送到水箱中，其中，所述 水泵由所述真空管式集热发电单元电供应电力。另外，所述太阳能热水器还包括与所述多个真空管式集热单元的光电池层和所述 水泵分别电联接的变换器，用于将光电池层产生的电力转换成适用水泵或浴室照明应用的 标准交流电力。[0020]
以下结合附图和具体实施方式
，进一步详细描述本实用新型的特征和优点。
图1是现有技术中的使用真空管式集热器的太阳能热水器的示意图；图2是现有技术中的真空管式集热器中的真空管的纵向截面图；图3是现有技术中的板式集热器与光电池组合的示意图；图4是根据本实用新型第一实施方式的真空管式集热发电单元的纵向截面示意 图；图5是根据本实用新型第二实施方式的真空管式集热发电单元的纵向截面示意 图；图6是根据本实用新型的真空管式集热发电单元的光电池层具体结构示意图；图7是利用本实用新型的真空管式集热发电单元的太阳能热水器的示意图；图8是示出本实用新型的真空管式集热发电单元中的光电池层与集热部分对太 阳光谱中不同波长的太阳光进行吸收利用的示意图。
具体实施方式
下面参照图4，详细描述根据本实用新型第一实施方式的真空管式集热发电单元。如图4所示，真空管式集热发电单元10包括内玻璃管11和位于内玻璃管11夕卜 围的外玻璃管15，内外玻璃管之间的空间13被抽成真空，以防止在夜间或冬天低温的环境 下，在内管中流动的工作介质，例如水的热量的散失。为了增加工作介质对太阳能的吸收效 率，在内玻璃管11的外表面涂敷有一层增进吸收太阳能热量的涂层12。优选地，该涂层可 以为渐变铝-氮/铝涂层。根据本实施方式的真空管式集热发电单元还包括光电池层14， 其设置在外玻璃管15的内表面。优选地，该光电池层为半透明性质的染料敏化光电池层。 但是，本实用新型的光电池层并不限于染料敏化光电池层，所有对于太阳光具有透明的或 半透明的性质，能够使得太阳光透射穿过的光电池层均可用于本实用新型，例如薄膜光电 池层或硅(Si)光电池层。这里需要说明的是，上文提到的光电池层的透明或半透明特性并 不仅仅意味着普通意义上的对于可见光的透明特性。太阳光由可见光、紫外光、红外光等构 成，即使对于可见光不透明，对于紫外光、红外光是透明的或半透明的，透射穿过光电池层 的紫外光、红外光也足以加热内玻璃管中的工作介质。实际上，本实用新型优选实施方式正 是利用了光电池层对于紫外和红外线的半透明性质工作的，详见下文所述。这样，由于染料 敏化光电池层14的半透明性质，从外玻璃管15的外侧面入射的太阳光首先照射在染料敏 化光电池层14上，将一部分光能转化为电能。然后透射穿过染料敏化光电池层14的另一 部分太阳光入射到内玻璃管11上，加热在内玻璃管11内部的工作介质。下面结合图8进一步具体说明本实用新型实施方式中的集热发电单元中的光电 池层和集热部分对于太阳光的具体利用情况。从图8可以发现，太阳光谱中有约44%的能 量集中在可见光部分，剩下的绝大多数(53%)能量在红外线部分。染料敏化光电池层主 要吸收可见光部分的能量，即波长在300 750nm部分的太阳光。而真空管中的吸收涂层 能吸收从紫外到近红外(1500nm)部分的光谱能量，并且吸收率高达95%。由此可见，根据 本实用新型的染料敏化光电池利用可见光工作，而集热部分的真空管吸收涂层利用透射穿过光电池层的紫外和红外光线工作，其组合可以充分吸收太阳光谱中的大部分能量。即，首 先使用染料敏化太阳能电池吸收一部分光的能量，其他的能量由真空管内的光吸收涂层吸 收。因此，由本实用新型第一实施方式的上述结构，实现了利用真空管同时进行发电 和集热的双重功能，最大限度地利用了太阳能。另外，由于染料敏化光电池层14设置在外 玻璃管15的内表面，因此，不易受到外界环境，例如风雨侵蚀、机械刮擦的影响，可以显著 地提高其使用寿命。再者，由于染料敏化光电池层14以真空空间13与集热部分间隔开来， 因此集热部分的热量不会传导到电池层14上，可以有效地避免电池层的温度升高，从而提 高其太阳能利用效率和使用寿命。下面参照图5，描述根据本实用新型第二实施方式的真空管式集热发电单元。与第一实施方式中的真空管集热发电单元类似，本实施方式真空管式集热发电单 元20也包括内玻璃管21和包绕内玻璃管21的外玻璃管25，内外玻璃管之间的空间23 被抽成真空，以防止在夜间或冬天低温的环境下，在内玻璃管中流动的工作介质，例如水的 热量的散失。同样地，在内玻璃管21的外表面涂敷有一层增进吸收太阳能热量的涂层22。 优选地，该涂层可以为渐变铝-氮/铝涂层。同样地，根据本实施方式的真空管式集热发电 单元20也包括光电池层24，与第一实施方式的不同之处在于，该光电池层24设置在外玻 璃管5的外表面。优选地，该光电池层为染料敏化光电池层。同样，由于染料敏化光电池层 24的半透明性质，从外玻璃管25的外侧面入射的太阳光首先照射在染料敏化光电池层24 上，将一部分光能转化为电能。然后透射穿过染料敏化光电池层24的另一部分太阳光入射 到内玻璃管21上，加热在内玻璃管21内部的工作介质。由本实用新型第二实施方式的上述结构，同样可以实现利用真空管同时发电和集 热的双重功能，最大限度地利用太阳能。另外，由于第二实施方式中的染料敏化光电池层24 设置在外玻璃管25的外表面，因此，整个太阳能集热发电单元制造过程简单，无需复杂的 制造工艺。同样，由于染料敏化光电池层24与集热部分以真空空间23间隔开来，因此集热 部分的热量不会传导到电池层24上，可以有效地避免电池层的温度升高，从而提高其太阳 能利用效率和使用寿命。下面具体参照附图6，以本实用新型第二实施方式中采用的染料敏化光电池24为 例，描述其具体结构及其与真空管的接合结构。如图6所示，染料敏化光电池24包括由真空管的外玻璃管25充当的基底玻璃； 形成在基底玻璃之上的对电极32 ；与对电极32相对设置的工作电极35 ；设置在工作电极 35内表面的附着有染料的多孔氧化物薄膜34，容置在工作电极35和对电极32之间的电解 质33 ；设置在对电极32和工作电极35的两端用于将电解质封装在对电极32和工作电极 35之间的封装结构37 ；和设置在工作电极35外侧面的柔性透明薄膜36，用于保护光电池 的内部结构不受外部异物的影响，同时不影响光线的入射。工作电极及对电极一般为在玻璃基底上制备的透明导电薄膜构成，也可在透明柔 性薄膜上制备透明导电薄膜构成。在本图6示出的实施例中，对电极32为在玻璃基底35 上形成的透明导电薄膜，而工作电极35为在透明柔性薄膜36上形成的透明导电薄膜。因 而本实用新型中的光电池层具有柔性，可以随着真空管的外玻璃管的曲率而自然地设置在 其外表面上。此处的透明导电薄膜一般为掺氟原子的氧化锡(也可为掺铟原子的氧化锡)材料，厚度约500 lOOOnm。该透明导电薄膜一般使用溅射或旋涂热处理的方法制备在玻璃基底或柔性透明薄膜上。另外，本实用新型中的工作电极也可以由导电玻璃制备而成，导电玻璃的表面可
以镀有一层钼。附着染料的多孔氧化物薄膜的制备方法一般为使用纳米氧化钛粉末制备成氧化 钛浆料，再将制备好的浆料用丝网印刷的方法(其他方法亦可)在透明导电薄膜(或导电 玻璃)的表面制备成薄膜，然后在一定温度(一般为450 500°C )下退火，除去薄膜中的 有机物成分，形成较纯的氧化钛薄膜，并较好地依附在透明导电薄膜的表面。此处的氧化钛 薄膜厚度在IOum左右。最后将制备好薄膜的透明导电薄膜浸入染料溶液中，约24小时后 取出，此时溶液中的染料分子就附着在氧化钛颗粒的表面。这时，附着染料的多孔氧化物薄 膜制备完毕。值得注意的是，此处的氧化物并不局限于氧化钛材料，氧化锌等其他材料也可 使用。其中，电解质可以是液态的，也可以是准固态或固态的。液态的电解质(亦即氧化 还原电解液)材料一般为碘和碘离子作为溶质的乙氰溶液，当然其他材料亦可。其中所述染料为有色的有机或无机化合物构成的光敏材料，其经化学吸附或物理 吸附在二氧化钛半导体上，从而敏化宽能隙的二氧化钛半导体表面。经敏化后的二氧化钛 具有如下效果一方面不仅二氧化钛薄膜表面吸附单层敏化剂分子，海绵状二氧化钛薄膜 内部也能吸附更多的敏化剂分子，因此太阳光在粗糙表面内多次反射，可被敏化剂分子反 复吸收，提高了太阳光的利用率。另一方面敏化作用能增加光激发过程的效率，扩展激发波 长至可见光区域，达到提高光电能转换效率的目的。典型的作为敏化剂的染料包括钌配合 物染料。
以下结合附图7描述根据本实用新型第二方面的太阳能热水器。图7示出了结合有本实用新型的真空管式集热发电单元的太阳能热水器。该热水 器包括并排设置的多个真空管式集热发电单元；与每个真空管式集热发电单元的内玻璃 管相连通的水箱，用于存储由真空管式集热发电单元加热的水，和用于支撑所述集热发电 单元和所述水箱的支架。另外，本实用新型的太阳能热水器还可设置有水泵61，用于将待加热的水抽送到 水箱中，加快水箱中的水的循环。其中，所述水泵由所述真空管式集热发电单元供电。更进一步地，在所述多个真空管式集热发电单元和所述水泵61之间还电联接有 变换器62，用于将真空管式集热发电单元的光电池层所产生的电力转换成适用市用的标准 交流电力，以供给所述水泵61或浴室内照明使用。本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何 本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因 此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。
权利要求一种真空管式集热发电单元，其特征在于包括内玻璃管，所述内玻璃管中充有待加热的工作介质；外玻璃管，其位于内玻璃管的外部，内玻璃管和外玻璃管之间的空间被抽成真空；光电池层，其设置在所述外玻璃管的表面上。
2.如权利要求1所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述光电池层设置在所 述外玻璃管的外表面上。
3.如权利要求1所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述光电池层设置在所 述外玻璃管的内表面上。
4.如权利要求2或3所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述光电池层为染料 敏化光电池。
5.如权利要求1-3中任一项所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，在内玻璃管 的外表面涂敷有一层增进吸收太阳能热量的涂层。
6.如权利要求5所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，该涂层为渐变铝-氮/铝涂层。
7.如权利要求4所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述染料敏化光电池包括形成在外玻璃管表面上的对电极； 与对电极相对设置的工作电极；多孔氧化物薄膜，其设置在工作电极的内表面，所述多孔氧化物薄膜上附着有染料， 容置在工作电极和对电极之间的电解质；设置在对电极和工作电极的两端、用于将电解质封装在对电极和工作电极之间的封装 结构；和设置在工作电极外表面的柔性透明薄膜。
8.如权利要求7所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述电解质为碘和碘离 子作为溶质的乙氰溶液。
9.如权利要求7所述的真空管式集热发电单元，其特征在于，所述多孔氧化物薄膜为氧化钛薄膜。
10.一种太阳能热水器，其特征在于包括并排设置的如前述权利要求中任一项所述 的多个真空管式集热发电单元；与每个真空管式集热发电单元的内玻璃管相连通的水箱， 用于存储由真空管式集热发电单元加热的水；和用于支撑所述集热发电单元和所述水箱的 支架。
11.如权利要求10所述的太阳能热水器，其中该热水器还可以包括水泵，用于将待加 热的水抽送到水箱中，其中，所述水泵由所述真空管式集热发电单元供电。
12.如权利要求11所述的太阳能热水器，其特征在于，在与所述多个真空管式集热发 电单元与所述水泵之间电联接有变换器，用于对真空管式集热发电单元产生的电力进行变 换。
专利摘要本实用新型公开了一种真空管式集热发电单元和使用该集热发电单元的太阳能热水器，所述真空管式集热发电单元包括内玻璃管，所述内玻璃管中充有待被太阳能加热的工作介质；外玻璃管，其包绕内玻璃管，内玻璃管和外玻璃管之间的空间被抽成真空，以减小内玻璃管中工作介质的热量散失；光电池层，其设置在所述外玻璃管的表面上，用于利用太阳能发电。其中由光电池层所产生的电力可以用于向太阳能热水器的水泵供电，也可用于浴室的电力照明。
文档编号H02N6/00GK201589441SQ20092026628
公开日2010年9月22日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者富高忠房, 蒋驰华 申请人:索尼株式会社