專利名稱：太陽能光伏與光熱耦合型太陽能電池及其耦合發(fā)電方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能發(fā)電技術領域，特別是涉及到一種太陽能光伏與光熱耦合型太陽能電池及其耦合發(fā)電方法。
背景技術：
能源短缺與環(huán)境污染已成為制約人類文明發(fā)展主要瓶頸之一。太陽能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，其高效利用已成為緩解能源危機的主要途徑之一。太陽能發(fā)電技術可分為兩類，即將太陽光能轉換成電能的光伏發(fā)電技術及太陽輻照熱能轉化成電能的光熱發(fā)電技術。光伏發(fā)電主要利用了半導體材料(PN結)的光伏效應，光熱發(fā)電通常利用熱功轉換技術將熱能轉換為機械能再轉換為電能或直接利用熱電轉換材料實現(xiàn)熱電直接轉換。目前，光伏發(fā)電的效率相對較低，僅為15%左右，并且在室外暴曬條件下，光伏板吸收太陽能使溫度升高，而光伏轉換效率通常隨著光伏板PN結溫度的升高而急劇下降。已有研究表明，溫度每升高I攝氏度，光伏轉換效率下降O. 5%，因此控制光伏板的工作溫度，是提高太陽能電池實際工作效率的有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明創(chuàng)造出一種太陽能光伏與光熱耦合型太陽能電池及其耦合發(fā)電方法，一種采用太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，由向光面光伏模塊、硅微通道板、硅基背板及散熱片依次組裝而成；其中光伏模塊、硅微通道板、硅基背板采用微電子機械工藝(MEMS)鍵合，所述散熱片采用導熱型粘結劑貼合于硅基背板背面上側，作為脈動熱管回路的放熱段，將工質吸收的熱量釋放到環(huán)境中。所述光伏模塊I由第一梳狀電極11、減反膜12、PN結13、背電極層14、第一電絕 緣層15、第二梳狀電極16和第三梳狀電極17疊合組成；其中第一梳狀電極11和減反膜12加工在PN結13的向光面，減反膜12位于第一梳狀電極11和PN結13之間，用于減少向陽面對太陽光的反射；背電極層14加工在PN結13背面，與第一梳狀電極11組成PN結13的正負電極對，用于將PN結13產(chǎn)生的電能輸出；在背電極層14的背面首先沉積或濺射所述第一絕緣層15，繼而沉積或濺射第二梳狀電極16和第三梳狀電極17。所述減反膜為透明導電膜。所述硅微通道板2上加工有蛇形微通道21、容納第二梳狀電極16的第一凹槽22和容納第三梳狀電極17的第二凹槽23及相應的第一電極引線孔24、第二電極引線孔25和第三電極引線孔26。所述蛇形微通道21的水力直徑應小于臨界毛細尺度，所述微通道水力直徑一般條件下應不大于Di^rpl2其中Di為通道的水力直徑，g為重力加速度，P l、P c分別為所述電絕緣工質B的液相、汽相密度，σ為電絕緣工質B的液相和汽相之間界面張力。所述硅基背板3由硅板31、永磁薄膜陣列32及第二絕緣層33組成三層結構，并加工有第一電極背板引線孔34、第二電極背板引線孔35、第三電極背板引線孔36及抽真空注液端口 37 ;所述硅板面31向微通道板2 —側加工有第三凹槽311，所述永磁薄膜陣列32沉積在第三凹槽311中；所述永磁薄膜陣列32位置正對所述微通道21，從而產(chǎn)生垂直微通道方向的磁場；所述第二絕緣層33用于永磁薄膜陣列32與微通道21內(nèi)流體的電絕緣。所述硅基背板3的第一電極背板引線孔34、第二電極背板引線孔35和第三電極背板引線孔36分別與所述硅微通道板上的第一電極引線孔24、第二電極引線孔25和第三電極引線孔26相對應；所述第一電極背板引線孔34用于背電極層的導線連接；所述第二電極背板引線孔35用于第二梳狀電極的引線連接，所述第三電極背板引線孔36用于第三梳狀電極的引線連接。所述硅基背板3上的抽真空注液端口 37正對所述微通道板2上的蛇形微通道21，·用于對微通道進行抽真空后交替充注高沸點導電工質A及低沸點絕緣工質B，充注完成后將抽真空注液端口 37封閉，從而使得蛇形微通道21形成具有雙工質的脈動熱管封閉回路。所述散熱片4位于硅基背板3的背面上側，作為脈動熱管回路的放熱段，將工質吸收的熱量釋放到環(huán)境中。一種太陽能光伏與光熱耦合發(fā)電方法，其特征在于，該方法采用太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，將太陽能光伏發(fā)電與光熱發(fā)電耦合集成在一起，即在向光面，采用普通光伏板的PN結結構；同時，在背光面集成雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊；所述雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊內(nèi)交替充注高沸點導電工質A和低沸點絕緣工質B,其中低沸點絕緣工質B吸收來自向光面的太陽光熱發(fā)生相變而吸熱,低沸點絕緣工質B被加熱變成氣相絕緣工質Βη，有效降低所述向光面PN結的溫度，從而提高其光伏轉換效率；同時，在背光面的雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊內(nèi)集成永磁薄膜陣列產(chǎn)生磁場，高沸點導電工質A的運動與磁場垂直，根據(jù)法拉第電磁感應定律，將在導電工質A的內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢從而實現(xiàn)熱電直接轉換；該光伏與光熱耦合型電池在提高光伏效率的同時，也實現(xiàn)了光熱直接發(fā)電，提高整體發(fā)電效率。本發(fā)明的有益效果是本光伏與光熱耦合型太陽能電池，一方面，光熱模塊通過吸收光熱模塊的熱量控制了光伏板的溫升水平，提高了光伏模塊的實際轉換效率，另一方面，光熱模塊將吸收的部分熱量轉化為電能，因此，該光伏與光熱耦合型太陽能電池具有較高的太陽能發(fā)電效率，而且整個耦合模塊可以通過微電子機械系統(tǒng)(MEMS)工藝實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，無需集成任何運動機械部件，具有高轉換效率和高可靠性的顯著優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。


圖1為太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池的整體示意2為圖1的A-A截面示意圖。圖3為所述光伏模塊的內(nèi)部結構三維示意圖。圖4為所述微通道板的結構示意圖，其中a為三維示意圖；b為俯視圖。圖5為所述硅基背板的結構三維示意圖。
圖6為光熱發(fā)電原理示意圖。附圖標記說明1、光伏模塊，2、硅微通道板，3、硅基背板，4、散熱片，11、梳狀電極，12、減反膜，13,PN結，14、背電極層，15、第一電絕緣層，16、第二梳狀電極(圖中，“一”電池的負極)，17、第三梳狀電極(圖中，“ + ”電池的正極)，21、蛇形微通道，22、第一凹槽，23、第二凹槽，24、第一電極引線孔，25、第二電極引線孔，26、第三電極引線孔，31、硅背板，311、第三凹槽，32、永磁薄膜陣列，33、第二電絕緣層，34、第一電極背板引線孔，35、第二電極背板引線孔，36、第三電極背板引線孔，37、抽真空注液端口下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步詳細說明。
具體實施例方式一種太陽能光伏/光熱耦合發(fā)電方法，該方法創(chuàng)造性將太陽能光伏發(fā)電與光熱發(fā)電集成，在向光面，采用普通光伏板的PN結結構；同時，在背光面集成雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊。圖6所示光熱發(fā)電原理示意圖。其光伏/光熱耦合型太陽能電池的工作原理為所述雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊內(nèi)交替充注高沸點導電工質A和低沸點絕緣工質B，其中低沸點絕緣工質B吸收來自向光面的太陽光熱發(fā)生相變而吸熱，低沸點絕緣工質B被加熱變成氣相絕緣工質B n，可有效降低所述向光面PN結的溫度，從而提高其光伏轉換效率；同時，在背光面，雙工質的脈動熱管封閉回路吸收向光面的熱量，低沸點絕緣工質B發(fā)生相變而體積膨脹，使得雙工質的脈動熱管封閉回路內(nèi)產(chǎn)生脈動流動，高沸點導電工質A僅發(fā)生位移而不發(fā)生相變，并且其運動垂直切割所述永磁薄膜32產(chǎn)生的磁場，從而在高沸點導電工質A的內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢，根據(jù)法拉第電磁感應定律，將在導電工質A的內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢從而實現(xiàn)熱電直接轉換，從而實現(xiàn)光熱發(fā)電。該光伏/光熱耦合型電池在提高光伏效率的同時，也實現(xiàn)了光熱直接發(fā)電，具有較高的整體發(fā)電效率。圖1所示，一種采用所述太陽能光伏/光熱方法的光伏/光熱耦合型硅基太陽能電池的總裝圖，由光伏模塊1、硅微通道板2、硅基背板3及散熱片4組成。圖2所示為圖1的A-A截面示意圖。所述光伏模塊1、硅微通道板2、硅基背板3采用微電子機械工藝(MEMS)鍵合，所述散熱片4采用導熱型粘結劑貼合于硅基背板3背面上側。所述光伏模塊I由第一梳狀電極11、減反膜12、PN結13、背電極層14、第一電絕緣層15、第二梳狀電極16和第三梳狀電極17疊合組成；其中第一梳狀電極11和減反膜12加工在PN結13的向光面，減反膜12位于第一梳狀電極11和PN結13之間，用于減少向陽面對太陽光的反射；背電極層14加工在PN結13背面，與第一梳狀電極11組成PN結13的正負電極對，用于將PN結13產(chǎn)生的電能輸出；在背電極層14的背面首先沉積或濺射所述第一絕緣層15，繼而沉積或濺射第二梳狀電極16和第三梳狀電極17 (如圖3所示)。圖中，“一”表示電池的負極從第二梳狀電極16引出，圖中，“ + ”表示電池的正極，從第三梳狀電極17引出(如圖6所示)。圖4所示為所述微通道板的結構示意圖,其中a為三維示意圖；b為俯視圖。在娃微通道板2上加工有蛇形微通道21、容納第 二梳狀電極16的第一凹槽22和容納第三梳狀電極17的第二凹槽23及相應的第一電極引線孔24、第二電極引線孔25和第三電極引線孔26。
所述蛇形微通道21的水力直徑應小于臨界毛細尺度，所述微通道水力直徑一般條件下應不大于
權利要求
1.一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，由向光面光伏模塊(I)、硅微通道板(2)、硅基背板(3)及散熱片(4)依次組裝而成；其中光伏模塊、硅微通道板、硅基背板采用微電子機械工藝MEMS鍵合，所述散熱片(4)采用導熱型粘結劑貼合于硅基背板背面上側，作為脈動熱管回路的放熱段，將工質吸收的熱量釋放到環(huán)境中。
2.根據(jù)權利要求1所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述光伏模塊(I)由第一梳狀電極(11)、減反膜(12)、PN結(13)、背電極層(14)、第一電絕緣層(15 )、第二梳狀電極(16 )和第三梳狀電極(17 )疊合組成；其中第一梳狀電極(11)和減反膜(12 )加工在PN結(13 )的向光面，減反膜(12 )位于第一梳狀電極(11)和PN結(13 )之間，用于減少向陽面對太陽光的反射；背電極層(14)加工在PN結(13)背面，與第一梳狀電極(11)組成PN結(13)的正負電極對，用于將PN結(13)產(chǎn)生的電能輸出；在背電極層(14)的背面首先沉積或濺射所述第一絕緣層(15)，繼而沉積或濺射第二梳狀電極(16)和第三梳狀電極(17)。
3.根據(jù)權利要求2所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述減反膜為透明導電膜。
4.根據(jù)權利要求1所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述硅微通道板(2)上加工有蛇形微通道(21 )、容納第二梳狀電極(16)的第一凹槽(22)和容納第三梳狀電極(17)的第二凹槽(23)及相應的第一電極引線孔(24)、第二電極引線孔(25)和第三電極引線孔(26)。
5.根據(jù)權利要求4所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述蛇形微通道的水力直徑應小于臨界毛細尺度，所述微通道水力直徑應不大于
6.根據(jù)權利要求1所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述硅基背板(3)由硅板(31)、永磁薄膜陣列(32)及第二絕緣層(33)組成三層結構，并加工有第一電極背板引線孔(34)、第二電極背板引線孔(35)、第三電極背板引線孔(36)及抽真空注液端口(37);所述硅板(31)面向微通道板一側加工有第三凹槽(311)，所述永磁薄膜陣列(32)沉積在第三凹槽(311)中；所述永磁薄膜陣列(32)位置正對所述微通道(21)，從而產(chǎn)生垂直微通道方向的磁場；所述第二絕緣層(33)用于永磁薄膜陣列與微通道內(nèi)流體的電絕緣。
7.根據(jù)權利要求1所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述硅基背板的第一電極背板引線孔(34)、第二電極背板引線孔(35)和第三電極背板引線孔(36)分別與所述硅微通道板上的第一電極引線孔(24)、第二電極引線孔(25)和第三電極引線孔(26)相對應；所述第一電極背板引線孔(34)用于背電極層的導線連接；所述第二電極背板引線孔(35)用于第二梳狀電極的引線連接，所述第三電極背板引線孔(36)用于第三梳狀電極的引線連接。
8.根據(jù)權利要求1所述一種太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，其特征在于，所述硅基背板上的抽真空注液端口(37)正對所述微通道板上的蛇形微通道(21)，用于對微通道進行抽真空后交替充注高沸點導電工質A及低沸點絕緣工質B，充注完成后將抽真空注液端口封閉，從而使得蛇形微通道形成具有雙工質的脈動熱管封閉回路。
9.一種太陽能光伏與光熱耦合發(fā)電方法，其特征在于，該方法采用太陽能光伏與光熱的耦合型太陽能電池，將太陽能光伏發(fā)電與光熱發(fā)電耦合集成在一起，即在向光面，采用普通光伏板的PN結結構；同時，在背光面集成雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊；所述雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊內(nèi)交替充注高沸點導電工質A和低沸點絕緣工質B，其中低沸點絕緣工質B吸收來自向光面的太陽光熱發(fā)生相變而吸熱，有效降低所述向光面PN結的溫度，從而提高其光伏轉換效率；同時，在背光面的雙工質脈動熱管直接熱發(fā)電模塊內(nèi)集成永磁薄膜陣列產(chǎn)生磁場，高沸點導電工質A的運動與磁場垂直，根據(jù)法拉第電磁感應定律，將在導電工質A的內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢從而實現(xiàn)熱電直接轉換；該光伏與光熱稱合型電池在提高光伏效率的同時，也實現(xiàn)了光熱直接發(fā)電，提高整體發(fā)電效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于太陽能發(fā)電技術領域的一種太陽能光伏與光熱耦合型太陽能電池及其耦合發(fā)電方法，該電池向光面光伏發(fā)電模塊、硅通道、加工有永磁薄膜陣列的硅基背板以及散熱片組成。在該系統(tǒng)面向太陽一側，當太陽光照射時，由于光伏效應在光伏發(fā)電模塊內(nèi)產(chǎn)生電勢；在背光面，通過抽真空注液端口對由光伏模塊、硅微通道板及硅背板組成，交替充注高沸點導電工質A和低沸點絕緣工質B，然后封閉，從而使得該蛇形回路形成具有雙工質的脈動熱管回路。本發(fā)明將光伏與光熱耦合組成耦合太陽能電池，其突出優(yōu)勢在于背光面脈動熱管熱發(fā)電回路吸收向光面釋放的熱量發(fā)電，使得光伏板工作溫度降低，提高了光伏板轉換效率和壽命，該具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01L31/04GK103000737SQ20121049224
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權日2012年11月27日
發(fā)明者張偉, 牛志愿, 武超群, 徐進良 申請人:華北電力大學