采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置及制备方法

1.本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置及制备方法。


背景技术：

2.光伏发电板在秋冬季节常常会发生结霜，结霜后的霜晶会覆盖在光伏板表面，阻碍阳光照射在硅片电池上，如果不对其进行及时清理，会在较大程度上影响光伏板的发电量，并可能产生热斑效应危害硅片电池，进而对发电站造成严重的经济损失。
3.在现有技术中，光伏板结霜后大多采用机械的方式，即通过热风吹扫、人工或机械臂刮擦、喷水融霜等来清除光伏板上的霜。这些方法需要增加大量额外的机械设备，同时在设备运行过程中会不可避免的对光伏板表面产生应力，容易产生划痕甚至影响光伏板使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置及制备方法，从光伏板产生结霜的传热过程出发实现有效的抑霜除霜。
5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
6.一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，包括依次覆盖设置在光伏玻璃上表面的热反射镜、辅助加热层以及超疏水层；
7.所述热反射镜对于太阳光谱有选择透过性；
8.所述超疏水层能够将凝结液滴利用斜面滚落；
9.所述辅助加热层用于在通电之后去除冻结的霜晶；
10.所述光伏玻璃的下表面设置太阳能电池片。
11.作为一种优选的方案，所述光伏玻璃的四周设置有绝缘光伏板边框，热反射镜、辅助加热层、超疏水层以及太阳能电池片均设置在绝缘光伏板边框的内侧。
12.作为一种优选的方案，所述辅助加热层通过辅助电极经电极引线与辅助加热电源相连接，所述辅助加热电源固定在绝缘光伏板边框的外侧。
13.作为一种优选的方案，所述热反射镜为氧化铟锡膜层。
14.作为一种优选的方案，所述超疏水层、辅助加热层热反射镜、太阳能电池片以及辅助电极通过eva胶膜粘接固定。
15.作为一种优选的方案，对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％；对于450nm-650nm的可见光，透射率大于90％；疏水接触角大于120
°
；电阻在10-3
～10-4
ω/cm2之间，总发热功率能够达到30w。
16.一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置的制备方法，包括：
17.对光伏玻璃的表面进行清洗，之后干燥处理；
18.在光伏玻璃的上表面采用铟锡合金靶材磁控溅射制备热反射镜；
19.在热反射镜的上表面覆盖辅助加热层并连接供电，测试供电正常；
20.在辅助加热层的上表面涂覆超疏水涂料制备得到超疏水层；
21.在光伏玻璃的下表面固定安装太阳能电池片。
22.作为一种优选的方案，使用超纯水或乙醇对光伏玻璃的表面进行清洗，干燥处理为使用氮气吹干。
23.作为一种优选的方案，所述在光伏玻璃的上表面采用铟锡合金靶材磁控溅射制备热反射镜的步骤中，真空度在10-3
pa～10-6
pa之间，溅射功率在100w～500w之间，将铟锡合金靶材加热到800℃～1000℃使表面形成蒸汽，在光伏玻璃的上表面施加负电压，使得铟锡靶材上的离子经过加速后撞击光伏板表面，形成氧化铟锡膜层，得到热反射镜。
24.作为一种优选的方案，热反射镜的厚度在100nm～500nm之间，辅助加热层的厚度为0.1mm～1mm；
25.在辅助加热层的两侧用导电胶粘贴辅助电极，将辅助电极经电极引线与辅助加热电源相连接，通过辅助加热电源进行供电。
26.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
27.本发明的光伏板抑霜除霜装置在工作时，由于热反射镜对于太阳光谱有选择透过性，在不影响白天可见光波段光伏发电的同时，能够大幅反射夜间红外波段的热辐射，将光伏板的温度尽可能维持在零上，从而抑制结霜。在超疏水层的作用下，凝结在光伏板表面上的液滴由于有较大的接触角，在倾斜的光伏板上极易滚落，从而进一步抑霜。在清晨，如果光伏板表面仍有冻结的霜晶，可以接通辅助加热层来进行除霜。将太阳能电池片设置在光伏玻璃的下表面，能够保护辅助加热电路与太阳能电池片等背板组件相互独立，不会彼此影响。
28.进一步的，本发明采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置在光学性能方面，对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％(典型值97％)；对于450nm-650nm的可见光，透射率大于90％(典型值93％)；在疏水性能方面，接触角大于120
°
；在电学性能方面，电阻在10-3
ω/cm2～10-4
ω/cm2之间，总发热功率能够达到30w。溅射热反射镜后，光伏板发射率降低至0.1以下，在夜间的降温由原本的5.5℃降低到1℃以下，实现抑霜的功能。同时超疏水层表面具有很高的接触角，通常超过150
°
，配合辅助加热层，能够进一步完成除霜的工作。
附图说明
29.图1本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置平面结构示意图；
30.图2本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置剖面结构示意图；
31.图3本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置工作原理示意图；
32.图4本发明实施例光伏板与环境换热的热阻网络图；
33.图5本发明实施例热反射镜的透射-反射率随波长变化的曲线图；
34.图6本发明实施例发射率对光伏板降温特性的影响曲线图；
35.附图中：1-由超疏水层、辅助加热层及热反射镜组成的超疏水热反射镜；2-绝缘光伏板边框；3-辅助电极；4-太阳能电池片；5-电极引线；6-辅助加热电源；
36.11-超疏水层；12-辅助加热层；13-热反射镜；14-光伏玻璃。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
38.由于光伏板结霜后严重影响发电量并易于产生热斑效应，现有技术通常采用机械刮擦的方式除霜，会不可避免的对光伏板表面产生应力，容易产生划痕甚至影响光伏板的使用寿命，同时需要增加大量额外的机械设备。本发明实施例提出一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，是以光伏板上结霜的传热过程分析为基础的，充分利用了热反射镜能削弱光伏板辐射散热的特点，结合了超疏水表面的抑霜效果，从换热的角度抑制结霜过程的发生。超疏水热反射镜抑霜过程的实现仅需要在光伏板表面贴膜涂层，结构简单，成本低，不存在抑霜除霜的死角，不需要对光伏板的结构进行改动，不增设额外的机械装置，不会对光伏板施加外力，能够极大程度改善光伏板积霜造成的发电量下降和热斑效应。
39.参见图1和图2，本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置包括：超疏水热反射镜1、绝缘光伏板边框2、辅助电极3，以及太阳能电池片4等背板组件，与辅助电极3相连的电极引线5和辅助加热电源6。其中，在超疏水热反射镜1中，包括喷涂在最外层的超疏水层1，以及磁控溅射在光伏玻璃14表面的辅助加热层12和热反射镜13。
40.超疏水热反射镜1和太阳能电池片4等背板组件通过eva胶膜粘接，辅助加热层12处于超疏水表面11之下，热反射镜13之上，同样用eva胶膜粘接。
41.绝缘光伏板边框2用于固定整个光伏装置，辅助加热电源6粘接在绝缘光伏板边框2的侧边，通过电极引线5将辅助加热电源6与辅助加热层12连接。
42.如图3所示，本发明实施例采用超疏水热反射镜1的光伏板抑霜除霜装置在工作时，由于热反射镜13对于太阳光谱有选择透过性，在不影响白天可见光波段光伏发电的同时，能够大幅反射夜间红外波段的热辐射，将光伏板温度尽可能维持在零上从而抑制结霜。在超疏水层11的作用下，凝结在光伏板上的液滴有较大的接触角，在倾斜的光伏板上极易滚落，从而进一步抑霜。在清晨，如果光伏板表面仍有冻结的霜晶，可以接通辅助加热层12，通过辅助电极3、电极引线5连接辅助加热电源6这一回路来进行除霜。固定绝缘光伏板边框2，能够保护辅助加热电路与太阳能电池片4等背板组件之间相互独立，不会彼此影响。
43.上述超疏水热反射镜1，整体具有如下特征：几何尺寸与光伏板的尺寸相匹配，能够完全覆盖光伏板的表面；光学性能方面，对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％(典型值97％)；对于450nm-650nm的可见光，透射率大于90％(典型值93％)；疏水性能方面，其接触角大于120
°
；电学性能方面，电阻在10-3-10-4
ω/cm2之间，总发热功率能够达到30w。
44.本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置具体的制作方法如下：
45.1.清洁光伏板表面：
46.1.1.清洗：使用超纯水或乙醇清洗光伏玻璃14的表面，将杂质、油脂等杂质去除干净。
47.1.2.氮气吹干：将光伏玻璃14的表面用氮气吹干，保证表面干燥。
48.2.磁控溅射镀热反射镜13和辅助加热层12：
49.2.1准备磁控溅射设备：准备磁控溅射设备，其中需要有铟锡合金靶材。
50.2.2设定工艺参数：设置磁控溅射过程的工艺参数，包括真空度、溅射功率、气体流
量等。其中，真空度应该在10-3
pa至10-6
pa之间，溅射功率应该在100w至500w之间。
51.2.3加热铟锡靶材：将铟锡合金靶材加热到800-1000℃，使其表面形成蒸汽。
52.2.4溅射镀层：在光伏玻璃14表面施加负电压，使得铟锡靶材上的离子经过加速后撞击光伏玻璃14的表面，形成氧化铟锡薄膜。调整溅射时间和距离，使氧化铟锡薄膜的厚度均匀，且在100nm-500nm之间，获得热反射镜13。
53.3.连接辅助加热电路：将厚度为0.1mm-1mm，长度与光伏玻璃14匹配的辅助电极3用导电胶粘贴到辅助加热层12两侧，通过电极引线5与粘贴到绝缘光伏板边框2上的辅助加热电源6相连接，测试是否能正常加热。
54.4.喷涂超疏水层11：
55.4.1准备超疏水涂料：选择合适的超疏水涂料，如二氧化硅、氟化物等，并按照配比制备涂料。
56.4.2涂覆超疏水层11：将超疏水涂料均匀涂覆在辅助加热层12的表面上，并在适当的温度下进行干燥和固化处理。
57.需要注意的是，磁控溅射工艺参数的控制、热反射镜的制备和超疏水层的制备都是本领域技术人员熟知的，本技术没有对这些内容进行详细描述。同时，应当明确的是，超疏水层的制备和氧化铟锡薄膜的制备不是本技术的创新点，而是为本技术提供支持的技术手段。
58.下面以内蒙古达拉特旗光伏电站的结霜问题为例，对本技术进行说明。
59.光伏板结霜的原因为：天空的等效温度远低于地面气温，对于地面的光伏板相当于一个热汇，光伏板的不断向天空辐射散热导致其温度下降。当光伏板的温度同时低于0℃和环境的露点温度时，光伏板上就开始结霜。图4是对光伏板结霜的换热过程进行热阻分析，得出热阻网络图。光伏板与天空、地面和空气进行换热，在图4中，t
sky
为等效天空温度，t
pv
为光伏板表面温度，t
air
为空气温度，t
ground
为地面温度，r表示热阻，本传热过程中的辐射热阻与对流热阻的含义均在图中以下标的形式给出。等效天空温度计算表达式如下：
[0060][0061]
空气温度选取光伏电站当地气温，地面温度采用经验关联式：
[0062]
t
ground
＝t
air-2(2)
[0063]
光伏板表面与环境温差的计算式为：
[0064]
δt＝t
pv-t
air
(3)
[0065]
光伏板与天空的辐射换热量为：
[0066][0067]
式中，qr为光伏板与天空的辐射换热量，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，ε为光伏板的发射率，a为光伏板面积，x
pv,sky
为光伏板对天空的角系数，计算方法为：
[0068]
[0069]
其中，m为光伏板之间的间距，n为光伏板的宽度，θ为光伏板与水平面的夹角。
[0070]
本发明超疏水热反射镜1能够应用于光伏板表面抑霜除霜的原因为：由于热反射镜13在环境温度下，能够极大程度降低光伏板的发射率ε，光伏板的发射率ε极低，从而抑制光伏板向天空辐射散热量qr，减少光伏板上的温度下降，达到抑霜效果。图5表示所述热反射镜13的光学性能，所述热反射镜13对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％，能够有效抑制辐射换热；对于450-650nm的可见光，透射率大于90％，对光伏发电的影响较小。图6表明光伏板与环境温差δt，受到光伏板发射率ε的影响。发射率越低，光伏板低于周围环境的温度就越小，其表面就越不容易结霜，反之亦然。光伏板表面玻璃与硅电池的发射率大于0.9，溅射热反射镜后发射率降低至0.1以下，温差从5.5℃降低到1℃以下。将热反射镜13的表面进行超疏水处理后，具有很高的接触角，通常超过120度。这意味着当霜或冰在表面形成时，它们无法均匀地附着在表面上，而是形成小滴，然后在重力或气流的作用下脱落。这种表面的特性使得冰或霜无法在表面上形成牢固的结构，因此可以有效地抑制结霜现象。
[0071]
以下为实施例的应用：
[0072]
本发明实施例采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置主要包括光伏玻璃14、绝缘光伏板边框2、超超疏水层11、热反射镜13、辅助加热层12和加热电路。
[0073]
步骤1：准备光伏玻璃14：
[0074]
将待加工的光伏玻璃14放置在清洁室内，使用超纯水或乙醇对光伏玻璃14表面进行清洗，将杂质、油脂等杂质去除干净。接着，用氮气吹干光伏板表面，确保表面干燥。
[0075]
步骤2：磁控溅射镀热反射镜13：
[0076]
2.1准备磁控溅射设备；
[0077]
在准备磁控溅射设备时，需要安装铟锡合金靶材。
[0078]
2.2设定工艺参数；
[0079]
设置磁控溅射过程的工艺参数，包括真空度、溅射功率、气体流量等。需要注意，真空度应该在10-3
pa至10-6
pa之间，溅射功率在100w至500w之间。
[0080]
2.3加热铟锡靶材；
[0081]
将铟锡合金靶材加热到800℃-1000℃，使其表面形成蒸汽。
[0082]
2.4溅射镀层；
[0083]
在光伏玻璃14表面施加负电压，使得铟锡靶材上的离子经过加速后撞击光伏板表面，形成氧化铟锡薄膜。通过调整溅射时间和距离，使薄膜的厚度均匀，且在100nm-500nm之间。
[0084]
步骤3：连接辅助加热层12；
[0085]
将厚度为1mm，长度与光伏板匹配的银电极用导电胶粘贴到氧化铟锡薄膜两侧，通过引线与粘贴到绝缘支架的24v蓄电池相连接，测试是否能正常加热。
[0086]
步骤4：涂超疏水层11：
[0087]
4.1准备超疏水涂料；
[0088]
选择超细二氧化硅和偶联剂作为超疏水涂料，并按照1：1的配比制备涂料。将配置好的超疏水涂料均匀涂覆在辅助加热层12表面上，并在室温下进行干燥和固化处理。
[0089]
步骤5：测试：
[0090]
对制备出的超疏水热反射镜1进行测试，包括光学性能和疏水性能的测试。测试结果应符合如下要求：几何尺寸与光伏玻璃14的尺寸相匹配，能够完全覆盖光伏玻璃14的表面；光学性能方面，对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％；对于450nm-650nm的可见光，透射率大于90％；疏水性能方面，其接触角大于120
°
。
[0091]
本发明从光伏板产生结霜的传热过程出发，解决了对于光伏板结霜后严重影响发电量并易于产生热斑效应，现有技术中只能采用机械刮擦的方式除霜的问题。
[0092]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，包括依次覆盖设置在光伏玻璃(14)上表面的热反射镜(13)、辅助加热层(12)以及超疏水层(11)；所述热反射镜(13)对于太阳光谱有选择透过性；所述超疏水层(11)能够将凝结液滴利用斜面滚落；所述辅助加热层(12)用于在通电之后去除冻结的霜晶；所述光伏玻璃(14)的下表面设置太阳能电池片(4)。2.根据权利要求1所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，所述光伏玻璃(14)的四周设置有绝缘光伏板边框(2)，热反射镜(13)、辅助加热层(12)、超疏水层(11)以及太阳能电池片(4)均设置在绝缘光伏板边框(2)的内侧。3.根据权利要求2所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，所述辅助加热层(12)通过辅助电极(3)经电极引线(5)与辅助加热电源(6)相连接，所述辅助加热电源(6)固定在绝缘光伏板边框(2)的外侧。4.根据权利要求3所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，所述热反射镜(13)为氧化铟锡膜层。5.根据权利要求3所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，所述超疏水层(11)、辅助加热层(12)热反射镜(13)、太阳能电池片(4)以及辅助电极(3)通过eva胶膜粘接固定。6.根据权利要求1所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置，其特征在于，对于波长大于800nm的红外光，反射率大于95％；对于450nm-650nm的可见光，透射率大于90％；疏水接触角大于120
°
；电阻在10-3
ω/cm2～10-4
ω/cm2之间，总发热功率能够达到30w。7.一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置的制备方法，其特征在于，包括：对光伏玻璃(14)的表面进行清洗，之后干燥处理；在光伏玻璃(14)的上表面采用铟锡合金靶材磁控溅射制备热反射镜(13)；在热反射镜(13)的上表面覆盖辅助加热层(12)并连接供电，测试供电正常；在辅助加热层(12)的上表面涂覆超疏水涂料制备得到超疏水层(11)；在光伏玻璃(14)的下表面固定安装太阳能电池片(4)。8.根据权利要求7所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置的制备方法，其特征在于：使用超纯水或乙醇对光伏玻璃(14)的表面进行清洗，干燥处理为使用氮气吹干。9.根据权利要求7所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置的制备方法，其特征在于：所述在光伏玻璃(14)的上表面采用铟锡合金靶材磁控溅射制备热反射镜(13)的步骤中，真空度在10-3
pa～10-6
pa之间，溅射功率在100w～500w之间，将铟锡合金靶材加热到800℃～1000℃使表面形成蒸汽，在光伏玻璃(14)的上表面施加负电压，使得铟锡靶材上的离子经过加速后撞击光伏板表面，形成氧化铟锡膜层，得到热反射镜(13)。10.根据权利要求7所述采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置的制备方法，其特征在于：热反射镜(13)的厚度在100nm～500nm之间，辅助加热层(12)的厚度为0.1mm～1mm；在辅助加热层(12)的两侧用导电胶粘贴辅助电极(3)，将辅助电极(3)经电极引线(5)与辅助加热电源(6)相连接，通过辅助加热电源(6)进行供电。

技术总结
一种采用超疏水热反射镜的光伏板抑霜除霜装置及制备方法，光伏板抑霜除霜装置包括依次覆盖设置在光伏玻璃上表面的热反射镜、辅助加热层以及超疏水层；热反射镜对于太阳光谱有选择透过性；超疏水层能够将凝结液滴利用斜面滚落；辅助加热层用于在通电之后去除冻结的霜晶；光伏玻璃的下表面设置太阳能电池片。本发明以光伏板上结霜的传热过程分析为基础的，充分利用了热反射镜能削弱光伏板辐射散热的特点，结合了超疏水表面的抑霜效果，从换热的角度抑制结霜过程的发生。超疏水热反射镜的抑霜过程仅需要在光伏板表面贴膜涂层，结构简单，成本低，不存在抑霜除霜的死角，不需要对光伏板结构进行改动，不增设额外的机械装置，不会对光伏板施加外力。对光伏板施加外力。对光伏板施加外力。


技术研发人员：高铁瑜 龚建英 王宇涛 吴馨
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/8/31