ГИБРИДНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ С ОТВОДОМ ТЕПЛОТЫ
PHOTOVOLTAIC THERMAL HYBRID SOLAR COLLECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предложенное изобретение относится к слоистому модулю на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты (PV/T) для гибридного солнечного коллектора, к гибридному солнечному коллектору на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты, содержащему такой слоистый модуль на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты, и к способу изготовления такого слоистого модуля на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время существует несколько систем гибридных солнечных коллекторов на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты (PV/T), использующих PV/T модули для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Эффективность солнечных элементов или фотоэлектрических элементов продолжает улучшаться, тогда как их стоимость продолжает снижаться, что делает солнечную энергию важным и жизнеспособным источником возобновляемой энергии, не наносящей вреда окружающей среде.
Обычные PV/T модули изготовляют посредством размещения солнечных элементов, являющихся весьма хрупкими, в слоистой структуре для их защиты от оптического и механического повреждения, обусловленного постоянным воздействием солнечных лучей и метеорологических элементов. Кроме того, PV/T модули содержат охлаждающий/поглощающий элемент, содержащий текучую среду для отведения тепла, накопленного в солнечных элементах и воздействующего на эксплуатационные качества солнечного элемента. Однако для достижения эффективности гибридного солнечного коллектора на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты необходимо достичь определенной минимальной температуры охлаждающей/поглощающей текучей среды, при этом выходное напряжение фотоэлектрических элементов, в то же время, снижается при увеличении температуры. Эта двойственная функциональность накладывает строгие требования к материалам, используемым в PV/T модуле.
Примеры таких PV/T модулей приведены в патентных документах ЕР 2405489, DE 19809883 и WO 2011/146029, включенных в настоящий документ посредством ссылки. Эти известные PV/T модули обычно изготавливают из многослойных полимерных пленок, содержащих, например, этилвинилацетат (ЭВА), фторполимеры, такие как поливинилфторид (ПВФ) или поливинилбутираль (ПВБ) и/или силиконовые полимеры. Полимерные пленки разрезают и располагают так, что солнечные элементы размещаются между двумя полимерными слоями из ЭВА, ПВФ и/или ПВБ, а затем слои ламинируют вместе в вакууме при соответствующей температуре. Затем многослойную структуру с солнечными элементами объединяют с охлаждающим/ поглощающим элементом в виде теплопередающей пластины или теплообменника, содержащего трубы для прохождения охлаждающей текучей среды.
Однако из-за наличия значительных температурных градиентов в PV/T модуле, в особенности в охлаждающих средствах с каналами для текучей среды, отделенными фланцами, например, как в патентных документах DE 19809883 и WO 2011/146029, тепловое расширение, испытываемое охлаждающим средством и солнечными элементами, различается и может привести к повреждению солнечных элементов и слоев, выполненных из полимерных пленок, такому как деформация, растрескивание, расслоение, отделение от охлаждающего элемента и т.д., а также к ограничению эффективности солнечных элементов.
Соответственно, существует необходимость в разработке усовершенствованных PV/T модулей и способов их изготовления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью предложенного изобретения является создание усовершенствованных модулей на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты для гибридных солнечных коллекторов на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты и способов их изготовления.
Указанная цель достигается посредством слоистого модуля на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты (PV/T), предназначенного для гибридного солнечного коллектора на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты в соответствии с п.1 формулы изобретения, содержащего охлаждающее/поглощающее средство и фотоэлектрический блок. Охлаждающее/поглощающее средство имеет по меньшей мере одну плоскую поверхность с приподнятыми периферийными краями и выполнено с возможностью работы в качестве литейной формы для фотоэлектрической слоистой структуры. Фотоэлектрический блок имеет слоистую структуру, содержащую: первый слой из первого материала слоистой структуры, отлитый на плоской поверхности охлаждающего/поглощающего средства, причем первый материал слоистой структуры является электроизоляционным и имеет высокую теплопроводность; множество фотоэлектрических элементов, расположенных на по меньшей мере частично отвержденном первом слое материала слоистой структуры; и второй слой из второго материала слоистой структуры, отлитый на фотоэлектрических элементах и по существу покрывающий их, причем второй материал слоистой структуры является прозрачным и имеет высокую термостойкость, предпочтительно до температуры по меньшей мере в 200°C. Два слоя могут быть выполнены из одинакового материала или из различных материалов.
В результате выполнения охлаждающего/поглощающего средства с приподнятыми периферийными краями образуется рабочая литейная форма («ванна»), которая может быть использована для литья фотоэлектрической слоистой структуры, используя жидкий материал слоистой структуры, посредством процесса заливки. Полученная таким образом слоистая структура обеспечивает большую защиту от повреждения, обусловленного тепловым расширением, поскольку слои, сформированные из жидкого материала, могут быть нанесены более равномерно на поверхность охлаждающего/ поглощающего средства и фотоэлектрических элементов, а также обеспечивает лучшее сцепление фотоэлектрических элементов друг с другом и с их покрытием. Другое преимущество заключается в том, что фотоэлектрическая слоистая структура может быть сформирована непосредственно на охлаждающем/поглощающем средстве в противоположность обычным PV/T модулям, в которых слоистую структуру формируют отдельно, а затем присоединяют или прикрепляют к охлаждающему элементу. Было установлено, что фотоэлектрическая слоистая структура, сформированная в соответствии с предложенным изобретением, обеспечивает большую защиту от разрушительных пробивных разрядов, возникающих во влажных условиях.
В предпочтительном варианте выполнения PV/T модуль дополнительно содержит вторую фотоэлектрическую слоистую структуру, отлитую на противоположной по существу идентичной плоской поверхности охлаждающего/поглощающего средства, причем первая и вторая фотоэлектрические слоистые структуры являются по существу идентичными. Такой двусторонний PV/T модуль может быть использован вместе с солнечным рефлектором для направления солнечных лучей на обе стороны PV/T модуля для повышения эффективности.
2
В другом варианте выполнения охлаждающее/поглощающее средство и первый материал слоистой структуры содержат прозрачный материал, обеспечивающий возможность освещения как передней, так и задней стороны фотоэлектрических элементов солнечными лучами. Предпочтительно, прозрачный материал содержит полиуретан или другой материал, имеющий термостойкость в диапазоне температур 100°C-200°C, и устойчивость к ультрафиолетовому излучению выше 1000 Вт/м. Поскольку допускается освещение фотоэлектрических элементов солнечными лучами как с передней, так и с задней сторон, то показатель полной концентрации для PV/T модуля удваивается по сравнению со случаем использования двух цепочек фотоэлектрических элементов, расположенных на противоположных сторонах.
В другом предпочтительном варианте выполнения первый и/или второй материал слоистой структуры содержит силоксан или полиуретан.
Силоксаны представляют собой кремнийорганические соединения с упругими свойствами, обеспечивающие необходимую механическую защиту фотоэлектрических элементов от ударов или вибрации, а также обеспечивающие хорошее сцепление между слоями. Одним примером является полидиметилсилоксан (ПДМС), который в жидкой форме является вязкоупругим, то есть при длительном времени течения он действует как вязкая жидкость, покрывая поверхность и литейную форму с любыми поверхностными дефектами. Силоксаны также характеризуются высокой термостойкостью вплоть до 200°C, при этом они имеют высокую теплопроводность, а также являются электроизоляционным материалом. Силоксан-содержащие соединения могут быть выполнены прозрачными для светового и/или ультрафиолетового излучения. Кроме того, силоксан-содержащие соединения, используемые в фотоэлектрических слоистых структурах в соответствии с предложенным изобретением, являются более дешевыми и более устойчивыми к метеорологическим условиям, по сравнению с обычными материалами, используемыми в областях применения фотоэлектрических элементов, такими как EVA, PVF и PTFE. В ускоренных испытаниях в экстремальных условиях (УИЭУ) фотоэлектрическая слоистая структура в соответствии с предложенным изобретением оставалась неповрежденной вплоть до 300 часов по сравнению с 30 минутами для обычных слоистых структур.
Было установлено, что подобные свойства слоев могут быть получены посредством соединений, содержащих полиуретан (ПУ).
В предпочтительном варианте выполнения PV/T модуль дополнительно содержит водонепроницаемое эластичное наружное электрическое соединение с фотоэлектрическими элементами. Наружные электрические соединения могут быть заключены в оболочку из совместимого материала, такую как термоусадочная трубка на основе силикона, препятствующая проникновению влаги вдоль соединения через слоистую структуру. Такое соединение может быть выполнено посредством эластичной муфты или эластичного провода, например, медного провода в оплетке.
В преимущественном варианте выполнения фотоэлектрические элементы расположены в цепочках из фотоэлектрических элементов, и PV/T модуль дополнительно содержит шунтирующий диод, присоединенный параллельно с каждой цепочкой фотоэлектрических элементов. Шунтирующие диоды также могут быть выполнены в фотоэлектрической слоистой структуре. Предпочтительно, шунтирующие диоды также содержат преобразователи DC/DC постоянного напряжения в постоянное напряжение, которые также могут быть выполнены в фотоэлектрической слоистой структуре. В утренние/вечерние часы при низком солнце PV/T модуль, как правило, является частично затененным, поскольку солнечные лучи достигают модуля под малыми углами. Результирующая низкая интенсивность света снижает эффективность практически всех фотоэлектрических элементов в модуле. Шунтирующие диоды сводят к минимуму воздействие затенения, так что PV/T модуль теряет энергию лишь затененных цепочек фотоэлектрических элементов. Помимо этого, в случае, если шунтирующие диоды и преобразователи DC/DC постоянного напряжения выполнены в фотоэлектрической слоистой структуре, то они будут защищены и будут подвергаться охлаждению в такой же степени, что и фотоэлектрические элементы.
В другом предпочтительном варианте выполнения цепочки фотоэлектрических элементов соединены последовательно с образованием по меньшей мере одного последовательного контура. Предпочтительно, цепочки фотоэлектрических элементов соединены с образованием по меньшей мере двух последовательных контуров, соединенных параллельно. Это параллельное соединение цепочек из фотоэлектрических элементов делает возможным уменьшение частичного затенения до уровня ниже 50% рабочей поверхности PV/T модуля, то есть по меньшей мере 50% PV/T модуля является рабочей, для повышения эффективности в затененных условиях. При увеличении количества цепочек и параллельных контуров уменьшается воздействие затенения с обеспечением тем самым поддержания эксплуатационных качеств PV/T модуля на высоком уровне.
В другом варианте выполнения охлаждающее/поглощающее средство содержит множество продольных каналов для текучей среды, выполненных с возможностью обеспечения равномерно распределенного потока текучей среды. Предпочтительно, каналы для текучей среды имеют сечение по существу эллиптической или круговой формы. Испытания показали, что с помощью изменения формы сечения и размера каналов для текучей среды может быть получен равномерно распределенный поток текучей среды, обеспечивающий превосходный охлаждающий эффект и распределение температуры в охлаждающем/поглощающем средстве, близкое к изотермическому.
В предпочтительном варианте выполнения каналы для текучей среды имеют сотовую или ромбическую структуру на поверхности, что способствует продольному перемещению текучей среды в каналах. Предпочтительно, каналы для текучей среды выполнены посредством экструдирования металлического сплава, такого как алюминий или подобного ему, или полимера, предпочтительно полиуретана (ПУ), при этом каналы для текучей среды выполнены с возможностью выдерживать гидравлические давления в диапазоне 1-25 бар (0,1-2,5 МПа).
В преимущественном варианте выполнения PV/T модуль дополнительно содержит по меньшей мере один трубный соединитель, имеющий первую распределительную секцию, присоединенную к каналам для текучей среды охлаждающего/поглощающего средства, и вторую секцию с соответствующим впускным отверстием, проточно сообщающимся с первой секцией. Распределительная секция может иметь множество отверстий выполненных с возможностью присоединения к каналам для текучей среды. Трубный соединитель может быть изготовлен из отливки металлического или полимерного материала и выполнен с возможностью равномерного распределения потока текучей среды в каналы и из них посредством перепада давления или распределения падения давления. Впускное отверстие может быть выполнено в виде насадки с выступающими внутрь фланцами, которые могут быть отфрезерованы до требуемого размера и формы для регулирования или выравнивания потока текучей среды.
В предпочтительном варианте выполнения трубный соединитель конструктивно выполнен с обеспечением возможности присоединения к шлангу/трубе для текучей среды с использованием быстроразъемного соединения, например, деталей с уплотнительным кольцом для трапецеидальных металлических шлангов или труб, или с использованием другого способа выполнения быстроразъемного соединения.
Во втором аспекте изобретения предложен способ изготовления слоистого модуля на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты для гибридного солнечного коллектора на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты, включающий этапы:
обеспечения наличия охлаждающего/поглощающего средства, имеющего по меньшей мере одну плоскую поверхность с приподнятыми периферийными краями и выполненную с возможностью работы в качестве литейной формы для фотоэлектрической слоистой структуры;
литья первого слоя из первого материала слоистой структуры в жидком виде на плоскую поверхность охлаждающего/поглощающего средства, причем первый материал слоистой структуры является электроизоляционным и имеет высокую теплопроводность;
обеспечения по меньшей мере частичного отверждения первого слоя из первого материала слоистой структуры;
расположения множества фотоэлектрических элементов на по меньшей мере частично отвержденном первом слое материала слоистой структуры;
литья второго слоя из второго материала слоистой структуры в жидком виде на фотоэлектрические элементы с обеспечением по существу их покрытия вторым материалом слоистой структуры, причем второй материал слоистой структуры является прозрачным и имеет высокую термостойкость;
обеспечения отверждения второго слоя из второго материала слоистой структуры и по меньшей мере частично отвержденного первого слоя из первого материала слоистой структуры.
В предпочтительном варианте выполнения предложенный способ дополнительно включает этапы литья второй фотоэлектрической слоистой структуры на противоположной по существу идентичной плоской поверхности охлаждающего/поглощающего средства, причем первая и вторая фотоэлектрические слоистые структуры являются по существу идентичными.
В другом варианте выполнения охлаждающее/поглощающее средство и первый материал слоистой структуры содержат прозрачный материал, обеспечивающий возможность освещения как передней, так и задней стороны фотоэлектрических элементов солнечными лучами. Предпочтительно, первый и/или второй материалы слоистой структуры содержат силоксан или полиуретан.
В преимущественном варианте выполнения способ дополнительно включает расположение фотоэлектрических элементов в цепочках и присоединение шунтирующего диода параллельно с каждой цепочкой фотоэлектрических элементов перед заливкой второго слоя из второго материала слоистой структуры.
В предпочтительном варианте выполнения способ дополнительно включает обеспечение наличия преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение вместе с шунтирующим диодом перед заливкой второго слоя из второго материала слоистой структуры.
В другом варианте выполнения способ дополнительно включает соединение цепочек из фотоэлектрических элементов последовательно с образованием по меньшей мере одного последовательного контура.
В преимущественном варианте выполнения способ дополнительно включает соединение цепочек из фотоэлектрических элементов с образованием по меньшей мере двух последовательных контуров, соединенных параллельно.
В другом варианте выполнения способ дополнительно включает обеспечение водонепроницаемого эластичного электрического соединения, содержащего оболочку, химически совместимую с материалом слоистой структуры с фотоэлектрическими элементами, для предотвращения проникновения влаги вдоль соединения через слоистую структуру.
В предпочтительном варианте выполнения способ дополнительно включает смачивание оболочки электрического соединения вторым материалом слоистой структуры с созданием тем самым водонепроницаемого сочленения. Этап смачивания электрического соединения обеспечивает сильную связь между электрическим соединением и слоистой структурой, которая является устойчивой к небольшому относительному смещению.
В преимущественном варианте выполнения охлаждающее/поглощающее средство содержит множество продольных каналов для текучей среды, выполненных с возможностью обеспечения равномерно распределенного потока текучей среды, при этом способ дополнительно включает направление нагретой текучей среды через указанные каналы для отверждения первого и/или второго материалов слоистой структуры.
В другом варианте выполнения каналы для текучей среды имеют поперечное сечение по существу эллиптической или круговой формы. Предпочтительно указанные каналы содержат сотовую или ромбическую структуру на поверхности. Форма и структура поверхности каналов для текучей среды выполнены с возможностью оптимизации распределения текучей среды для обеспечения равномерно распределенного потока текучей среды.
В предпочтительном варианте выполнения каналы для текучей среды выполнены путем экструдирования металлического сплава, предпочтительно алюминия, или полимера, предпочтительно полиуретана (ПУ). Путем экструзии могут быть созданы каналы для текучей среды с любым требуемым сечением и качественной обработкой поверхности.
В преимущественном варианте выполнения способ дополнительно включает ускорение процесса отверждения путем обработки слоистой структуры ультрафиолетовым излучением, инфракрасными тепловым излучением, увлажнением или добавлением катализатора. Как вариант, процесс отверждения может происходить достаточное для него время с выдерживанием материала слоистой структуры без внешнего воздействия.
В другом варианте выполнения способ дополнительно включает обеспечение наличия по меньшей мере одного трубного соединителя, имеющего первую распределительную секцию с множеством отверстий, выполненных с возможностью присоединения к каналам для текучей среды, и вторую секцию с соответствующим впускным отверстием, сообщающимся посредством текучей среды с первой секцией.
В предпочтительном варианте выполнения способ дополнительно включает расположение прозрачного препятствующего конвекции барьера над фотоэлектрическими элементами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показан вид сверху и сбоку слоистого модуля на фотоэлектрических элементах с отводом теплоты (PV/T) в соответствии с предложенным изобретением.
На фиг. 2 показан покомпонентный вид слоистого PV/T модуля в соответствии с предложенным изобретением.
На фиг. 3 показано поперечное сечение охлаждающего/поглощающего средства в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения.
На фиг. 4 показан вид в аксонометрии трубного соединителя в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения.
На фиг. 5 показан вид в аксонометрии PV/T модуля в соответствии с предложенным изобретением, содержащего трубные соединители.
На фиг. 6 показан PV/T модуль, содержащий препятствующий конвекции барьер в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения.
На фиг. 7 показана схема соединения цепочек фотоэлектрических элементов в соответствии с вариантом выполнения изобретения.
На фиг. 8 показан эластичный провод, присоединенный к фотоэлектрическим элементам в соответствии с вариантом выполнения предложенного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено более подробное описание слоистого PV/T модуля 10 и способа его изготовления со ссылками на сопроводительные чертежи. Однако предложенное изобретение не следует рассматривать, как ограниченное вариантом выполнения или вариантами выполнения, показанными на чертежах и рассмотренными ниже, в него могут быть внесены изменения в пределах объема правовой охраны формулы изобретения.
На фиг. 1 на виде сверху и сбоку показан слоистый PV/T модуль 10 в соответствии с предложенным изобретением. На фиг. 2 показаны отдельные слои 31, 32 и фотоэлектрические элементы 33 в покомпонентном виде для облегчения понимания изобретения. Модуль 10 содержит охлаждающее/поглощающее средство 20 и фотоэлектрический блок 30, содержащий множество фотоэлектрических или солнечных элементов 33, расположенных в слоистой структуре для их защиты. Далее будут объяснены преимущества PV/T модуля 10.
В противоположность обычным PV/T модулям, содержащим ламинированные солнечные элементы, предложенное изобретение раскрывает конструкцию, в которой фотоэлектрическая слоистая структура 30 выполнена или изготовлена непосредственно на поверхности 21 охлаждающего/поглощающего средства 20, а не отдельно изготовлена и затем соединена с охлаждающим/поглощающим средством 20 или встроена в него.
Как видно на фиг. 2, охлаждающее/поглощающее средство 20 имеет приподнятые края 22 по меньшей мере вдоль его продольных сторон, обеспечивающих, тем самым, рабочую литейную форму. Приподнятые края 22 образуют емкость, обеспечивающую возможность содержания жидкости, что является преимущественным при литье и формовании слоев 31, 32. Показано, что охлаждающее/поглощающее средство 20 имеет приподнятые периферийные края 22 на обеих сторонах - на верхней стороне и на нижней стороне. Такое решение обеспечивает возможность формования фотоэлектрической слоистой структуры 30, 35 как на верхней стороне, так и на нижней стороне для увеличения эффективности и использования пространства.
-1
-1
Ближе всего к плоской верхней поверхности 21 охлаждающего/поглощающего средства 20 расположен электроизоляционный первый слой 31 из первого материала слоистой структуры, который был отлит в жидком виде с последующим по меньшей мере частичным отверждением с помощью подведения тепла. Первый слой 31 слоистой структуры выполнен с толщиной от 0,2 до 2 мм и имеет высокую теплопроводность в диапазоне от 0,1 до 10 Вт⋅мK для отведения тепла, вырабатываемого фотоэлектрическими элементами 33. Такое решение гарантирует отсутствие превышения температуры торможения в элементах 33, которая может вызвать снижение эффективности. Первый материал слоистой структуры выполнен термостойким для температур свыше 150°C, предпочтительно по меньшей мере для температуры в 200°C. Требуемое сопротивление изоляции, обеспечиваемое первым слоем 31, составляет по меньшей мере 10 ГОм при 5 кВт. Электрическая прочность диэлектрика составляет по меньшей мере 18 кВ/мм.
Следующим по порядку в направлении от поверхности 21 средства 20 является множество фотоэлектрических элементов 33, скомпонованных в цепочки и расположенных на поверхности электроизоляционного первого слоя 31 слоистой структуры, а также дополнительная электропроводка, необходимая для создания электрических контуров и соединений. Возможно использование любых имеющихся в продаже высокоэффективных фотоэлектрических элементов 33 с коротким расстоянием между контактными штырями. В качестве примера предложено использовать фотоэлектрические элементы компании Hitachi с высоким коэффициентом заполнения и прозрачным контактом на передней стороне. PV/T модуль 10 может содержать по меньшей мере две цепочки из фотоэлектрических элементов 33, при этом каждая цепочка 36 содержит набор элементов 33 для достижения достаточного выходного напряжения, как правило, 34 фотоэлектрических элемента или более того. Элементы 33 выполнены в форме наподобие тонких полос и расположены перпендикулярно продольному направлению средства 20 с длиной, соответствующей ширине средства 20. Такое решение приводит к значительно сниженной тепловой нагрузке на элементы 33 и помогает избежать повреждения. В одном варианте выполнения ширина элементов 33 составляет 26,6 мм.
Провода, проходящие по длине охлаждающего/поглощающего средства 20, выполнены с выступом для снятия напряжения, расположенным в центре их протяженности. Такое решение обеспечивает защиту электрической системы от натяжения, вызываемого продольным расширением средства 20. Наружные электрические присоединения к фотоэлектрическим элементам выполнены эластичным электрическим проводом 72, как показано на фиг. 8, и защищены изолирующим рукавом или оболочкой (не показано). В предпочтительном варианте выполнения этот эластичный электрический провод 72 является оплетенным луженым медным проводом, а оболочка, выполненная из термоусадочной трубки на основе силикона, совместима с материалом слоистой структуры для содействия химической связи между оболочкой и материалом слоистой структуры и тем самым создает водонепроницаемое сочленение 71 вокруг точки соединения гибкого электрического провода 72 с фотоэлектрическими элементами 33. Однако данные конкретные материалы не являются существенными, поэтому в пределах объема правовой охраны настоящего изобретения предложено использовать эластичный электрический провод с любым материалом оболочки, химически совместимым с выбранной слоистой структурой.
Дальше всего от поверхности 21 охлаждающего/поглощающего средства 20 выполнен второй покрывающий слой 32 из прозрачного второго материала слоистой структуры, предназначенный для покрытия и защиты элементов 33. Покрывающий слой 32 льют и формуют поверх фотоэлектрических элементов 33 с обеспечением преимущества, заключающегося в заполнении небольших углублений между фотоэлектрическими элементами 33 и вокруг них для создания по существу плоского и равномерного верхнего слоя в противоположность многослойным структурам, созданным из полимерных пленок, натягиваемых поверх солнечных элементов. Кроме того, покрывающий слой 32 является термостойким к температуре по меньшей мере 200°C.
15
Материалы, выбранные для первого и второго слоев 31, 32 слоистой структуры, предпочтительно, сдержат силоксаны и/или полиуретаны (PU) Силоксаны представляют собой функциональную группу в химии кремнийорганических соединений со связью Si-O-Si, то есть каждая пара центров с кремнием разделена одним атомом кислорода. Соединения, содержащие силоксаны, протестированные и используемые в предложенном изобретении, несмотря на то, что они являются органическим материалом, действуют иным образом. Во-первых, слои слоистой структуры, содержащие силоксаны, характеризуются незначительными реакциями после продолжительного облучения ультрафиолетовым излучением в противоположность обычным ЭВА слоям, которые начинают высыхать и желтеть. Слоистые структуры, содержащие силоксаны, имеют высокую пропускную способность в диапазоне спектра соответствующих длин волн, составляющую около 93%-96% в диапазоне длин волн приблизительно 300-1200 нм, без существенных падений и всплесков в противоположность ЭВА слоистым структурам, которые имеют пропускную способность около 90%, а также значительные падения вблизи диапазона инфракрасных волн. Предложенные соединения, содержащие силоксаны, характеризуются коротким временем отверждения при нагревании или облучении ультрафиолетовым излучением для инициирования процесса отверждения с помощью химических добавок. И наконец, соединения, содержащие силоксаны, характеризуются большим электрическим сопротивлением, равным 2×10 Ом, и электрической прочностью диэлектрика, равной 18 кВ/мм.
На фиг. 3 в поперечном сечении показано охлаждающее/поглощающее средство 20 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Показаны периферийные боковые края 22, а также система каналов 23 для текучей среды, выполненная в средстве 20. Форма сечения каналов 23 для текучей среды выполнена с возможностью обеспечения равномерно распределенного динамического потока текучей среды, проходящего через каналы 23. Испытания показали, что для достижения оптимального охлаждения/поглощения тепла от фотоэлектрических элементов 33, каналы 23 должны иметь по существу эллиптическое сечение, обеспечивающее превосходные характеристики охлаждения и распределение температур по поверхности, близкое к изотермическому. В отличие от каналов 23 для текучей среды с прямоугольным или квадратным сечением не наблюдалось смещения или деформации средства 20 при высоком гидравлическом давлении охлаждающей/поглощающей текучей среды, используемой при применении гибридных PV/T устройств. Следовательно, на фотоэлектрические элементы 33 не распространяется механическое напряжение, которое в ином случае будет являться причиной значительного повреждения. Круговое сечение также обеспечивает защиту от деформации охлаждающего/поглощающего средства 20. Однако эллиптическое сечение является предпочтительным, так как эта форма дает возможность сделать охлаждающие/поглощающие средства более тонкими по сравнению с каналами 23 для текучей среды с круговым сечением при одинаковой площади сечения, что требует меньшего количества материала. Таким образом, температурный градиент по PV/T модулю 10 сводится к минимуму со снижением тем самым тепловой нагрузки и напряжения на элементах 33, что дает возможность элементам 33 работать в идеальных условиях с максимальной эффективностью.
Поверхность каналов 23 может иметь форму, обеспечивающую оптимизацию потока текучей среды и теплопередачи, например, посредством обеспечения сотовой или ромбической структуры. Эта поверхностная структура затем может быть покрыта соответствующим материалом для уменьшения трения, например, политетрафторэтиленом (ПТФЭ).
Поскольку давление текучей среды, проходящей через каналы 23, может повышаться, то каналы 23 выполнены с возможностью выдерживать гидравлическое давление в диапазоне 1-25 бар (0,1-2,5 МПа).
Охлаждающее/поглощающее средство 20, содержащее систему каналов 23 для текучей среды, выполняют экструдированием металлического сплава, например алюминия, или полимера, например полиуретана (ПУ), в применениях, в которых охлаждающее/поглощающее средство 20 выполнено прозрачным для двустороннего освещения солнечными лучами.
Для присоединения PV/T модуля 10 к замкнутому или разомкнутому контуру охлаждающей/поглощающей текучей среды обеспечено наличие трубного соединителя 50, выполненного с возможностью прикрепления к торцевой поверхности охлаждающего/поглощающего средства 20. Трубный соединитель 50, как проиллюстрировано на фиг. 4, содержит распределительную секцию 51, имеющую по существу такую же ширину, что и охлаждающее/поглощающее средство 20, и множество отверстий 53, выполненных с возможностью присоединения к каналам 23 для текучей среды. Поток текучей среды, проходящий через распределительную секцию 51, является равномерно распределенным с помощью перепада давления или распределения падения давления.
С распределительной секцией 51 проточно сообщается вторая впускная/выпускная секция 52, которая может иметь соответствующее впускное/выпускное отверстие 54 для регулирования или выравнивания потока текучей среды, проходящего через них. Отверстие 54 может иметь форму насадки с выступающими внутрь фланцами 55, которые могут быть отфрезерованы до требуемого размера, или они также могут быть выполнены посредством механических изменений формы торца PV/T модуля 10.
На фиг. 5 показан PV/T модуль 10, присоединенный его торцевыми секциями к трубным соединителям 50. На фиг. 5 можно видеть впускное/выпускное отверстие 54, а также фланцы 55.
Трубный соединитель 50 выполнен с возможностью прикрепления к трубам или шлангам для текучей среды с использованием быстроразъемного соединения, например, деталей с уплотнительным кольцом для трапецеидальных металлических шлангов или труб, предназначенных для быстроразъемного соединения, как это известно из данной области техники.
На фиг. 6 показан прозрачный препятствующий конвекции барьер 60, расположенный над PV/T модулем 10. Препятствующий конвекции барьер 60 имеет форму со множеством частично цилиндрических элементов или половин труб 61, расположенных перпендикулярно продольному направлению PV/T модуля 10. Частично цилиндрические элементы 61 соединены вдоль их соответствующих низких участков 62. Назначение барьера 60 заключается в снижении обусловленных конвекцией тепловых потерь охлаждающего/ поглощающего средства при высоких температурах, так что тепло переносится к охлаждающей/поглощающей текучей среде вместо воздуха в гибридном солнечном коллекторе. Препятствующий конвекции барьер 60 выполнен с возможностью прикрепления к краевому профилю охлаждающего/ поглощающего средства 20, например, в углублении над фотоэлектрической слоистой структурой 30.
На фиг. 7 показана схема соединения цепочек 36 фотоэлектрических элементов 33. Показанный PV/T модуль 10 содержит восемь цепочек 36 с 38 фотоэлектрическими элементами в каждой цепочке, соединенных внутри в параллель. Каждая секция 36 цепочки содержит шунтирующие диоды 40, расположенные в торцевых секциях PV/T модуля 10. Каждый фотоэлектрический элемент соединен посредством пайки в двух местах, соответственно, на верхней или нижней стороне с обеспечением тем самым снятия всех напряжений на фотоэлектрических элементах 33.
Далее будет приведено более подробное описание процесса формирования слоистой структуры. В противоположность обычному процессу с использованием полимерных пленок, в основу предложенного изобретения положен процесс заливки для размещения фотоэлектрических элементов 33 и создания защитной слоистой структуры 30. В процессе заливки фотоэлектрический узел заполняют твердым или гелеобразным соединением для обеспечения устойчивости к ударам и вибрации, а также для исключения проникновения влажности и веществ, вызывающих коррозию.
Прежде всего, охлаждающее/поглощающее средство 20 подготавливают для процесса формирования слоистой структуры, очищая влажной салфеткой с растворителем, таким как изопропанол, или очищая ультразвуком покрываемую плоскую поверхность 21, для удаления каких-либо посторонних частиц с последующим грунтованием плоской поверхности 21 посредством нанесения покрытия из грунтовочного раствора, пригодного для материала слоистой структуры, например, пропанола с возможными добавками, или посредством плазменной обработки плоской поверхности 21. Охлаждающее/поглощающее средство 20 допускает его охлаждение до температуры окружающего воздуха, предпочтительно ниже 30°C.
-1
-1
Затем первый слой 31 из первого материала слоистой структуры формуют на предварительно подготовленной поверхности 21 охлаждающего/поглощающего средства 20 посредством литья электроизоляционного полимерного материала в жидком виде на поверхность 21. При этом периферийные края 22 охлаждающего/поглощающего средства 20 удерживают жидкость первого материала слоистой структуры в литейной форме с созданием, таким образом, электроизоляционного слоя 31 с равномерной толщиной в диапазоне 0,2-2 мм. Поскольку первый слой 31 предназначен также для отведения тепла от фотоэлектрических элементов 33, то необходимо использовать материал, имеющий высокую теплопроводность, предпочтительно в диапазоне 0,1-10 Вт мK. Предпочтительно, первый материал слоистой структуры содержит силоксан в жидком виде. Над первым слоем 31 размещают защитную крышку и посредством вакуумного насоса прокладывают отрицательное давление. Процесс дегазации в этом способе производства является необязательным этапом, который может повысить воспроизводимость и улучшить контроль качества.
Когда по существу весь газ удален из жидкого материала и из пространства над ним, первый материал 31 слоистой структуры по меньшей мере частично подвергают отверждению, либо посредством подведения тепла в температурном диапазоне 60°C-140°C, УФ излучения, либо другим подходящим способом. Путем сохранения первого слоя 31 частично отвержденным перед формованием второго слоя 32 слоистой структуры обеспечивается лучшее сцепление двух слоев 31, 32 друг с другом. Естественно, что также в пределах объема правовой охраны формулы изобретения допускается полное отверждение первого слоя 31 для получения материала в твердом виде, имеющего твердость на дюрометре по Шору в диапазоне 30 - 80, предпочтительно 45-65. Преимущественно, время отверждения может быть ускорено посредством УФ излучения, или нагревания инфракрасным излучением, или прохождения нагретой текучей среды через каналы 23 охлаждающего/поглощающего средства 20, или другими способами, обеспечивающими короткое время изготовления изделия.
После завершения процесса отверждения первого слоя 31 слоистой структуры крышку открывают и размещают цепочку 36 из фотоэлектрических элементов 33 на по меньшей мере частично отвержденном первом слое 31 слоистой структуры, который теперь является электрическим изолятором для фотоэлектрических элементов 33. Цепочку 36 у соответствующих концов присоединяют к монтажным платам, схемам защиты, соединительным проводам и/или контактам.
На этой стадии формуют второй слой 32 из второго материала слоистой структуры поверх цепочки 36 фотоэлектрических элементов 33, расположенных на по меньшей мере частично отвержденном первом слое 31 материала слоистой структуры, посредством литья полимерного материала в жидком виде на фотоэлектрические элементы 33 и нижерасположенный электроизоляционный слой 31 до по существу полного покрытия фотоэлектрических элементов 33. Высота периферийных краев 22 охлаждающего/поглощающего средства 20 соответствует толщине фотоэлектрической слоистой структуры 30, обеспечивая удерживание также жидкого второго материала слоистой структуры даже в условиях вакуума, причем текучие среды могут занимать больший объем по мере удаления растворенных газов.
Предпочтительно, распределение жидкого второго материала слоистой структуры выполняют посредством литья всего объема жидкости поверх цепочки 36 фотоэлектрических элементов 33 быстрым перемещением вдоль центральной линии фотоэлектрических элементов 33 в продольном направлении PV/T модуля 10. Это быстрая укладка жидкого второго материала слоистой структуры, которую может выполнять роботизированная рука, создает вал или стенку из жидкости, которая течет в направлении боковых краев 22, так что происходит извлечение всего воздуха в направлении боковых краев 22.
Для гарантии извлечения всех растворенных газов и пузырьков в материалах 31, 32 слоистой структуры могут быть использованы дополнительные процессы, такие как создание вакуума, перемешивание и механическое давление. Одним важным моментом этого процесса является обеспечение сильной связи между электрическими соединениями и слоистой структурой, которая является устойчивой к небольшому относительному перемещению. В одном варианте выполнения обеспечение сильной связи достигается посредством смачивания 1-2 см оболочки эластичного электрического провода 72 вторым материалом слоистой структуры во время распределения данного материала на охлаждающем/поглощающем средстве 20 поверх фотоэлектрических элементов 33. Такое решение обеспечивает водонепроницаемое сочленение 71 вокруг соединительной точки между эластичным электрическим проводом 72 и фотоэлектрическими элементами 33, как показано на фиг.8.
Этапы для отверждения первого материала слоистой структуры затем повторяют посредством размещения защитной крышки поверх второго слоя 32 и приложения вакуумным насосом отрицательного давления. Позднее реакция отверждения может быть ускорена, как и ранее, посредством использования УФ излучения или нагревания для отверждения второго слоя 32 слоистой структуры до материала с твердостью на дюрометре по Шору в диапазоне 30-80, предпочтительно 46-65. Как вариант, тепло может быть подведено с помощью прохождения нагретой текучей среды через каналы 23 охлаждающего/поглощающего средства 20
При завершении последнего этапа нагревания и отверждения второго материала слоистой структуры во втором слое 32 и по меньшей мере частично отвержденного первого слоя 31 первого материала слоистой структуры, охлаждающее/поглощающее средство 20, содержащее слоистую фотоэлектрическую структуру 30, может быть перемещено к следующему этапу технологического процесса.