专利名称：光生伏打装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的光生伏打装置具有暴露在光辐射的正面和对置的背面用于把光辐射能转换为电能，其内带有冷却装置。
光生伏打发电装置通常固定地对准太阳光入射方向。个别系统也配备具有单或双轴的太阳跟踪设备或使用太阳光聚光器。
然而尤其在应用聚光器时会出现问题，即在光生伏打装置上温度提高时可达到的效率下降。这归结为通过入射光子释放的电子部分地被热复合，并因此降低光生伏打模块的可利用的外部电流。
在现有技术中，该问题通过在光生伏打模块的背面，如与电学组件情况类似，提供导热片，以便改善散热。
一旦出现较高温度，则以导入冷却剂经模块背面的方式对光生伏打模块进行有效地冷却。
然而，无论主动导热或被动导热的方法在设计结构上都是费钱的，并因此很少使用。
因此本发明的任务是，此类光生伏打装置是这样扩展的，使其具有较高效率。
本任务通过安排在正面和光辐射源之间的具有液体介质的冷却装置解决。
为了不减弱投射到光生伏打装置上的光辐射，迄今总是采纳安排在先生伏打装置的背面的冷却装置。作为本发明基础的认识是用液体介质实现的冷却装置也可以安排在光生伏打装置的正面。这时液体介质可以如此选择，使得对光生伏打效应可利用的太阳光谱区通过液体介质时不被吸收或只微不足道地被吸收，而在对光生伏打效应具有次要意义的光谱区被液体介质吸收。因此液体介质可以让光生伏打效应可利用的光辐射能量通过并且吸收其余的光辐射能量。
已经证实特别好的适用的液体介质主要是由水形成的。根据所用各种光生伏打模块也可以使用油、酒精或类似物。并以有利方式对这些介质附加一些使溶液或悬浮液内滤光特性最佳化的物质。
一只简单的光生伏打装置通过以下方式达到，即液体介质根据冷热介质之间的重力差在正面和光辐射源之间流动。这以热虹吸管名众知的设备是由生活用水蓄水器组成，冷水出口在其下区。从这里冷水流入光生伏打装置的下区，并且在光生伏打装置内部上升到其上端，从那儿，水又流回到蓄水器内。因为在较高处的热水进入到蓄水器内，所以在蓄水器内由底部的冷水和上部的温水形成温度梯度。加热的水可以直接从蓄水器取出。然而在蓄水器内优先安排生活用水热交换器，以便使冷水加热到所希望的生活用水温度。
有利的结构形式规定，冷却装置具有用于液体介质的泵。这让液体介质通过冷却装置流动，并因此连续地传走热量。
如果冷却装置具有可用来调整泵的恒温器是有利的，这实现了充分的冷却与有效的获得热水的组合。在恒温器上调节的温度和泵功率由需要的热水温度和要求的冷却功率决定。
特别好的冷却功能通过以下方式达到，即液体介质直接经光生伏打元件流动。效率的提高通过以下方式达到，即液体介质首先漫流光生伏打装置背面，随后正面。还冷的介质这时在装置的背面被加热，并在装置的正面吸收其它热能。因此，一方面实现光生伏打装置的有效冷却，而另一方面液体介质以具有相对较高温度提供其它应用。
进一步的效率提高可以通过多个并联或串联冷却装置达到。优选结构形式规定在距正面一定距离处安排另一冷却装置。而该相隔一定距离的冷却装置主要用作选择性滤光器，直接安排在光生伏打模块上的冷却装置同时实现滤光效应和模块的冷却。
通过选择冷却介质可以得到特殊的滤光特性。如果在液体介质和光辐射源之间安排一选择性透光层表明是有利的。该选择性透光层一方面用于导流，而另一方面通过透光层和液体介质的组合产生调整到对光生伏打效应可利用的太阳光谱的滤光特性。
如果在面对光辐射源一侧的透光层上淀积优先选择性透光层，则证明是有利的。通过选择不同的淀积材料和方法，也可以影响滤光特性并按照有益的方式达到最佳的滤光特性曲线。
大规模试验系列表明由氟聚合物制成的片或箔作为透光层导致特别好的结果。尤其是氟聚合物箔在制造时是有利的，既适合于液体冷却剂的传导也适合于辐射滤光器。好的结果也可以用丙烯酸脂、聚碳酸脂和玻璃达到，因为这些材料在入射光谱内显示高透明性，以及机械稳定性，耐气候性和防水性。这例如用丙烯酸脂、(PMMA)和聚碳酸脂两面套片价格便宜地实现。
如果透光层形成包围液体介质的外壳，则是有益的。因此这种外壳是封闭的构件可作为滤光镜使用，并且可以简单方式替换。
上述结构形式既可用于未聚光的光辐射也可用于聚光的光辐射。
对上述本发明的说明和实施例在附图中示出，并详细说明如下。
即
图1示出太阳光谱对波长的相对强度以及5cm厚水层和100μm厚氟聚合物箔对波长的透射率。
图2示出单层的光生伏打装置，图3示出光生伏打模块的一部分，图4示出图3所示的光生伏打模块的温度分布与层厚的关系，图5示出双层的光生伏打装置以及图6示出具有聚光器和顸冷却器的双层光生伏打装置。
图1内在左边的纵座标1示出了相对强度，在右边的纵座标2是光辐射透射率τ％。在横座标3是波长nm。在这种座标系统内画入太阳光谱4及该光谱4的对光生伏打效应可利用的光谱区5.5cm厚水层的透射是通过线6表明，线7示出100μm厚的氟聚合物箔的透射。
该图表明5cm厚的水层几乎可以通过对光生伏打效应可利用的光谱区的整个光辐射，而只吸收较长波长的光辐射。相反，该箔几乎可以不改变地在整个光谱区通过光辐射，并且只在短波区吸收一部分光辐射。因此安排在水层下的先生伏打模块几乎完全被对光生伏打效应可利用的整个光辐射所照射，而长波光辐射被水层吸收，导致水的加热。
在图2示出的光生伏打装置内利用了该效应。这里光生伏打模块10被水层11漫流、并因此被冷却。水层11被透射箔12包围，所以在该箔12内的水被传导。泵13从(未示出的)蓄水器、通过光生伏打装置14到储水器15抽送水，从此储水池水可以经出口处17的阀门16计量提取。当通过光生伏打装置产生的水加热不足时，加热丝18对水进行补充加热。
温度传感器19安排在光生伏打装置14上，该温度传感器是如此控制泵13的，当温度传感器19已经达到一定的、可调节的界限温度时，随后就将已加热的液体抽到储水池15内，而新鲜的冷的液体流入装置。
上述滤光器11，12是可以选择的，因为只让具有一定波长的光辐射通过。但是也是同流换热的，因为在光生伏打模块10的表面上出现的热流主要通过两种机理同流换热回收。其一这是通过液体与模块热表面的直接接触实现的热交换。其二模块表面发出根据维恩位移定律与温度有关地移向长波的光辐射。根据本发明这是被滤光液体，水11吸收并转变成热。
在根据本发明的冷却装置中，不可能引起光生伏打效应的长波光子，在到达模块前已经转变为热，而在已知的光生伏打装置中它在模块内被吸收，并且产生的热流必须通过模块才被吸收掉。因此本发明的光生伏打装置的优点在于最上层，即面向光辐射的一侧经受特别强的冷却。这是特别有意义的，因为在光生伏打模块内—如图2所示—光辐射21的光量子20在层厚d的光生伏打模块23的最上层22被吸收，并因此产生温度梯度，正如它在图4用线24所表示的那样。线24示出在具有温度Tu的光生伏打模块的下侧25和具有温度T0的光生伏打模块23的上侧26之间的线性温度分布。这图再次清楚地表明正侧的本发明的模块冷却是尤为有利的，因为它直接挨在模块23的最热的表面上。
图5示出图2所示的光生伏打装置的扩展。在该先生伏打装置30情况下，光生伏打模块31在背离光辐射的一侧由第1液体层32和面向光辐射一侧由第2液体33漫流。泵34在第1层32内沿着光生伏打模块31的背侧36输运水流35，这时水冷却光生伏打模块31的背侧。导向装置37把光生伏打模块31下端的水流35围绕模块导向上侧38，在那里，在第2层33内沿着上侧38向上流动，在前侧面上进一步加热的水随后流向储水池39，并且从那里经阀门40流向出口41。
背侧导水层32可以或者是与背侧存在很好热接触的、合适几何形状的蛇形管，或者由整个表面的板式热交换器组成。为了降低向外的热损耗到最小，整个装置附加地通过不透明的隔热体42，以及第2透明罩43进行补充。第2透明罩43安排在对透明的氟聚合物箔44一定间距。恒温调节器45可以有目的地调节冷却液的温升。在出口41处争取达到的温度各按应用情况例如为游泳池加热，处于30℃，而为了淋浴水必须约40℃。太阳能热水的这两种典型的应用类型在合适的纬度首先在夏季半年内找到应用。因为在这期间光生伏打模块的平均温度可以超过50℃，所以本发明的系统不仅供应电流和热水，而且同时提高了电流效率。
根据本发明，可以从迄今为止以约10％效率从光辐射供应中产生电流的表面元件，制造以总效率约60％产生电流和热水的模块。
图6表示本发明系统基本上可以用于具有太阳光聚束的光生伏打装置。恰好在模块表面提高的能量密度情况下，上述优良的选择性和同流换热的热提取机构才更强地起作用。
在把图5所示的光生伏打装置用于聚光光辐射的情况下长波长、对光生伏打效应不可利用的太阳光谱部分的能量用于加热到相对较低温度的水。当冷水流加热到较高温度时，光生伏打模块的效率下降。
因此对于聚光光辐射，推荐图6所示的光生伏打装置。该光生伏打装置50主要由聚光透镜51，预冷器52和冷却的光生伏打模块元件53组成。也可以用其它聚光光学系统，例如使用反射镜系统来取代聚光透镜51，光生伏打模块53在结构上相当于图5所示的光生伏打装置30。预冷却器52用于预滤光器，该滤光器在线性聚光器情况下由在该位置具有焦线尺寸的透明长方体构成。在点形聚光器的情况下应用在该位置具有焦点尺寸的透明扁平空心圆筒(flacherHohlzylinder)。
空心长方体或空心圆筒54被液体流过，该液体除了具有在图1所示的选择性之外，还具有尽可能高的沸点，因此保持较低系统压力。在本情况下，应用具有相应添加剂的水。该水在空心长方体或空心圆筒54内经依靠透镜51聚束的光辐射55加热到约100℃范围的温度。在达到预定的温度时，温度传感器56对泵起作用，所以新的液体流抽入到空腔54内。加热的水经导管58排出空腔54。因此在透镜51的焦点产生极高温度，并用于选择性透光液体的加热。
因此用装置50从最初射入的能量59产生电流60，产生生活用热水61和高温处理热水62。这时高温热水的能量例如经合适的热力学机构转变为机械功或额外的电流。
然而，通过在管端61和泵之间建立连接的方式，在光生伏打模块装置53上产生的热水量也可以在预滤光器52内进一步加热。
上述的光生伏打装置是基于液体和透明的外壳材料的正确的选择。在液体的范围内，水有超过油、酒精……等多种能力。因为光生伏打模块可以使用各种结构(例如硅，GaAs，ZnS等)，所以选择性滤光器必须调谐到各自必要的光生伏打工作的光谱区。在需要时这调谐可以相对准确地通过透明外壳材料和/或液体的滤光特性实现。为了改变滤光特性，可以在外壳材料本身有选择地涂上覆层并且对液体附加添加物。
在上述应用例中作为外壳使用100μm厚的商业上惯用的氟聚合物箔。这箔是化学惰性的、环境中性的和可灵活加工的。在应用箔时必须注意，通过合适的机械支撑，或导水层的通道型分组，避免枕形涨大，以便在整个面上形成相对均匀厚度的水层。
光生伏打元件通常在其上侧复盖玻璃面和塑料面，以保护工作的光生伏打电面不受机械影响。在应用放置在工作的光生伏打表面的传导液体的外壳时，可以放弃光生伏打元件的另一保护层，因为导水元件承担了保护表面的功能。例如，可以应用上述的双重板(Doppelstegplatte)，以便把液体引向光生伏打元件，并且同时保护光生伏打元件。显然传统上用的玻璃板也可以装配在板面内走向的液体流过的通道，或作为双板(Doppelplatte)实现导流层。
在上述实施例中水用作选择性液体。水是便宜的且对环境中性的。在对水应用添加物时必须为生产生活用水应用热交换器。然而产生的水量的温度是如此调节的，使得不含添加物的水派上了用场。随后可以放弃使用热交换器。
权利要求
1.光生伏打装置(14)具有暴露于辐射的正面和对置的背面，用于把光辐射能转换为电压，并具有冷却装置，其特征为，冷却装置具有液体介质(11)，该介质安排在正面和光辐射源之间。
2.根据权利要求1的光生伏打装置，其特征为，液体介质(11)基本上是水。
3.根据上述权利要求之一的光生伏打装置，其特征为，根据热和冷介质的重力差，液体介质(11)在正面和光辐射源之间流动。
4.根据上述权利要求之一的光生伏打装置，其特征为，冷却装置具有用于液体介质(11)的泵(13)。
5.根据权利要求4的光生伏打装置，其特征为，冷却装置具有恒温器(19)，用它可调节泵(13)。
6.根据上述权利要求之一的光生伏打装置，其特征为，液体介质(11)先漫流过背面(36)，随后再漫流过正面(38)。
7.根据上述权利要求之一的光生伏打装置，其特征为，冷却装置或另一冷却装置(52)对正面相隔一定间距安置。
8.根据上述权利要求之一光生伏打装置，其特征为，在液体介质(11)和光辐射源之间优先安排选择性透光层(12)。
9.根据权利要求8的光生伏打装置，其特征为，透光层(12)在面向光辐射源的一侧优先加一选择性可透光覆盖层。
10.根据权利要求8或9之一的光生伏打装置，其特征为，透光层(12)具有氟聚合物箔或片。
11.根据权利要求8到10之一的光生伏打装置，其特征为，透光层(12)形成包围液体介质(11)的外壳。
全文摘要
本发明涉及的光生伏打装置具有暴露于光辐射的正面和对置的背面用于把光辐射能转换为电能,其中应用了冷却装置,它放置在光生伏打模块的正面和光辐射源之间。冷却装置具有液体介质,其中优选优选作液体介质。导水层和水本身用作选择性滤光器,它允许可用作光生伏打效应的光辐射部分通过,并把长波长光辐射转变为热,该热立即被引出,以便很大程度上避免光生伏打模块加热。
文档编号F25D1/00GK1322380SQ99811795
公开日2001年11月14日 申请日期1999年8月5日 优先权日1998年8月5日
发明者J·克莱恩维赫特尔 申请人:电力脉冲控股有限公司