專利名稱：真空管式集熱發電單元及太陽能熱水器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種太陽能集熱和發電單元，尤其涉及一種真空管式集熱發電單 元及使用該真空管式集熱發電單元的太陽能熱水器，其可在收集太陽能對水進行加熱的同 時利用太陽能發電。
背景技術：
隨著綠色能源和可再生能源的普及和利用，越來越多的太陽能熱水器進入了尋常 百姓人家。專家預測，到2015年，家用太陽能熱水器的覆蓋率將達到30%。傳統的太陽能熱水器分為兩種，一種是采用平板集熱器的熱水器，另一種是采用 真空管集熱器的熱水器。主要用于歐美國家的平板式集熱器的熱損失高，太陽能利用率不 高。在中國國內市場，絕大部分熱水器采用真空管式集熱器，這是因為真空管式集熱器通過 將吸熱體封閉在高真空的玻璃真空管中而大大提高了熱性能。如圖1所示，為現有技術中 的真空管式太陽能熱水器的示意圖，其設置在屋頂上，其中存儲待加熱的水的水箱1由支 架2支撐，多根用于集熱的真空管3自水箱1沿支架2的前表面向下傾斜延伸，使其面向太 陽光入射的方向。待加熱的水自水箱1流入真空管3中，被太陽光加熱之后的熱水密度變 小，循環回到位于上部的水箱1中，而水箱中的冷水由于密度較大，向下流入真空管中。如 此循環直至整個水箱中的水被加熱。圖2示出了現有技術中的真空管式太陽能加熱器中使用的真空管的截面圖，其 中，4為內玻璃管，7為外玻璃管，待加熱的水在內玻璃管4中循環而得到加熱，在內外玻璃 管之間的空間6被抽成真空，以防止內管中的熱量散失。另外，為了提高真空管吸收太陽能 的性能，一般在真空管的內玻璃管4的外側面涂有漸變鋁_氮/鋁的吸收涂層5。由于真空管太陽能集熱器效率高，在夏季往往使得水溫過熱，過剩的熱量沒有得 到利用。另一方面，由于一些熱水器中加裝有水泵用于向水箱供水或用于促進內玻璃管內 部的水循環，需要從室內引出電線對水泵供電，消耗了本來緊缺的電力資源。再者，在偏遠 的鄉村或者山區的邊防哨所，可能沒有電力供應，甚至沒有對浴室進行照明的設施。因此 如果能夠將過剩的太陽能用于發電，從而提供浴室照明用電或對熱水器自身的水泵進行供 電，能夠進一步拓展熱水器的使用地域和提高熱水器的功能和性能。但是由于屋頂暴露到 太陽光的區域非常有限，往往無法并排安裝光電池和集熱裝置，需要一種將光電池和集熱 裝置集成在一起的組合集熱結構。歐洲專利EP2098803提出了一種能夠利用太陽能進行光發電的太陽能集熱裝置。 如圖3所示，該太陽能集熱裝置包括位于上層的太陽能集熱板8和位于太陽能集熱板下層 的染料敏化光電池層9。太陽光入射到太陽能集熱板8的上表面，加熱其中的工作介質(例 如，水)，透過集熱板的太陽光入射到燃料敏化光電池層9上，產生電力。上述現有技術是通 過將光電池層與太陽能集熱層分層接合而進行工作的，因此只能夠適用于使用平板集熱器 的熱水器，無法適用于使用真空管集熱器的熱水器，即無法用于中國市場。另外，該現有技 術中，由于集熱板與光電池層直接接觸，集熱板中積聚的高溫會直接傳導到光電池層中，從而引起光電池層的不期望的溫度升高，這樣會不利地降低光電池的發電效率和使用壽命。

實用新型內容鑒于上述現有技術的缺點，本實用新型的首要目的是提供一種在能夠收集太陽能 加熱工作介質的同時能夠利用太陽能進行發電的真空管式集熱發電單元。本實用新型的另一目的是提供一種利用該真空管式集熱發電單元的太陽能熱水 器，其能夠利用太陽能加熱水的同時，利用太陽能發電，從而滿足照明和/或集成在熱水器 系統中的水泵的用電。為了實現上述目的，本實用新型提供了一種真空管式集熱發電單元，包括內玻璃 管，所述內玻璃管中充有待被太陽能加熱的工作介質；外玻璃管，其包繞內玻璃管，內玻璃 管和外玻璃管之間的空間被抽成真空，以減小內玻璃管中工作介質的熱量散失；光電池層， 其設置在所述外玻璃管的表面上，用于利用太陽能發電。由本實用新型的上述結構，實現了利用真空管同時進行發電和集熱的雙重功能， 最大限度地利用了太陽能。具體地說，從外玻璃管的外表面入射的太陽光首先照射在光電 池層上，將一部分光能轉化為電能。然后透射穿過光電池層的太陽光入射到內玻璃管上，力口 熱在內玻璃管內部的工作介質。由于光電池層以真空空間與集熱部分間隔開來，因此集熱 部分的熱量不會傳導到電池層上，可以有效地避免電池層的溫度升高，從而提高其太陽能 利用效率和使用壽命。所述光電池層可以設置在所述外玻璃管的外表面上，也可以設置在所述外玻璃管 的內表面上。所述光電池為半透明性質，以利于光線的投射穿過。優選為由柔性材料制成的染 料敏化光電池。優選地，內玻璃管的外表面涂敷有一層增進吸收太陽能熱量的涂層。該涂層優選 為漸變鋁-氮/鋁涂層。其中，所述染料敏化光電池包括形成在外玻璃管表面上的對電極；與對電極相 對設置的工作電極；多孔氧化物薄膜，其設置在工作電極的內表面，所述多孔氧化物薄膜上 附著有染料，容置在工作電極和對電極之間的電解質；設置在對電極和工作電極的兩端、用 于將電解質封裝在對電極和工作電極之間的封裝結構；和設置在工作電極外表面的柔性透 明薄膜。其中所述電解質優選為碘和碘離子作為溶質的乙氰溶液。其中多孔氧化物薄膜優選為氧化鈦薄膜。本實用新型的另一方面提供了一種太陽能熱水器，包括并排設置的如前述權利 要求中任一項所述的多個真空管式集熱發電單元；與每個真空管式集熱發電單元的內玻璃 管相連通的水箱，用于存儲由真空管式集熱發電單元加熱的水。所述太陽能熱水器還可以包括水泵，用于將待加熱的水抽送到水箱中，其中，所述 水泵由所述真空管式集熱發電單元電供應電力。另外，所述太陽能熱水器還包括與所述多個真空管式集熱單元的光電池層和所述 水泵分別電聯接的變換器，用于將光電池層產生的電力轉換成適用水泵或浴室照明應用的 標準交流電力。[0020]
以下結合附圖和具體實施方式
，進一步詳細描述本實用新型的特征和優點。
圖1是現有技術中的使用真空管式集熱器的太陽能熱水器的示意圖；圖2是現有技術中的真空管式集熱器中的真空管的縱向截面圖；圖3是現有技術中的板式集熱器與光電池組合的示意圖；圖4是根據本實用新型第一實施方式的真空管式集熱發電單元的縱向截面示意 圖；圖5是根據本實用新型第二實施方式的真空管式集熱發電單元的縱向截面示意 圖；圖6是根據本實用新型的真空管式集熱發電單元的光電池層具體結構示意圖；圖7是利用本實用新型的真空管式集熱發電單元的太陽能熱水器的示意圖；圖8是示出本實用新型的真空管式集熱發電單元中的光電池層與集熱部分對太 陽光譜中不同波長的太陽光進行吸收利用的示意圖。
具體實施方式
下面參照圖4，詳細描述根據本實用新型第一實施方式的真空管式集熱發電單元。如圖4所示，真空管式集熱發電單元10包括內玻璃管11和位于內玻璃管11夕卜 圍的外玻璃管15，內外玻璃管之間的空間13被抽成真空，以防止在夜間或冬天低溫的環境 下，在內管中流動的工作介質，例如水的熱量的散失。為了增加工作介質對太陽能的吸收效 率，在內玻璃管11的外表面涂敷有一層增進吸收太陽能熱量的涂層12。優選地，該涂層可 以為漸變鋁-氮/鋁涂層。根據本實施方式的真空管式集熱發電單元還包括光電池層14， 其設置在外玻璃管15的內表面。優選地，該光電池層為半透明性質的染料敏化光電池層。 但是，本實用新型的光電池層并不限于染料敏化光電池層，所有對于太陽光具有透明的或 半透明的性質，能夠使得太陽光透射穿過的光電池層均可用于本實用新型，例如薄膜光電 池層或硅(Si)光電池層。這里需要說明的是，上文提到的光電池層的透明或半透明特性并 不僅僅意味著普通意義上的對于可見光的透明特性。太陽光由可見光、紫外光、紅外光等構 成，即使對于可見光不透明，對于紫外光、紅外光是透明的或半透明的，透射穿過光電池層 的紫外光、紅外光也足以加熱內玻璃管中的工作介質。實際上，本實用新型優選實施方式正 是利用了光電池層對于紫外和紅外線的半透明性質工作的，詳見下文所述。這樣，由于染料 敏化光電池層14的半透明性質，從外玻璃管15的外側面入射的太陽光首先照射在染料敏 化光電池層14上，將一部分光能轉化為電能。然后透射穿過染料敏化光電池層14的另一 部分太陽光入射到內玻璃管11上，加熱在內玻璃管11內部的工作介質。下面結合圖8進一步具體說明本實用新型實施方式中的集熱發電單元中的光電 池層和集熱部分對于太陽光的具體利用情況。從圖8可以發現，太陽光譜中有約44%的能 量集中在可見光部分，剩下的絕大多數(53%)能量在紅外線部分。染料敏化光電池層主 要吸收可見光部分的能量，即波長在300 750nm部分的太陽光。而真空管中的吸收涂層 能吸收從紫外到近紅外(1500nm)部分的光譜能量，并且吸收率高達95%。由此可見，根據 本實用新型的染料敏化光電池利用可見光工作，而集熱部分的真空管吸收涂層利用透射穿過光電池層的紫外和紅外光線工作，其組合可以充分吸收太陽光譜中的大部分能量。即，首 先使用染料敏化太陽能電池吸收一部分光的能量，其他的能量由真空管內的光吸收涂層吸 收。因此，由本實用新型第一實施方式的上述結構，實現了利用真空管同時進行發電 和集熱的雙重功能，最大限度地利用了太陽能。另外，由于染料敏化光電池層14設置在外 玻璃管15的內表面，因此，不易受到外界環境，例如風雨侵蝕、機械刮擦的影響，可以顯著 地提高其使用壽命。再者，由于染料敏化光電池層14以真空空間13與集熱部分間隔開來， 因此集熱部分的熱量不會傳導到電池層14上，可以有效地避免電池層的溫度升高，從而提 高其太陽能利用效率和使用壽命。下面參照圖5，描述根據本實用新型第二實施方式的真空管式集熱發電單元。與第一實施方式中的真空管集熱發電單元類似，本實施方式真空管式集熱發電單 元20也包括內玻璃管21和包繞內玻璃管21的外玻璃管25，內外玻璃管之間的空間23 被抽成真空，以防止在夜間或冬天低溫的環境下，在內玻璃管中流動的工作介質，例如水的 熱量的散失。同樣地，在內玻璃管21的外表面涂敷有一層增進吸收太陽能熱量的涂層22。 優選地，該涂層可以為漸變鋁-氮/鋁涂層。同樣地，根據本實施方式的真空管式集熱發電 單元20也包括光電池層24，與第一實施方式的不同之處在于，該光電池層24設置在外玻 璃管5的外表面。優選地，該光電池層為染料敏化光電池層。同樣，由于染料敏化光電池層 24的半透明性質，從外玻璃管25的外側面入射的太陽光首先照射在染料敏化光電池層24 上，將一部分光能轉化為電能。然后透射穿過染料敏化光電池層24的另一部分太陽光入射 到內玻璃管21上，加熱在內玻璃管21內部的工作介質。由本實用新型第二實施方式的上述結構，同樣可以實現利用真空管同時發電和集 熱的雙重功能，最大限度地利用太陽能。另外，由于第二實施方式中的染料敏化光電池層24 設置在外玻璃管25的外表面，因此，整個太陽能集熱發電單元制造過程簡單，無需復雜的 制造工藝。同樣，由于染料敏化光電池層24與集熱部分以真空空間23間隔開來，因此集熱 部分的熱量不會傳導到電池層24上，可以有效地避免電池層的溫度升高，從而提高其太陽 能利用效率和使用壽命。下面具體參照附圖6，以本實用新型第二實施方式中采用的染料敏化光電池24為 例，描述其具體結構及其與真空管的接合結構。如圖6所示，染料敏化光電池24包括由真空管的外玻璃管25充當的基底玻璃； 形成在基底玻璃之上的對電極32 ；與對電極32相對設置的工作電極35 ；設置在工作電極 35內表面的附著有染料的多孔氧化物薄膜34，容置在工作電極35和對電極32之間的電解 質33 ；設置在對電極32和工作電極35的兩端用于將電解質封裝在對電極32和工作電極 35之間的封裝結構37 ；和設置在工作電極35外側面的柔性透明薄膜36，用于保護光電池 的內部結構不受外部異物的影響，同時不影響光線的入射。工作電極及對電極一般為在玻璃基底上制備的透明導電薄膜構成，也可在透明柔 性薄膜上制備透明導電薄膜構成。在本圖6示出的實施例中，對電極32為在玻璃基底35 上形成的透明導電薄膜，而工作電極35為在透明柔性薄膜36上形成的透明導電薄膜。因 而本實用新型中的光電池層具有柔性，可以隨著真空管的外玻璃管的曲率而自然地設置在 其外表面上。此處的透明導電薄膜一般為摻氟原子的氧化錫(也可為摻銦原子的氧化錫)材料，厚度約500 lOOOnm。該透明導電薄膜一般使用濺射或旋涂熱處理的方法制備在玻璃基底或柔性透明薄膜上。另外，本實用新型中的工作電極也可以由導電玻璃制備而成，導電玻璃的表面可
以鍍有一層鉬。附著染料的多孔氧化物薄膜的制備方法一般為使用納米氧化鈦粉末制備成氧化 鈦漿料，再將制備好的漿料用絲網印刷的方法(其他方法亦可)在透明導電薄膜(或導電 玻璃)的表面制備成薄膜，然后在一定溫度(一般為450 500°C )下退火，除去薄膜中的 有機物成分，形成較純的氧化鈦薄膜，并較好地依附在透明導電薄膜的表面。此處的氧化鈦 薄膜厚度在IOum左右。最后將制備好薄膜的透明導電薄膜浸入染料溶液中，約24小時后 取出，此時溶液中的染料分子就附著在氧化鈦顆粒的表面。這時，附著染料的多孔氧化物薄 膜制備完畢。值得注意的是，此處的氧化物并不局限于氧化鈦材料，氧化鋅等其他材料也可 使用。其中，電解質可以是液態的，也可以是準固態或固態的。液態的電解質(亦即氧化 還原電解液)材料一般為碘和碘離子作為溶質的乙氰溶液，當然其他材料亦可。其中所述染料為有色的有機或無機化合物構成的光敏材料，其經化學吸附或物理 吸附在二氧化鈦半導體上，從而敏化寬能隙的二氧化鈦半導體表面。經敏化后的二氧化鈦 具有如下效果一方面不僅二氧化鈦薄膜表面吸附單層敏化劑分子，海綿狀二氧化鈦薄膜 內部也能吸附更多的敏化劑分子，因此太陽光在粗糙表面內多次反射，可被敏化劑分子反 復吸收，提高了太陽光的利用率。另一方面敏化作用能增加光激發過程的效率，擴展激發波 長至可見光區域，達到提高光電能轉換效率的目的。典型的作為敏化劑的染料包括釕配合 物染料。
以下結合附圖7描述根據本實用新型第二方面的太陽能熱水器。圖7示出了結合有本實用新型的真空管式集熱發電單元的太陽能熱水器。該熱水 器包括并排設置的多個真空管式集熱發電單元；與每個真空管式集熱發電單元的內玻璃 管相連通的水箱，用于存儲由真空管式集熱發電單元加熱的水，和用于支撐所述集熱發電 單元和所述水箱的支架。另外，本實用新型的太陽能熱水器還可設置有水泵61，用于將待加熱的水抽送到 水箱中，加快水箱中的水的循環。其中，所述水泵由所述真空管式集熱發電單元供電。更進一步地，在所述多個真空管式集熱發電單元和所述水泵61之間還電聯接有 變換器62，用于將真空管式集熱發電單元的光電池層所產生的電力轉換成適用市用的標準 交流電力，以供給所述水泵61或浴室內照明使用。本實用新型雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本實用新型，任何 本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因 此本實用新型的保護范圍應當以本實用新型權利要求所界定的范圍為準。
權利要求一種真空管式集熱發電單元，其特征在于包括內玻璃管，所述內玻璃管中充有待加熱的工作介質；外玻璃管，其位于內玻璃管的外部，內玻璃管和外玻璃管之間的空間被抽成真空；光電池層，其設置在所述外玻璃管的表面上。
2.如權利要求1所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述光電池層設置在所 述外玻璃管的外表面上。
3.如權利要求1所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述光電池層設置在所 述外玻璃管的內表面上。
4.如權利要求2或3所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述光電池層為染料 敏化光電池。
5.如權利要求1-3中任一項所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，在內玻璃管 的外表面涂敷有一層增進吸收太陽能熱量的涂層。
6.如權利要求5所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，該涂層為漸變鋁-氮/鋁涂層。
7.如權利要求4所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述染料敏化光電池包括形成在外玻璃管表面上的對電極； 與對電極相對設置的工作電極；多孔氧化物薄膜，其設置在工作電極的內表面，所述多孔氧化物薄膜上附著有染料， 容置在工作電極和對電極之間的電解質；設置在對電極和工作電極的兩端、用于將電解質封裝在對電極和工作電極之間的封裝 結構；和設置在工作電極外表面的柔性透明薄膜。
8.如權利要求7所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述電解質為碘和碘離 子作為溶質的乙氰溶液。
9.如權利要求7所述的真空管式集熱發電單元，其特征在于，所述多孔氧化物薄膜為氧化鈦薄膜。
10.一種太陽能熱水器，其特征在于包括并排設置的如前述權利要求中任一項所述 的多個真空管式集熱發電單元；與每個真空管式集熱發電單元的內玻璃管相連通的水箱， 用于存儲由真空管式集熱發電單元加熱的水；和用于支撐所述集熱發電單元和所述水箱的 支架。
11.如權利要求10所述的太陽能熱水器，其中該熱水器還可以包括水泵，用于將待加 熱的水抽送到水箱中，其中，所述水泵由所述真空管式集熱發電單元供電。
12.如權利要求11所述的太陽能熱水器，其特征在于，在與所述多個真空管式集熱發 電單元與所述水泵之間電聯接有變換器，用于對真空管式集熱發電單元產生的電力進行變 換。
專利摘要本實用新型公開了一種真空管式集熱發電單元和使用該集熱發電單元的太陽能熱水器，所述真空管式集熱發電單元包括內玻璃管，所述內玻璃管中充有待被太陽能加熱的工作介質；外玻璃管，其包繞內玻璃管，內玻璃管和外玻璃管之間的空間被抽成真空，以減小內玻璃管中工作介質的熱量散失；光電池層，其設置在所述外玻璃管的表面上，用于利用太陽能發電。其中由光電池層所產生的電力可以用于向太陽能熱水器的水泵供電，也可用于浴室的電力照明。
文檔編號H02N6/00GK201589441SQ20092026628
公開日2010年9月22日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者富高忠房, 蔣馳華 申請人:索尼株式會社